DE1200896B

DE1200896B - Radio location system

Info

Publication number: DE1200896B
Application number: DEST21073A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Fritz Steiner
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1963-09-13
Filing date: 1963-09-13
Publication date: 1965-09-16

Description

Funkortungssystem Es sind verschiedene Methoden bekannt, mittels derer ein Flugzeug seinen eigenen Standort im Raum durch Messung der Laufzeitunterschiede von elektrischen Wellen, die von verschiedenen Bodensendern ausgesendet und im Flugzeug empfangen werden, bestimmen kann. Solche Systeme sind: DECCA, LORAN und OMEGA. Bei diesen Systemen werden mindestens drei Sender verwendet, die in geeigneten Abständen voneinander auf dem Erdboden in bekannter geographischer Lage aufgebaut sind. Wenn die ausgesendeten Wellen impulsmoduliert sind, werden die Laufzeitunterschiede direkt durch eine Zeitmessung bestimmt. Sind die ausgesendeten Wellen kontinuierlich (CW-Verfahren), so wird zur Messung der Laufzeitunterschiede der Wellen eine Phasenmessung durchgeführt. Der geometrische Ort gleicher Laufzeitunterschiede ist bekanntermaßen ein Rotationshyperboloid mit den Sendern als gemeinsamen Brennpunkten. Bei diesen bekannten Verfahren werden die Schnittlinien von jeweils zwei Hyperboloiden zur Standortbestimmung ausgewertet, die jeweils von zwei Senderpaaren in der oben beschriebenen Weise erzeugt werden. Um den Aufwand eines solchen Navigationssystems zu vermindern, kann ein Sender beiden Paaren gemeinsam spin. Die Schnittiinle voil zwei sich schneidenden Hyperboloiden ist eine Kurve, die den Erdboden (Horizontalebene) mit einer vertikalen Tangente schneidet. Es ist, durch die Geometrie dieses Systems bedingt, ersichtlich, daß in geringen Flughöhen die Position des Flugzeuges durch diese Tangente genügend genau definiert ist, daß aber größere Fehler dann entstehen, wenn sich das Flugzeug in größeren Höhen befindet, in Höhen nämlich, die im Vergleich zum Abstand des Flugzeuges von einem der Sender groß sind. Um die bei großen Flughöhen immer größer werdende Ungenauigkeit der Standortbestimmung zu vermindern, wird an Bord der Flugzeuge in die Rechengeräte, durch die z. B. die auf Grund der Laufzeitunterschiede primär gemessen Hyperbelkoordinaten in kartesische Koordinaten umgewandelt werden, die mittels eines Bordhöhenmessers bestimmte Flughöhe zur Korrektur in das Rechengerät mit eingegeben.Radio location system Various methods are known by means of which an aircraft finds its own location in space by measuring the differences in transit time of electrical waves emitted by various ground transmitters and on the plane can be received. Such systems are: DECCA, LORAN and OMEGA. at These systems use at least three transmitters at appropriate intervals are built from each other on the ground in a known geographical location. if the transmitted waves are pulse-modulated, the transit time differences are direct determined by a time measurement. Are the transmitted waves continuous (CW method), a phase measurement is carried out to measure the differences in transit time of the waves. The geometric location of the same transit time differences is known to be a rotational hyperboloid with the transmitters as common focal points. In these known methods are the intersection lines of two hyperboloids are evaluated to determine their location, which are each generated by two pairs of transmitters in the manner described above. In order to reduce the complexity of such a navigation system, a transmitter can use both Couples spin together. The intersection consists of two intersecting hyperboloids is a curve showing the ground (horizontal plane) with a vertical tangent cuts. Due to the geometry of this system, it can be seen that at low altitudes the position of the aircraft through this tangent is sufficient is precisely defined, but that larger errors arise when the aircraft is is located at greater heights, namely at heights compared to the distance of the aircraft from one of the transmitters are great. To the ever-increasing at high altitudes To reduce inaccuracy of the location determination, is on board the aircraft in the computing devices through which z. B. the primary due to the runtime differences measured hyperbola coordinates are converted into Cartesian coordinates, the flight altitude determined by means of an on-board altimeter for correction in the computing device entered with.

Es ist auch bereits ein Verfahren diskutiert worden, mit Hilfe dessen die Koordinaten eines Flugzeuges unabhängig von der Flughöhe bestimmt werden können. A method has also already been discussed by means of this the coordinates of an aircraft can be determined independently of the flight altitude.

(Internationale Haupttagung für Luft- und Raumfahrt-Navigation, Berlin vom 22. bis 27 April 1963; Veröffentlichung der »Thomson-Housien Gesellschaft«, LG/AD - 151 - KP, lMärz 1963, S. 9). Dem genannten Verfahren liegt folgende geometrische Betrachtung zugrunde: Wenn eine Ebene von einer durch zwei Punkte P1 und P2 bestimmten Geraden senkrecht durchstoßen wird, so kann man den Abstand x der Ebene vom Mittelpunkt (M) zwischen den beiden Punkten P1 und P2 zu x = r12-r22/2b = (r1-r2)(r1+r2)/2b bestimmen, wobei r1 und r2 die Abstände eines beliebigen, in jener Ebene gelegenen Punktes A von den Punkten P1 bzw. P2 und b der Abstand der beiden Punkte P1 und P2 ist.(Main international conference for aerospace navigation, Berlin April 22-27, 1963; Publication of the "Thomson-Housien Society", LG / AD - 151 - KP, March 1, 1963, p. 9). The above-mentioned method has the following geometrical characteristics Consideration based on: If a plane from one through two points P1 and P2 determined Straight line is pierced vertically, one can determine the distance x of the plane from the center point (M) between the two points P1 and P2 to x = r12-r22 / 2b = (r1-r2) (r1 + r2) / 2b determine, where r1 and r2 are the distances of any one located in that plane Point A from points P1 or P2 and b is the distance between the two points P1 and P2 is.

Die Werte (r1 - r2) und (rl + r2) lassen sich mit Methoden der Funknavigation in bekannter Weise bestimmen, wenn man im Punkt P1 einen Sender und einen Empfänger, im Punkt P2 nur einen Empfänger und im Flugzeug, dessen Standort bestimmt werden soll, eine Empfänger-SenderKombination (Transponder) stationiert. Wenn man nun eine zweite derartige Anordnung, die in ihrer Gesamtheit zu der ersten Anordnung senkrecht orientiert ist, aufbaut, so kann primär die Position des Flugzeuges in kartesischen Koordinaten am Boden bestimmt werden und bei Umkehrung des Verfahrens auch im Flugzeug selbst. Dieses System ist jedoch zur Bestimmung der Standorte einer größeren Anzahl von Flugzeugen nicht recht geeignet, weil nicht alle Flugzeuge gleichzeitig mit dem Boden einen Duplexverkehr durchführen können. The values (r1 - r2) and (rl + r2) can be determined using radio navigation methods determine in a known way, if at point P1 a transmitter and a receiver, in point P2 only one receiver and in the aircraft, the location of which is determined should, a receiver-transmitter combination (transponder) is stationed. Now if you have a second such arrangement, which in its entirety is perpendicular to the first arrangement is oriented, so the position of the aircraft can primarily be in Cartesian Coordinates are determined on the ground and, if the procedure is reversed, also in the aircraft itself. However, this system is used to determine the locations of a larger number of airplanes not quite suitable, because not all airplanes use at the same time can perform duplex traffic on the ground.

Da es jedoch in erster Linie erwünscht ist, die Standortkoordinaten im Flugzeug selbst zu kennen, ist es notwendig, die Werte (rl -t r2) und (r1 - r2) im Flugzeug direkt, ohne irgendwie geartete Rücksendung über Transponder, zu gewinnen. Die Lösung dieser Aufgabe erscheint dann möglich, wenn die gesamte Bodenanlage aus vier an den Eckpunkten eines Quadrates mit der Seitenlänge b angeordneten Sendern besteht, und wenn im Flugzeug die Laufzeitdifferenzen O , y, 8 zwischen den vier Ausstrahlungen der Sender gemessen werden. Dabei ist zu beachten, daß die Summe der vier Laufzeitdifferenzen identisch Null ist. However, since it is primarily desirable to use the location coordinates knowing in the airplane itself, it is necessary to know the values (rl -t r2) and (r1 - r2) on the plane directly, without any kind of return via transponder. The solution to this problem then appears possible if the entire floor system is made up four transmitters arranged at the corners of a square with side length b exists, and if the transit time differences O, y, 8 between the four Broadcasts from the transmitters are measured. It should be noted that the sum of the four transit time differences is identical to zero.

Aus diesen Werten @, , ß, γ, õ lassen sich die kartesischen Koordinaten des messenden Flugzeuges unabhängig von der Flughöhe mit relativ einfachen Formeln zu α . γ (ß - #) und ß # (α - γ) 2 b (ß + γ) berechnen.From these values @,, ß, γ, õ the Cartesian Coordinates of the measuring aircraft regardless of the altitude with relatively simple Formulas for α. γ (ß - #) and ß # (α - γ) 2 b (ß + γ) to calculate.

Ein auf dieser Grundkonzeption beruhendes Navigationssystem ist aber direkt auf und in der Nähe der xz- und der yz-Ebenen anbrauchbar, weil entlang den xz- und yz-Ebenen keine Werte erhalten werden können und in der Nähe der xz und yz-Ebenen die Messwerte äußerst ungenau sind. Es läßt sich auch eine allgemeine, notwendige und hinreichende Bedingung angeben, unter der ein solches Verfahren nicht funktioniert: Ein solcher Fall tritt nämlich immer dann ein, wenn die Symmetrieebenen jeweils zweier Senderpaare identisch sind, d. h., wenn die Sender an den Ecken eines symmetrischen Trapezes, eines Rechteckes oder Quadrates aufgestellt sind. Bei einer solchen Senderaufstellung sind die Schnittwinkel zwischen den den Standort bestimmenden Schnittlinien nämlich so flach, daß sehr große Ungenauigkeiten entstehen. Um eine möglichst große Genauigkeit zu erreichen, ist es daher notwendig, die Aufstellungsorte der Sendestationen auf dem Erdboden so zu wählen, daß die Schnittwinkel zwischen Ebenen der Laufzeitdifferenz Null, die sich zwischen jeweils zwei Sendestationen ausbilden, nahe an 30° herankommen. However, a navigation system based on this basic concept is can be used directly on and near the xz and yz planes because along the xz and yz planes no values can be obtained and close to the xz and yz planes the measured values are extremely inaccurate. There can also be a general, Specify necessary and sufficient condition under which such a procedure is not works: Such a case always occurs when the symmetry planes two pairs of transmitters are identical in each case, d. i.e. if the transmitters are at the corners of a symmetrical trapezoid, rectangle or square. At a Such transmitter setups are the intersection angles between the location-determining Cutting lines are so flat that very large inaccuracies arise. To a if possible To achieve great accuracy, it is therefore necessary to identify the locations of the To choose transmitting stations on the ground so that the intersection angles between planes the transit time difference of zero that develops between two transmitting stations, come close to 30 °.

Das Ortungssystem gemäß der Erfindung erfüllt diese Forderung, und die erzielbaren Ortungsgenauigkeiten übertreffen bei weitem die mit den bekannten Systemen erreichbaren. The positioning system according to the invention meets this requirement, and the achievable locating accuracies far exceed those with known ones Systems achievable.

Die Erfindung bezieht sich also auf ein Funkortungssystem zur Eigenbestimmung des Standortes von Flugzeugen in kartesischen Koordinaten einer Bezugsfläche mit Hilfe von mehreren auf der der Bezugsfläche, z. B. dem Erdboden in gewissem Abstand aufgebauten, synchronisierte Signale aussenden den Sendestationen unter Auswertung der im Flugzeug gemessenen Laufzeitdifferenzen der Signale der einzelnen Sender. The invention thus relates to a radio location system for self-determination the location of aircraft in Cartesian coordinates of a reference surface with Help from several on the reference surface, e.g. B. the ground at a certain distance Established, synchronized signals are sent to the transmitting stations under evaluation the difference in transit times of the signals from the individual transmitters measured in the aircraft.

Erfindungsgemäß sind zur höhenunabhängigen Bestimmung der Koordinaten vier Sendestationen derart angeordnet, daß auch die kleinstmöglichen Schnittwinkel zwischen den Ebenen der Laufzeitdifferenz Null von jeweils zwei Sendestationen möglichst nahe bei 30° liegen. Es werden jeweils drei Laufzeitdifferenzen (α, fl, r) primär gemessen, aus denen die x-Koordinate nach der Formel: x = 2 # [e (α - γ) + f (α - ß)] - e (α²-γ²) - f (α² - ß²), und die y-Koordinate nach der Formel: y = iα(2# - α) + k/2 und die Schrägentfernung (#) nach der Formel: u α² + v ß² + w γ² - 1 2 2(?i+vfl+wy) errechnet wird, wobei e, f, i, k, u, v, w von der Aufstellungsart der Sender abhängige Konstanten darstellen. According to the invention, for the height-independent determination of the coordinates four transmitter stations arranged in such a way that even the smallest possible cutting angle If possible, between the levels of the transit time difference zero of two transmitting stations are close to 30 °. There are three transit time differences (α, fl, r) primarily measured, from which the x-coordinate according to the formula: x = 2 # [e (α - γ) + f (α - ß)] - e (α²-γ²) - f (α² - ß²), and the y-coordinate according to the formula: y = iα (2 # - α) + k / 2 and the slope distance (#) according to the formula: u α² + v ß² + w γ² - 1 2 2 (? i + vfl + wy) where e, f, i, k, u, v, w constants depending on the type of installation of the transmitter represent.

Wie an sich bei Navigationssystemen bekannt, läßt sich dieses Verfahren umkehren, indem man nämlich zur bodenseitigen Bestimmung des Standortes eines Flugzeuges die Ausstrahlung eines Flugzeugsenders durch eine Bodenanlage, bestehend aus vier in der oben angegebenen Weise aufgebauten Empfangsstationen, aufnimmt. As is known in the case of navigation systems, this method can be used reverse by namely to the ground-side determination of the location of an aircraft the broadcast of an aircraft transmitter through a ground system consisting of four receiving stations constructed in the manner indicated above.

Das hier beschriebene Funknavigationsverfahren hat gegenüber allen anderen bekannten Verfahren den Vorteil, daß allein durch die gleichzeitige Auswertung von drei Laufzeitunterschieden Positionsangaben in kartesischen Koordinaten mit wesentlich einfacheren Formeln und demgemäß einfacheren Bordrechnern und unabhängig von der Flughöhe erhalten werden können. Bei den bisher bekannten und neuerlich diskutierten Verfahren sind die Bordrechner insofern kompliziert, als es notwendig ist, Quadratwurzeln zu ziehen und eine Höhenkorrektur durchzuführen. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist es dagegen nur notwendig, die Werte r1r2 und rl+r2 zu bestimmen. Die Hyperbelgleichung auszuwerten, erübrigt sich bei dem Verfahren gemäß der Erfindung. The radio navigation procedure described here has against all other known methods have the advantage that solely through the simultaneous evaluation of three runtime differences position information in Cartesian coordinates with much simpler formulas and accordingly simpler on-board computers and independently can be obtained from the flight altitude. With the previously known and again The on-board computers are complicated to the extent that they are necessary is to take square roots and perform an altitude correction. In the process according to the invention, on the other hand, it is only necessary to determine the values r1r2 and rl + r2. Evaluating the hyperbola equation is unnecessary with the method according to the invention.

Es ist also ein Hauptcharakteristikum des Systems gemäß der Erfindung, daß jeweils drei Laufzeitunterschiede zwischen einem Flugzeug und vier Bodenstationen gemessen und ausgewertet werden, wobei die Bodenstationen so angeordnet sind, daß die kleinsten Schnittwinkel, die die Symmetrieebenen zwischen jeweils zwei Sendern miteinander bilden, in der Nähe von etwa 30° liegen. It is thus a main characteristic of the system according to the invention, that there are three runtime differences between an aircraft and four ground stations be measured and evaluated, the ground stations are arranged so that the smallest angle of intersection that defines the planes of symmetry between two transmitters form with each other, lie in the vicinity of about 30 °.

Die Erfindung wird an Hand von Figuren näher erläutert, von denen F i g. 1 eine Anordnung von vier Sendern zeigt, von denen zwei auf der y-Achse liegen; in F i g. 2 ist eine Anordnung von vier Sendern an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks und in dessen Schwerpunkt gezeigt. The invention is explained in more detail with reference to figures, of which F i g. 1 shows an arrangement of four transmitters, two of which are on the y-axis; in Fig. Figure 2 is an arrangement of four transmitters at the corners of an equilateral Triangle and shown in its center of gravity.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung von Sendern werden die Laufzeitdifferenzen = - r1 ß = # - r2 und 7 = - r3 gemessen, wobei e der Abstand des Flugzeuges A von dem einen Sender Eo und r1, r2, r3 die Abstände des Flugzeuges von den anderen drei Sendern E1, E2, E3 bedeuten. Wie aus Fig. 1 ersichtlich. liegen zwei Sender, nämlich Eo und E1, auf der y-Achse. Wenn alle Sender auf einer horizontalen Fläche aufgebaut sind, erhält man als kartesische Koordinaten des Flugzeuges (A) die Werte x = 2 # [e (α - γ) + f (α - ß)] - e (α² - γ²) - f (α² - ß²) und i α ([2# - α]) + k/2. In the case of the in FIG. 1 arrangement of transmitters shown are the Transit time differences = - r1 ß = # - r2 and 7 = - r3 measured, where e is the distance of the aircraft A from the one transmitter Eo and r1, r2, r3 the distances of the aircraft mean of the other three transmitters E1, E2, E3. As can be seen from FIG. lie two transmitters, namely Eo and E1, on the y-axis. If all the channels are on a horizontal Surface are built up, you get the Cartesian coordinates of the aircraft (A) the values x = 2 # [e (α - γ) + f (α - ß)] - e (α² - γ²) - f (α² - ß²) and i α ([2 # - α]) + k / 2.

Dabei errechnet sich e (die Schrägentfernung) zu u α² + v ß² + w y2 - 1 9 2(ua+ vß+ wy) Die Werte e, f, i, k, u, v, w in diesen Gleichungen sind Konstanten, die von der Anordnung der Sender auf der Fläche abhängen. Das Koordinatensystem kann immer so gelegt werden, daß zwei der Sender auf der y-Achse liegen. Here, e (the inclined distance) is calculated as u α² + v ß² + w y2 - 1 9 2 (ua + vß + wy) The values e, f, i, k, u, v, w in these equations are Constants that depend on the arrangement of the transmitters on the surface. The coordinate system can always be placed so that two of the transmitters are on the y-axis.

In F i g. 2 ist eine andere Anordnung der Sender von der horizontalen Fläche gezeigt, in der drei Sender an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks liegen und der vierte Sender sich im Schwerpunkt des gleichseitigen Dreiecks befindet. Die Werte der Koordinaten x und y für das Fluzeug (A) lauten dann: x = ß-γ/2a [2# - (γ + ß)], Der Wert e errechnet sich zu: # = α²+ ß² + γ² - a²/2(α + ß + γ) .In Fig. Figure 2 shows another arrangement of the transmitters from the horizontal surface, in which three transmitters are located at the corners of an equilateral triangle and the fourth transmitter is located in the center of gravity of the equilateral triangle. The values of the coordinates x and y for the aircraft (A) are then: x = ß-γ / 2a [2 # - (γ + ß)], The value e is calculated as follows: # = α² + ß² + γ² - a² / 2 (α + ß + γ).

Es ist auch noch eine weitere Anordnung der Sender denkbar, bei der einer der Sender aus der Horizontalebene herausgehoben und in einer bestimmten Höhe angeordnet ist. Mir einer solchen Anordnung ergibt sich die Möglichkeit, auch in der Nähe des Erdbodens die Flughöhe mit einer größeren Genauigkeit zu bestimmen. A further arrangement of the transmitters is also conceivable in which one of the transmitters lifted out of the horizontal plane and at a certain height is arranged. With such an arrangement there is the possibility of using near the ground to determine the flight altitude with greater accuracy.

Claims

Claims: 1. Radio location system for self-determination of the location of aircraft in Cartesian coordinates of a reference surface with the help of several on the reference surface, e.g. B. built on the ground at a certain distance, synchronized Sending stations sending out signals, evaluating those measured in the aircraft Differences in transit time of the signals from the individual transmitters, d a - by g e k e n n z e i ch n e t that for the altitude-independent determination of the coordinates four transmitter stations are arranged so that the smallest possible angle of intersection between the Levels of the transit time difference zero from each two transmitting stations as close as possible lie at 30 ° that three transit time differences (a, ß, y) are primarily measured, from which the x-coordinate according to the formula: x = 2 # [e (α - γ) + f (α - ß)] - e (α² - γ²) - f (α² - ß²) and the y-coordinate after the Formula: y = iα (2 # - α) + k / 2 and the slope distance (Q) according to the formula: uα² + vß² + wγ² - 1 8 2 (u a + v ß + w y) is calculated, where e f, i, k, u, v, w represent constants that depend on the type of installation of the transmitter.

2. Radio location system according to claim 1, characterized in that three of the broadcasting stations at the corners of a triangle and the fourth around it Focus are located.

3. radio location system according to claim 2, characterized in that the triangle is equilateral.

References considered: U.S. Patent No. 2,972 742