DE2615198C3

DE2615198C3 - Nachrichtenübertragungssystem zum zweiseitig gerichteten Nachrichtenverkehr zwischen einer Hauptstation und mehreren Unterstationen über einen Satelliten

Info

Publication number: DE2615198C3
Application number: DE2615198A
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl.-Ing. Aubele; Heinz Dr.-Ing. Haeberle
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1976-04-08
Filing date: 1976-04-08
Publication date: 1979-08-16
Also published as: FR2347836A1; DE2615198A1; IT1078090B; GB1555613A; DE2615198B2; BE853633A; US4117267A

Description

FZ nur senden und die Bodenzentrale BZ nur empfängt Die Flugzeuge senden ihre Daten in Form von periodischen Bursts auf einer Frequenz /1 zum Satelliten S, wobei die Sendezeitpunkte der einzelnen Flugzeuge gegeneinander so versetzt sind, daß ihre Bursts sich am Satelliten 5 nicht zehüch überlappen. Diese Frequenz /1 wird im Satelliten in eine Frequenz /3 umgesetzt, die nicht von den Flugzeugen, sondern nur von der Bodenzentrale empfangen wird.

Das andere, durchgezogen gezeichnete, Netz dient zur Datenübertragung von der Bodenzentrale BZ über den Satelliten zu den Flugzeugen FZ Die Bodenzentrale BZ sendet ihre Daten kontinuierlich auf einer von der Sendefrequenz /1 der Flugzeuge verschiedenen Fre quenz fi zum Satelliten 5, der sie nach Frequenzumsetzung auf eine Frequenz f\ an die Flugzeuge FZ aussendet Diese Daten sind einerseits sogenannte Kurzzeitdaten, die an die einzelnen Flugzeuge individuell adressiert sind, und sogenannte LangzeUdaten wie Wetterlage, Flugplan usw.. die an alle Flugzeuge adressiert sind. Zweckmäßigerweise sind die Daten in einer bestimmten periodisch wiederkehrenden Reihenfolge angeordnet, so daß Sich eifie Rahmenstruktur ergibt Dieser Rahmen habe bei beispielsweise 120 beteiligten Flugzeugen FZ eine Dauer von 10 s.

Ein solches aus zwei getrennten Netzen bestehendes Nachrichtenübertragungssystem hat den Vorteil, daß die Synchronisation des TDMA-Rahmens der Flugzeuge in besonders einfacher Weise möglich ist. Bei jedem TDMA-System benötigen die Teilnehmer einen gemeinsamen Zeittakt als Rahmensynchronisiersignal zar Kennzeichnung des Rahmenbeginns. Bezüglich des Empfangszeitpunktes dieses Rahmensynchronisiersignals bestimmen die Teilnehmer ihren Sendezeitpunkt auf Grund der ihnen innerhalb des TDMA-Rahmens jeweils zugeteilten Zeitlage. Zweckmäßigerweise wird die Reihenfolge der Flugzeuge in ihrem TDMA-Senderahmen in Übereinstimmung mit der Reihenfolge der Flugzeuge in dem von der Bodenstation gesendeten Rahmen festgelegt. Das Rahmensynchronisiersignal *o wird beim erfindungsgemäßen Nachrichtenübertragungssystem auf der gleichen Frequenz wie die von der Bodenzentrale BZ zu sendenden Daten von dieser an alle Flugzeuge FZ ausgesendet. Im einfachsten Falle markiert die Bodenzentrale ihren Rahmenbeginn mit -si einem Rahmenbeginnkennzeichen, und die Flugzeuge verwenden dieses empfangene Rahmenbeginnkennzeichen als Rahmemynchronisiersignal zur Synchronisierung ihrer Bursts innerhalb des TDMA-Rahmens. Der TDMA-Rahmen der Flugzeuge hat also in diesem Falle w ebenfalls eine Dauer von 10 s.

Die Zeitlage für die Burstaussendung, d. h. der Platz innerhalb des TDMA-Rahmens, wird dem einzelnen Flugzeug in Form einer Kennummer zusammen mit den an dieses Flugzeug adressierten Daten mitgeteilt.

Zwischen den Bursts der Flugzeuge sind so große Sicherheitsabstände vorgesehen, daß die Laufzeitunterschiede, die sich infolge von unterschiedlichen und ständig sich ändernden Entfernungen zwischen den verschiedenen Flugzeugen und dem Satelliten ergeben, '■'■ aufgefangen werden und die Bursts der verschiedenen Flugzeuge sich im Satelliten nicht zeitlich überlappen.

Der zwischen den Bursts zweier Flugzeuge aufgrund der Flugzeugbewegung maximal mögliche Laufzeitunterschied auf dem Weg zum Satelliten S wird nun ■■■ anhand der F i g. 2 erläutert. Es werden zwei Flugzeuge A und 0 betrachtet, die in gleicher Höhe über der Erde fliegen, das eine Flugzeug A im Subsatellitenpunkt, d. h.

senkrecht unter dem Satelliten 5, und das andere Flugzeug B am Rande des vom Satelliten ausgeleuchteten Gebiets. Bei einem Synchronsatelliten mit einem kreisförmigen Ausleuchtgebiet mit einem Radius von 80 geographischen Längengraden, gemessen am Äquator, tritt auf den um Almax unterschiedlichen Wegen A-A und S- B ein einfacher Laufzeitunterschied von ungefähr 23 ms auf. Das vom Satelliten 5 an die beiden Flugzeuge .4 und B gesendete Rahmensynchronisiersignal erreicht das Flugzeug B erst um 23 ms später als das Flugzeug A. Der darauf zum Satelliten gesendete Burst des Flugzeugs B braucht wiederum 23 ms mehr Laufzeit bis zum Satelliten S als der Burst des Flugzeugs A, so daß am Satelliten aufgrund der Unbestimmtheit des Ortes der Flugzeuge ein Sicherheitsabstand zwischen aufeinanderfolgenden Bursts von 46 ms, also vom doppelten maximalen Laufzeitunterschied einzuhalten ist Zu diesen allein durch die Flugzeugbewegung bedingten Sicherheitsabständen kommen noch die Sicherheitsabstände hinzu, die sich aufgrund der Bewegung des Satelliten ergeben. Hierbei ist zu unterscheiden, ob es sich um einen synchronen Satelliten oder um einen umlaufenden Satelliten handelt. Für einen synchronen Satelliten, wie z. B. dem OTS-Satelliten, (OTS = Orbital Test Satellite) läßt sich zeigen, daß die auigrund seiner Restbewegungen notwendigen Sicherheitsabstände im Bereich von Mikrosekunden liegen. Sie fallen also gegenüber den aufgrund der Flugzeugbewegungen notwendigen Sicherheitsabständen von 46 ms nicht ins Gewicht.

Bei einem umlaufenden Satelliten ändert sich dagegen die absolute Signallaufzeit zur Lrde mit der jeweiligen Bahnposition in weiten Grenzen. Beispielsweise beträgt für den russischen Satelliten Molnija die Schwankung der Signallaufzeit innerhalb seines Sichtbarkeitsbereichs ungefähr 100 ms. Jedoch hat das erfindungsgemäße Nachrichtenübertragungssystem den Vorteil, daß absolute Laufzeiten und deren Schwankungen bei der Bemessung der Sicherheitsabstände der Bursts im TDMA-Rahmen nicht berücksichtigt werden müssen, sondern nur die auf den unterschiedlichen Wegen zwischen den einzelnen Flugzeugen auftretenden relativen Laufzeitänderungen der Bursts. Die Bewegung des Satelliten bleibt daher ohne merklichen Einfluß auf die Sicherheitsabstände, so daß die Erfindung gleichermaßen auf umlaufende Satelliten anwendbar ist.

Dieser Vorteil gegenüber gekannten TDMA-Systemen wird nachstehend erläutert.

Das Rahmensynchronisiersignal wird bei bekannten TDMA-Systemen innerhalb des TDMA-Rahmens an die einzelnen Teilnehmer übertragen und bildet den Rahmenbeginn. Aus der Sicht der einzelnen Teilnehmer stellt es am Satelliten eine absolute periodisch wiederkehrende Zeitmarke dar. Der Zeitpunkt, zu dem der auf diese Zeitmarke folgende Burst am Satelliten eintrifft, ist mit einer Unbestimmtheit behaftet, die gleich der doppelten Schwankung der absoluten Laufzeit des Signals auf dem Weg zwischen dem Satelliten und der den Burst sendenden Station ist. Die Laufzeitschwankung wirkt sich einerseits nämlich auf die Übertragung des Rahmensynchronisiersignals vom Sat°Miten zur Station und andererseits auf die darauf ausgelöste Übertragung des Stationsbursn ^um Satelliten aus, so daß im TDMA-Rahrrf-r am Satelliten zwischen dem Rahmensynchronisiersignal und dem daran angrenzenden Burst ein Sicherheitsabstand vorzusehen ist, der g¹: Ί der doppelten Laufzeit-

Schwankung ist. Mit der erwähnten, allein durch die Satellitenbewegung des umlaufenden Satelliten hervorgerufenen Schwankung der Signallaufzeit von At= 100 ms betragt diese-Sicherheitsabstand

Zwischen zwei beliebigen anderen aufeinanderfolgenden Bursts ι und y ist dagegen nur ein Sicherheitsabstand Tsb vorzusehen, der gleich der doppelten Differenz der Laufzeitscliwankungen Δ ti und Atj der Bursts f and y ist. Es ist also

T_SB = 2\Ati-Atj\

Dieser auf relativen Laufzeitschwankungen beruhende Sicherheitsabstand 7™ ist nun. wie eine genauere Untersuchung zeigt, kaum größer als der Wert für den Synchronsatelliten, dessen Bewegung gegenüber der Flugzeugbewegung nicht ins Gewicht fällt. Es ist also auch für den umlaufenden Satelliten Molnija ungefähr

Tsb=46 ms.

Der erwähnte Vorteil des neuen Nachrichtenübertragungssystems besteht nun speziell darin, daß es innerhalb des TDMA-Rahmens der Flugzeuge nur noch gleiche Sicherheitsabstände Tsb gibt, weil das Rahmensynchronisiersignal außerhalb des TDMA-Rahmens übertragen wird und daher auch keine Sicherheitsabstände Tsr zu den daran anschließenden Bursts eingehalten werden müssen.

Die F i g. 3 zeigt das Blockschaltbild der Flugzeugeinrichtung für das erfindungsgemäße Nachrichtenübertragungssystem. Der von der Bodenzentrale in jedem Flugzeug empfangene Datenrahmen gelangt über einen Empfänger 1 und einen Demodulator 2 als Basisbandsignal zu einem Datendemultiplexer 3. Eine Synchronisierschaltung 4 leitet aus dem Basisbandsignal den Rahmentakt und den Bittakt ab. Gesteuert vom Bittakt entnimmt der Datendemultiplexer 3 die an das Flugzeug adressierten Daten und die Langzeitdaten und gibt diese an eine Einheit 5 zur Datenausgabe und Datenanzeige. Die Kennummer, die Bestandteil der an das Flugzeug adressierten Daten ist, wird in einem Datenspeicher 6 gespeichert und dazu verwendet, in einem sendeseitigen Taktgeber 7 einen nicht gezeigten Zähler voreinzustellen. Dieser Zähler zählt im empfangenen Zeittakt vom ^Λ5 Rahmenbeginn ab bis zur Kennummer und bestimmt damit den Sendezeitpunkt des Flugzeuges bezüglich des Rahmenbeginns. Die vom Flugzeug zu sendenden Daten werden bereits in digitaler Form vom Ausgang einer Dateneingabe 8 oder vom Ausgang der Meßinstrumente 9 einem Datenmultiplexer 10 zugeführt, der das zu sendende Datenwort bildet. Dieses wird in einem Zwischenspeicher 11 gespeichert, und von diesem in komprimierter Form im Anschluß an die von einem Präambelgenerator 12 erzeugte Präambel, die zur Bittakt- und gegebenenfalls Trägersynchronisation des Empfängers der Bodenzentrale und zur Markierung des Datenwortbeginns dem Datenwort unmittelbar vorausgehen muß, einem Modulator 13 zugeführt Dieser Modulator 13 wird nur für die Sendezeit eingeschaltet fr° Die zur sendeseitigen Ablaufsteuerung notwendigen Taktsignale werden über gestrichelt gezeichnete Taktleitungen vom sendeseitigen Taktgeber den verschiedenen Einheiten 10 bis 13 zugeführt

Das Ausgangssignal des Modulators 13 gelangt n'· schließlich auf den Sender 14 des Flugzeugs, der den Burst auf der gemeinsamen Sendefrequenz /1 der Flugzeuge zum Satelliten aussendet

Die Steuerung der Burstaussendung ist in einer noi.i direkteren Form durch die Bodcnzentrale mögüc!"·. ii einer nicht gezeigten /uisfuhrungsform sendet die Bodenzcntrale unmittelbar den Befehl zur Burstaussendung in Form eines an das Flugzeug adressierten Üaicnworte«;, dessen Erkennen den sendeseitigen Taktgeber unmittelbar zur Üurstausrendung veranlaßt. In diesem Falle entfällt der Datenspeicher 6 zur Speicherung der Kuinummer und die Flugzeugeinrich-•up.£ wird auf das Mindestmaß einer durch die Bodenzentrale ferngesteuerten Datensendestelle reduziert.

Das Blockschaltbild der Bodenzentrale zeigt die F i g. 4. Die von den verschiedenen Flugzeugen empfangenen Bursts gelangen von einem Empfänger 15 über eir.cn Demodulator 16 zunächst in einen Zwischenspeicher 17. Der Bittakt der empfangenen Bursts wird in einer Taktableitung 18 vom Ausgangssignal des Demodulators 16 abgeleitet. Vom Zwischenspeicher werden die Daten als kontinuierlicher Datenstrom an einen Rechner 19 weitergeführt. Von dort gelangen die Daten an eine Datenanzeige 20. Eine als Überwachung bezeichnete Einheit 21, die das Ausgangssignal des Demodulators 16 erhält, kontrolliert den Zeitmultiplex Vorgang im Satelliten und ist mit dem Rechner 19 verbunden. Der Rechner ist mit einem Zwischenspei eher 22, mit einer Dateneingabe 23 und einer Steuereinheit 24 verbunden, die die Taktsignale eine Taktgenerators 25 erhalten. Die Ausgangssignale des Zwischenspeichers 22, der Dateneingabe 23 und der Steuereinheit 24 gelangen auf einen ebenfalls vom Taktgenerator mit Taktsignalen versorgten Datenmulti plexer 26, der das Sendesignal zusammenstellt. Der Rechner 19 übernimmt zusammen mit der sendeseitigen Steuereinheit 24 die zentrale Ablaufsteuerung des Systems, wobei die Steuereinheit 24 die laufende Rahmenmarkierung und die Zuteilung der Kennummer zu den an die verschiedenen Flugzeuge adressierten Daten besorgt. Die Ausgangssignale des Datenmultiple xers 26 werden schließlich über einen Modulator 27 dem Sender 28 zugeführt, der sie in einer Frequenzlage /"2, die verschieden von der gemeinsamen Sendefrequenz f\ der Flugzeuge ist, zum Satelliten sendet

Im folgenden wird noch eine Weiterbildung der Erfindung beschrieben, die es ermöglicht, wesentlich kleinere Sicherheitsabstände zu verwenden. Eine Verkleinerung der Sicherheitsabstände ist dann notwen dig, wenn die Zahl der Flugzeuge wesentlich erhöh' wird, beispielsweise auf 240, da sonst die Sicherheitsab stände bei gleichbleibender Rahmendauer keine Zei mehr für die Informationsübertragung übrig lassen würden. Ebenso müssen die Sicherheitsabstände ver kleinert werden, wenn bei gleichbleibender Flugzeugen zahl der Wirkungsgrad des Systems verbessert werden solL Der Mehraufwand eines solchen Systems ist jedoch gering. Die Bodenzentrale erhält laufend die Positions meidungen von den Flugzeugen. Der Rechner berech net daraus die Entfernungen und die entsprechender Werte der Signallaufzeiten, und die Bodenzentrale teil den Flugzeugen den korrigierten Sendezeitpunkt mit Die laufende Neueinstellung der Sendezeitpunkte wire also vollautomatisch von der Bodenzentrale gesteuert indem der Zähler, der in den Flugzeugen von Rahmenbeginn aus anhand der mitgeteilten Kennum mer den Sendezeitpunkt bestimmt, mittels einei korrigierten Kennummer neu eingestellt wird Wk bereits erwähnt können die Daten jedes Flugzeugs aucl direkt durch einen Befehl der Bodenzentrale abgefrag

werden. Auch dabei lassen sich die .Sicherheitsabstände verklejnern, wenn die Bodenzentrale den Zeitpunkt der Aussendung des Seridebe.V'ls :\n die jeweils bestehender Entfernungen anpaßt.

Damit sind die durch die Flugzeugbewegung üedingten Laufzeitunterschiede kompijiuürt, und die Sicherralisiibstände haben nur noch die Aufgabe, die aufgrund der Satellitenbewegung hervorgerufenen rp^|oiiven Laufzeiiänderungen aufzufangen. Berechnungen haben gezeigt, daß dafür sowohl für einen Synchronsatelliten

ils auch für einen umlaufenden Satelliten, bei dem die Laufzeitändcrt'.ngen infolge der Bewegung auf der elliptischen Bahn der Bodenzentrale ebenfalls bekannt und weitgehend zu kompensieren sind, Sicherhcitsab-

·-, stände von etwa 350 μ5 ausreichen. Diese enthalten bereits einen ausreichenden Ungenauigkeitszuschlag. Die Sicherheitsabstände lassen sich durch diese von der Bodenzentrale durchzuführenden Korrekturen also um einen Faktor von Ϊ00 verbessern, wodurch die

in Systemkapazität beträchtlich verbessert ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nachrichtenübertragungssystem zum zweiseitig gerichteten Nachrichtenverkehr zwischen einer Hauptstation und mehreren Unterstationen über einen als Transponder wirkenden Satelliten, bei dem die Nachrichtenübertragung von den Unterstationen zur Hauptstation im Zeitmultiplex-Vielfachzugriff (TDMA) erfolgt, wobei jede Unterstation ihre Nachrichten in Form von periodischen Bursts auf einem allen Unterstationen gemeinsamen Hochfrequenzkanal zum Satelliten aussendet und ihre Burstsendezeitpunkte bezüglich des Empfangszeitpunktes eines von der Hauptstation über den Satelliten an alle Unterstationen gesendeten Rahmensyr.chronisiersignals festlegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstation (BZ) ihre für die Unterstationen (FZ) bestimmten Nachrichten zusammen mit dem Rahmensynchronisiersignal außerhalb des TDMA-Rahmens der Unterstationen auf einem zweiten Hochfrequenzkanal (72) zum Satelliten aussendet.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstation (BZ) Mittel (21,19,22,24) enthält, um die für die einzelnen Unterstationen (FZ) bestimmten Nachrichten mit Informationen über die den einzelnen Unterstationen (FZ) zugeteilten Zeitpunkte für die Aussendung ihrer Bursts zu versehen.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterstationen (FZ) Mittel (4, 6, 7) enthalten, um aufgrund der von der Hauptstation (BZ) empfangenen Information die Aussendung der Bursts zu steuern und um den sendeseitigen Bittakt auf die Hauptstation zu synchronisieren.

4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstaiion (BZ) Mittel (21, 19, 22, 24) enthält, um die den einzelnen Unterstationen (FZ) mitzuteilenden Informationen über deren Burstsendezeitpunkte zur Verringerung der zwischen anein- *o ander angrenzenden Bursts notwendigen Sicherheitsabstände an sich ändernde Signallaufzeiten anzupassen.

das RahmensynchronisiersignaL Jede Unterstation empfängt von der Hauptstation das Rahmensynchronisiersignal und die innerhalb des der Hauptstation zugeteilten Zeitabschnitts des TDMA-Rahmens gesendeten Daten, soweit sie an die betreffende Unterstation adressiert sind. Das System eignet sich zwar zum zweiseitig gerichteten Nachrichtenaustausch zwischen einer Bodenzentrale und einer Vielzahl von Flugzeugen über einen Satelliten, jedoch sind boden- und bordseitig aufwendige Synchronisierungseinrichtungen notwendig, da die sich ständig ändernden Entfernungen zwischen dem Satelliten und den Flugzeugen bei der Synchronisierung berücksichtigt werden müssen, damit keine zeitlichen Überlappungen der Bursts des TDMA-Rahmens am Satelliten auftreten. Entsprechend aufwendige Einrichtungen benötigt dieses System zur Ermöglichung des störungsfreien Erstzugriffs eines Flugzeugs.

Falls die Positionsfeststellung der Flugzeuge nicht wie bei diesem System mittels des Kommunikationssystems Flugzeug—Satellit—Boderizentrale, sondern mittels üblicher Navigationseinrichtungen erfolgen soll, und falls der Nachrichtenverkehr nicht so groß ist, daß nur geringe Sicherheitsabstände zwischen den verschiedenen Bu.-sts in der Größenordnung einer Mikrosekunde möglich sind, so genügt ein einfacheres Nachrichtenübertragungssystem, um den zwischen einer Bodenzentrale und einer Vielzahl von Flugzeugen zum Zwecke der Luftraumüberwachung anfallenden Datenverkehr zu bewältigen.

Aufgabe

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Nachrichtenübertragungssystem zum zweiseitig gerichteten Nachrichtenverkehr zwischen jeder aus einer Vielzahl von Unterstationen und einer Hauptstation anzugeben, das ohne aufwendige Einrichtungen zur Entfernungsmessung und zum Erstzugriff einer Unterstation auskommt.

Lösung

Die Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln geiost.

Vorteile

Das erfindungsgemäße Nachrichtenübertragungssystem ist für einen umlaufenden Satelliten ebenso geeignet wie für einen Synchronsatelliten.

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Nachrichtenübertragungssystem zum zweiseitig gerichteten Nachrichtenverkehr zwischen einer Hauptstation und mehreren Unterstationen über einen als Transponder wirkenden Satelliten, bei dem die Nachrichtenübertragung von der Unterstation zur Hauptstation im Zeitmultiplex-Vielfachzugriff (TDMA) erfolgt, wobei jede Unterstation ihre Nachrichten in Form von periodischen Bursts auf einem allen Unterstationen gemeinsamen Hochfrequenzkanal zum Satelliten aussendet und ihre Burstsendezeitpunkte bezüglich des Empfarigszeiipunktes eines von der Hauptstation über den Satelliten an alle Unterstationen gesendeten Rahmensynchronisiersignals festlegt.

Ein derartiges Nachrichtenübertragungssystem ist z. B. bekannt aus der DE-OS 21 21 751. Bei diesem System enthält der TDMA-Rahmen (TDMA = Time Divions Multiple Access) die Bursts von den Unterstationen und der Hauptstation und den von der Hauptstation zusätzlich gesendeten Referenzburst oder Beschreibung

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Systemkonfiguration des erfindungsgemäßen Nachrichtenübertragungssystems,

F i g. 2 eine Skizze zur Erläuterung der maximal vorkommenden Laufzeitunterschiede,

F i g. 3 das Blockschaltbild einer Unterstation für das erfindungsgemäße Nachrichtenübertragungssystem,

F i g. 4 das Blockschaltbild der Hauptstation für das erfindungsgemäße Nachrichtenübertragungssystem.
^h() Die Fi g. 1 zeigt ein Nachrichtenübertragungssystem mit einem Satelliten S, einer Bodenzentrale BZ als Hauptstation und mehreren Flugzeugen FZ als Unterstationen. Der Datenverkehr in den beiden entgegengesetzten Übertragungsrichtungen Flugzeuge—Satellit— ""' Bodenzentrale und Bodenzentrale —Satellit—Flugzeuge erfolgt in zwei voneinander unabhängigen Netzen. Das eine, gestrichelt gezeichnete, Netz ist ein vereinfachtes Zeitvielfachzugriffnetz, in dem alle Flugzeuge