DE2943514C2 - Bordgerät für ein Einwegentfernungsmeßsystem - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Bordgerät für ein Einwegentfernungsmeßsystem wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.

In dem Artikel »Principles and Simulation of JTIDS Relative Navigation« von W. R. Fried, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Band AES-14, Nr. I, Januar 1978, Seiten 76—84, ist beschrieben, wie man mit einem solchen Bordgerät die Ortskoordinaten des eigenen Standorts bestimmen kann. Hierzu werden nacheinander zu mehreren verschiedenen Bezugsstationen nach dem Einwegentfernungsmeßverfahren die Entfernungen gemessen. Aus den Ortskoordinaten der Bezugsstalionen und aus den gemessenen Entfernungen werden die eigenen Ortskoordinaten ermittelt.

Hierbei muß beachtet werden, daß infolge der Bewegung des Fahrzeugs (z. B. ein Flugzeug) zu dem Zeitpunkt, zu dem die letzte Entfernungsmessung durchgeführt wird, die erste Entfernungsmessung bereits veraltet ist. Dies gilt insbesondere bei einer großen Flugzeuggeschwindigkeit. Dadurch wird die Genauigkeit, mit der die eigenen Ortskoordinaten ermittelt werden, reduziert.

Es ist möglich, diese Genauigkeit zu erhöhen, wenn man die gemessenen Werte in einem Kaiman-Filter verarbeitet. Dem Kaiman-Filter müssen jedoch bei dieser Art der Standortbestimmung zusätzliche, mit anderen Sensoren (z. B. Trägheitsnavigation, Doppier-Navigation) gewonnene, Navigationsdaten zugeführt oder Anfangsbedingungen eingegeben werden. Außerdem wird zur Erzielung einer genauen Messung relativ viel Zeit benötigt,

Aus Luftfahrttechnik (1958), April, Seiten 118-120, ist es bekannt, den eigenen Standort aus einer Entfernung zu einer Bezugsstation, dem Ort der Bezugsstation und dem Winkel zwischen einer geographischen Bezugsrichtung und der Verbindungslinie zwischen eigenem Standort und Bezugsstation zu ermitteln. Hierbei ist jedoch notwendig, daß ar Bord die ίο Koordinaten der Bezugsstation bekannt sind und daß diese außer den Entfernungsmessungssignalen richtungsabhängige Signale abstrahlt.

Aufgabe

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bordgerät für ein Einwegentfernungsmeßsystem anzugeben, mit dem es auf einfache Weise möglich ist, aus den Einwegentfernungsmeßsignalen und den von der Bezugsstation übertragenen Ortskoordinaten die eigenen Ortskoordinaten zu bestimmen.

Lösung

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Patentanspruch angegebenen Mitteln.

Vorteile

Mit dem neuen Bordgerät lassen sich die eigenen

Ortskoordinaten einfach und genau bestimmen, auch bei großen Geschwindigkeiten. Daten von weiteren Sensoren oder Anfangsbedingungen sind nicht notwendig. Die Ortskoordinaien werden sehr schnell ermittelt.

Beschreibung

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

Fig. I ein Bild zur Erläuterung der Ortsbestimmung, und

F i g. 2 ein Blockschaltbild des neuen Bordgeräts.

Es wird angenommen, daß zwischen Boden- und Bordgeräten bereits eine Zeitsynciironisation herbeigeführt ist. Weiterhin wird davon ausgegangen, daß die Messungen nur in einer Ebene durchgeführt werden. Bei dreidimensionalen Messungen ist mindestens eine weitere Bezugsstation vorgesehen.

•15 In der Fig. I sind zwei Bezugsstationen 3, 5 für ein Einwegentfernungsmeßsystem vorgesehen. Hierbei ist es auch möglich, daß es sich jeweils um dieselbe Bezugsstation handelt, jedoch müssen sich in diesem Fall die Ortskoordinaten (infolge ihrer Eigenbewegung)

in von der ersten zur zweiten Entfernungsmessung ändern. Nachfolgend wird angenommen, daß es sich um zwei getrennte, ortsfeste Bezugsstationen handelt. Ihre Ortskoordinaien sind Xl, Vl.Z1 und Λ"2, Y2, Zl. Als Z kann die barometrische Höhe verwendet werden. Z

-,5 wird im weiteren nicht mehr berücksichtigt. Die Ortskoordinaten werden von den Bezugsstationen in kodierter Form zusammen mit dem Einwcgentfernungsmeßsignal abgestrahlt und von einem Bordgerät in einem Flugzeug F empfangen. Das Flugzeug bewegt sich auf einer Bahn I.

Es wird angenommen, daß sich die Richtung 2 der Flugzeuglängsachse zwischen zwei aufeinanderfolgenden Entfernungsmessungen zu den beiden Bezugsstationen 3,5 nicht oder nur wenig ändert.

Zum Zeitpunkt 11 mißt das Bordgerät eine Entfernung q I zu der Bezugsstation 3. Der Winkel zwischen Flugzeuglängsachse 2 und der Einfallsrichtung des Einwegentfernungsmeßsignals ist zu diesem Zeit-

punkt & 1, Zum Zeitpunkt ί2 mißt das Bordgerät eine Entfernung Q 2 zu der Bezugsstation 5. Der Winkel zwischen Flugzeuglängsachse 2 und der Einfallsrichtung des Einwegentfernungsmeßsignals ist zu diesem Zeitpunkt & 2. Ein Wertesatz (ρ, ■#) reicht jedoch zur ι eindeutigen Standortbestimmung nicht aus. Die Messung wäre mehrdeutig.

Zum Zeitpunkt 11 werden nämlich vom Flugzeug F aus an allen Stellen eines Kreises 4 mit Radius ρ ) um die Bezugsstation 3 herum Entfernungen ρ 1 gemessen und an all diesen Stellen kann die Längsachse des Flugzeugs F so ausgerichtet sein, daß der Winkel & 1 gemessen wird. Eine dieser Möglichkeiten F' ist gestrichelt dargestellt. Das entsprechende gilt für den Zeitpunkt 12. An allen Stellen eines Kreises 6 um die Bezugsstation 5 herum wird die Entfernung ρ 2 gemessen.

Nachfolgend wird erläutert, wie diese Mehrdeutigkeit aufgelöst wird.

Es wird angenommen, daß sich in der Zeit zwischen rl und r2 die Richtung der Flugzeuglängsachse nicht ändert, was im Realfall zumindes: mit sehr guter Annäherung der Fall ist. Die Zeitdifferenz zwischen f 1 und f2 ist z.B. 3 see. Die Entfernung zu der Bezugsstation kann sich in dieser Zeit jedoch sehr wohl wesentlich ändern (z. B. 500 m). Dies hat jedoch auf die Meßgenauigkeit der Ortskoordinaten des Bordgeräts keinen Einfluß.

Da von dem neuen Bordgerät nicht nur die Entfernung zu der Bezugsstation gemessen, sondern auch die Einfallsrichtung des Einwegentfernungsmeß- jo signals gepeilt wird, kann in einem Rechner der genaue und eindeutige Standort zum Zeitpunkt /2 aus den Werten ΑΊ, YU X2, V2; ρ 1, & 1: ρ 2, it 2berechnet werden.

Man muß hierzu rechnerisch die Stellen auf den Kreisen 4 und 6 ermitteln, an denen die Längsachse des Flugzeugs F zum Zeitpunkt 11 auf derselben Geraden 2 wie die Längsachse des Flugzeugs F zum Zeilpunkt i2 liegt. Dies ist nur für die mit F bezeichneten Flugzeuge der Fall. Die Längsachsen der Ό Flugzeuge fan anderen Stellen der Kreise (an denen das Flugzeug in Wirklichkeit nicht vorhanden ist) 4 und 6 sind mit 2' bezeichnet. Zur Ermittlung der erwähnten Punkte werden die Flugzeuge rechnerisch auf den jeweiligen Kreisen 4, 6 so lange »verschoben«, bis dies erfüllt ist, Der Algorithmus hierfOr wird nicht näher erläutert, da er vom Fachmann leicht realisiert werden kann und er nicht Gegenstand der Erfindung ist.

Zum Zeitpunkt (2 ist die genannte Bedingung auf dem Kreis 6 nur für dr.s Flugzeug Fund nicht für ein Flugzeug F', an dem in Wirklichkeit nicht eingenommenen Plat? (gestrichelte Darstellung) erfüllt. Aus den vielen möglichen und genau bestimmbaren Standorten auf dem Kreis 6 um die Bezugsstation 5 wird mit Hilfe der Entfernung ρ J und der Richtung !} 1 zum Zeitpunkt r> 11 der einzig reale Standort ausgewählt, d. h. es erfolgt eine Eindeutung des mehrdeutigen Meßergebnisses ρ 2, & 2.

Wenn, wie beschrieben, mit dem neuen Bordgerät nicht nur Einwegentfernungsmessungen durchgeführt werden, sondern wenn auch die Einfallsrichtungen dieser Einwegentfernungsmeßsignale gepeilt werden, dann kann auf einfache und schnelle Weise, ohne Anfangsbedingungen und ohne Daten von weiteren Navigationssensoren der Standort des Flugzeugs ermittelt werden. Durch eine zeitliche Vorausextrapolation, z. B. mittels eines Kaiman-Filters von mehreren gemessenen Standorten kann man die Aktualität des Meßergebnisses für den jeweiligen Standort noch weiter erhöhen. Obwohl die Auswertung sehr schnell durchgeführt wird, hat sich das Flugzeug zum Zeitpunkt 13, an dem das Meßergebnis zur Verfügung steht, etwas vom Standort zum Zeitpunkt f2, zu dem die Meßergebnisse gehören, wegbewegt. In diesem Zusammenhang wird auf zwei Literaturstellen in Proceedings of the ΙΕΓ.Ε 1979, National Aerospace and Electronics Conference, NAECON 1979, H..d at the Dayton Convention Center, May 15—17, 1η79, verwiesen, nämlich die Artikel »JTIDS Relative Navigation-Architecture, Error Characteristics and Operational Benefits« von W. R. Fried, Seiten 1344—1349 und »System Configuration and Algorithm Design of the lnertially Aided JTIDS Relative Navigation Function«, von W. R. Fried und R. Loaliger, Seiten 1350-1356.

Anhand der F i g. 2 wird nachfolgend das Blockschakbild des neuen Bordgeräts näher erläutert. Ein Entfernungsmeßteil und Dekodierer 24 erhält über eine Antenne 21 die Einwegentfernungsmeßsignale und bestimmt auf bekannte Weise die Entfernung zu der Bezugsstation, die die Einwegentfernungsmeßsignale abgestrahlt hat. Die in kodierter Form übertragenen Ortskoordinaten werden dekodiert. Dieser Teil des Bordgerätes kann gleich dem bei einem JTIDS-REL-NAV-Bordgerä't (siehe zitierte Literaturstellen) sein und wird deshalb nicht näher erläutert.

Als Winkelmeßteil 23 kann eine Einrichtung verwendet werden, die dem allgemein bekannten Radiokompaß entspricht. Radiokompasse sind in dem Buch von E. Kramar, »Funksysteme für Ortung und Navigation« Verlag Berliner Union GmbH, Stuttgart 1973, auf den Seiten 58 bis 61 beschrieben. Der Winkelmeßteil 23 erhält die zu peilenden Einwegentfernungsmeßsignale von einer Antenne 22.

Der gepeilte Einfallswinkel 1?, die gemessenen Entfernungen ρ und die Ortskoordinaten X. Y. Zwerdcn einem Rechner 25 zugeführt, der auf die beschriebene Art und Weise die Ortskoordinaten des Standorts des Bordgerätes berechnet. Der Rechner führt gegebenenfalls auch die Voraussxtrapolation durch, z. B. nach oinc 11 Algorithmus, wie er bei dem Kalmnnfiiter angewandt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1
Patentanspruch;

Bordgerät für ein Einwegentfernungsmeßsystem, bei dem von einer Bezugsstation außer den Einwegentfernungsmeßsignalen auch die Ortskoordinaten der Bezugsstation in kodierter Form zum Bordgerät Obertragen werden, mit einem Entfernungsmeßteil, einem Rechnerund einer Dekodiereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Winkelmeßteil (22,23) zur Peilung der Einfallsrichtung der Einwegentfernungsmeßsignale in bezug auf die Längsachse (2) des Flugzeugs (F) oder Fahrzeugs, in dem das Bordgerät angeordnet ist, vorgesehen ist, daß das Bordgerät in kurzen Abständen die Entfernungen (ρ 1, ρ 2) zu mindestens zwei Bezugsstationen (3, 5) mit unterschiedlichen Ortskoordinaten sowie die Einfallsrichtungen (ö· 1, & 2) der von diesen abgestrahlten Einwegentfernungsmeßsignale mißt, daß eine erste Ortskur/e (4) in bezug a;.'f die erste Bezugsstation (3) für die erste gemessene Entfernung (o 1) und Einfallsrichtung (/> 1) und eine zweite Ortskurve (6) in bezug auf die zweite Bezugsstation (5) für die zweite gemessene Entfernung (ρ 2) und die Einfallsrichtung (#2) ermittelt werden, daß der eindeutige Ort des Bordgerätes auf der zweiten Ortskurve (6) derjenige Ort ist, an dem die Längsachsen (2) des Flugzeugs (F) auf der ersten und der zweiten Ortskurve auf einer Geraden (2) liegen, und daß die jeweils zuletzt gemessenen Werte (o 2, & 2) sowie die Ortskoordinaten (X 2, Y2) der betroffenen Bezugsstation (5) zur Bestimmung der Ortskoordinaten des Bordgerätes verwendet werden