DE3841585A1 - Anordnung zum eichen eines hyperbelortungssystems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung bzw. ein Verfahren zum Eichen eines Hyperbelortungssystems lt. Oberbegriff des Hauptanspruches.

Es sind Hyperbelortungssysteme bekannt, die aus mehreren Empfangsstationen mit frequenzgleich abstimmbaren Emp­ fängern und hochkonstanten Zeitnormalen bestehen, die untereinander synchronisierbar sind (US 37 50 178). In einer Zentrale werden hierbei die Laufzeitdifferenzen zwischen je zwei Empfangsstationen ermittelt und daraus der Standort eines zu ortenden Senders jeweils anhand des Schnittpunktes der den ermittelten Laufzeitdifferenzen entsprechenden Hyperbelstandlinien bestimmt. Es ist auch schon bekannt, in jeder Empfangsstation mit Hilfe des vorhandenen Zeitnormals die zu ortenden Signale mit einem Zeitbezug zu versehen, beispielsweise die Signale mit einem Zeitbezugszeichen zu markieren, so daß die Lauf­ zeitdifferenzen unmittelbar in der Zentrale selbst ge­ messen werden können (DE 25 25 446). Bei diesen bekannten Ortungssystemen wirken sich die Signallaufzeiten in den einzelnen Empfängern als Fehlerquelle aus, denn selbst gleich konstruierte Empfänger können unterschiedliche Gruppenlaufzeit aufweisen. Ursachen hierfür sind zum einen Fertigungstoleranzen und unterschiedliche Umwelt­ einflüsse wie Temperatur, zum anderen aber auch unter­ schiedliche Empfangspegel an den unterschiedlichen Empfangsorten, die zu unterschiedlichen Regelzuständen und damit zu unterschiedlichem Gruppenlaufzeitverhalten führen können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, mit der dieser Fehler vermieden wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung lt. Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeich­ nende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen er­ geben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der erfindungsgemäßen Eicheinrichtung können auf einfache Weise ohne komplizierte Zusatzeinrichtungen eventuelle Unterschiede in den Signallaufzeiten der ein­ zelnen Empfänger in der Zentrale gemessen werden, so daß diese eventuellen Laufzeitunterschiede bei der Or­ tungsrechnung während des anschließenden eigentlichen Ortungsbetriebes berücksichtigt und damit die Ortungsfeh­ ler verringert werden können. Da in den an verschiedenen Orten aufgestellten Empfängern des Ortungssystems jeweils synchronisierte Zeit- und Frequenznormale vorhanden sind, kann ohne großen Zusatzaufwand in jedem einzelnen Emp­ fänger ein Eichsignal generiert werden, das in allen Empfängern den gleichen Zeitbezug hat. In der Eichphase ist es dann nur noch nötig, diese sehr genau zeitgleichen Eichsignale an die Empfängereingänge einzuspeisen, die Empfängerausgangssignale, die vorzugsweise wie bei der Betriebsmessung in digitaler Form vorliegen, zur Zentrale zu übertragen und dort mit den Empfängerausgangssignalen eines anderen Empfängers zu korrelieren. Wenn alle Emp­ fängerlaufzeiten gleich sind so müssen auch alle in der Zentrale während des Eichvorganges gemessenen Laufzeit­ differenzen Null sein. Wenn sich während des Eichvorgangs infolge unterschiedlicher Empfängerlaufzeiten von Null verschiedene Laufzeitdifferenzen ergeben, sind dies un­ mittelbar Korrekturgrößen, mit welchen die Genauigkeit der Ortungsrechnung während einer anschließenden Be­ triebsmessung verbessert werden kann. Bei der erfindungs­ gemäßen Eich- und Korrektureinrichtung werden die bei dem zu verbessernden Ortungssystem vorhandenen Datenüber­ tragungseinrichtungen und der in der in der Zentrale vorhandene Korrelator ausgenutzt und es ist nur erforder­ lich, in den einzelnen Empfängern zusätzliche Einrich­ tungen zur Erzeugung der gleichen Eichsignale vorzusehen, wobei jedoch auch hierfür wieder die in den Empfängern sowieso vorhandenen Zeit- und Frequenznormale ausgenutzt werden können.

Die Eichsignale müssen gleich sein, bei Erzeugung der Eichsignale durch Modulation eines Trägers müssen also die Modulationssignale jeweils gleich sein. Zweckmäßiger­ weise sollten sie außerdem zeitsynchron sein, also jeweils beispielsweise in den einzelnen Empfangsstationen gleich­ zeitig eingeschaltet werden, was ja mit hoher Präzision möglich ist, da in den Empfangsstationen jeweils sehr präzise Zeitnormale vorhanden sind. Es ist jedoch auch denkbar, zwar gleiche jedoch nicht zeitsynchrone Eichsig­ nale in den einzelnen Empfangsstationen einzuspeisen, sofern auch die jeweiligen Anschaltzeitpunkte der Eichsig­ nale mit zur Zentrale übertragen werden, bei digitaler Datenübertragung der Empfängerausgangssignale zur Zentrale beispielsweise dadurch, daß ein zusätzliches Datenwort mit angehängt wird, das die Anschaltzeit des Eichsignales enthält und das an den Datensatz der Signalabtastwerte angehängt und damit zur Zentrale mitübertragen wird. In der Zentrale kann dann bei der Berechnung der Lauf­ zeitdifferenz zwischen den Eichsignalen dieser ggf. unterschiedliche Anschaltzeitpunkt entsprechend berücksichtigt werden. Wichtig ist nur, daß die Eichsignale mit einem bekannten Zeitbezug versehen sind, was am einfachsten dadurch erreicht wird, daß die Eichsignale in allen Empfangsstationen jeweils gleich­ zeitig also zeitsynchron eingespeist werden, da dann eine entsprechende Berücksichtigung des Anschaltzeit­ punktes in der Zentrale bei der Bestimmung der Laufzeit­ differenz entfallen kann.

Für die Erzeugung der Eichsignale in den einzelnen Emp­ fangsstationen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Im Prinzip könnte das Eichsignal durch Amplitudenmodulation eines Trägers mit einer sinusförmigen Niederfrequenz erzeugt werden. Ein solches gegenüber der Empfängerband­ breite schmales Eichsignal ist jedoch nicht optimal, da hiermit nur die Gruppenlaufzeit in der engeren Umgebung des Trägers gemessen werden kann. Ein Betriebssignal, das die Empfängerbandbreite spektral zum größten Teil ausfüllt, würde jedoch eine andere Verzögerung erleiden, als ein solches schmalbandiges Eichsignal, die Eichung wäre also nicht genau. Außerdem würde ein solches schmales Eichsignal zu einem unscharfen Maximum der Korrelations­ funktion führen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es daher günstiger, ein Eichsignal zu verwenden, dessen Spektrum in ähnlicher Weise wie das bei der Ortung zu empfangende Nutzsignal die Emp­ fängerbandbreite weitestgehend ausfüllt. Dies kann mit impulsmodulierten und mit bandgespreizten Eichsignalen (Spread-Spectrum-Signalen), insbesondere mit linearer Frequenzmodulation (Chirp-Signale) oder mit Pseudo-Noise-Signalen (PN-Signalen) erreicht werden, Einzelheiten ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher er­ läutert.

Fig. 1 bis 5 zeigen die Erzeugung des Eichsignales nach der Amplitudenumtast-Modulation (Amplitude Shift Keying, ASK-Modulation). Ein solches Eichsignal ist besonders einfach zu erzeugen, da das dem Träger aufzumodulierende Modulationssignal einfach durch eine vom Zeittakt der Empfänger gesteuerte monostabile Flip-Flop-Schaltung erzeugt werden kann. Fig. 1 zeigt das hierbei verwendete Modulationssignal N, Fig. 2 zeigt das damit durch Modula­ tion eines Trägers mit der Frequenz f _o erzeugte Eichsig­ nal E und zwar für einen Modulationsgrad < 100%, Fig. 3 zeigt das mit einem solchen Eichsignal nach Fig. 2 erzeugte Eichspektrum S bezogen auf die Empfängerselek­ tionskurve F. Fig. 4 zeigt die gleiche ASK-Modulation jedoch für einen Modulationsgrad von 100% und das zuge­ hörige Eichspektrum S ist in Fig. 5 dargestellt.

Aus den Fig. 3 und 5 ist ersichtlich, daß die Einhüllende des Eichspektrums S nach einer sin(x) /x-Funktion verläuft, wobei die Höhe der Trägerkomponente und der übrigen Spek­ trallinien von dem Modulationsindex abhängt. Wenn die modulierten Signale in der Zentrale korreliert werden sollen, ist ein Modulationsgrad von 100% für das Eich­ signal besonders günstig (Fig. 4 und 5). Zweckmäßigerweise wird die Impulsbreite T und die Periodendauer L-T in der Weise dimensioniert, daß der Bereich zwischen den Nullstellen erster Ordnung des Eichspektrums gerade die Empfängerbandbreite mit einer ausreichenden Zahl von Spektrallinien ausfüllt, wie dies Fig. 5 zeigt.

Fig. 6 bis 8 zeigen die Möglichkeit der Erzeugung des Eichsignals durch Frequenzumtastung (Frequenzcy Shift Keying, FSK). Fig. 6 zeigt hierbei die Frequenzauslenkung gegenüber einem Träger f _o , Fig. 7 zeigt das damit erzeugte FSK-Signal und Fig. 8 zeigt wieder das Eichsprektrum S bezogen auf die Empfängerselektion F. Ein solches FSK-Signal ist besonders geeignet, wenn im eigentlichen Ordnungsbetrieb ebenfalls FSK-Signale durch Demodulation und Korrelation geortet werden sollen. Um Spektren zu erhalten, die zur Trägerfrequenz f _o symmetrisch sind, muß die modulierende Impulsfolge nach Fig. 6 ein Tast­ verhältnis 1 : 1 aufweisen, die Form des Spektrums S hängt vom relativen Frequenzhub ab. Die Berechnung des ge­ wünschten Spektrums bei der Frequenzumtastung erfolgt in an sich bekannter Weise. Das Beispiel nach Fig. 8 zeigt ein Eichspektrum S für einen relativen Frequenzhub von 2,5.

Fig. 9 bis 11 zeigen ein weiteres Beispiel für die Erzeu­ gung des Eichsignals E durch Amplitudenumtastung (ASK) und Fig. 12 und 13 zeigen die Möglichkeit der Erzeugung des Eichsignales durch binäre Phasenumtast-Modulation (Phase-Shift-Keying, PSK-Modulation) und zwar in diesem Fall als sogenannte Pseudo-Noise-Signale (PN-Signale) . Solche PN-Signale für die Eichung können durch die Modu­ lation eines Trägers mit einer innerhalb einer Perioden­ dauer L×T zufälligen Folge von Impulsen der Breite T (Fig. 9), dem sogenannten PN-Code erzeugt werden. Unter der Vielzahl der erzeugbaren PN-Codes sind die linearen Codes maximaler Länge, (sogenannte m-Folgen) besonders geeignet, da sie in einfacher Weise durch rückgekoppelte Schieberegister erzeugt werden können und eine günstig verlaufende Autokorrelationsfunktion besitzen. Das Span­ nungsspektrum eines solchen Signals ist ein Linienspektrum mit einer Einhüllenden nach einer sin(x)/x-Funktion, wie dies Fig. 11 zeigt. Die Erzeugung solcher PN-Signale ist an sich bekannt. Der Spektrallinienabstand des Eich­ signales kann durch Umschalten der Länge des Schiebere­ gisters und die Breite des Eichspektrums kann durch Änderung der in allen Empfangsstationen zeitgleichen Taktrate für das Schieberegister in einfacher Weise geän­ dert werden. Zweckmä8igerweise wird wie bei der Impuls­ tastung die Impulsbreite T und die Periodendauer L×T des PN-Codes so dimensioniert, daß der Bereich zwischen den Nullstellen erster Ordnung seines Spektrums gerade die Empfangsbandbreite mit einer ausreichenden Zahl von Spektrallinien ausfüllt, in diesem Bereich also über 90% der gesamten Energie des Eichsignales liegten.

Der PN-Code kann dem Träger fo in unterschiedlicher Modu­ lationsart aufmoduliert werden. Für Empfänger mit Ampli­ tudendemodulatoren ist eine Modulation in ASK mit einem Modulationsgrad < 100% vorteilhaft, wie dies Fig. 10 und 11 zeigen. Für Empfänger, die über einen PSK-Demodu­ lator verfügen oder deren Ausgangssignal das nichtdemodu­ lierte Signal ist, ist die Modulation des PN-Codes auf den Träger f _o nach dem Phasenumtastverfahren (PSK) beson­ ders vorteilhaft, wie dies Fig. 12 und 13 zeigen. Bei gleicher Amplitude des unmodulierten Trägers und gleicher Struktur des Eichspektrums ist seine Höhe dann etwa um den Faktor größer als bei der impulsgetasteten Trä­ gerschwingung. Die Trägerkomponente selbst hat nur eine kleine Amplitude.

Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung des Eichsignales als Chirp-Signal zeigen Fig. 14 und 15. Ein solches Eich­ signal ist vor allem dann von Vorteil, wenn der Empfänger über einen FM-Demodulator verfügt oder wenn die Bandbreite des Empfängers mit einer großen Zahl von Spektrallinien etwa gleichbleibender Höhe ausgefüllt werden soll. Fig. 14 zeigt die Zeitabhängigkeit der Momentanfrequenz eines solchen Signals mit linearer Frequenzmodulation und das entstehende Eichspektrum S in Bezug auf die Empfänger­ selektionskurve F ist in Fig. 15 dargestellt. Die Berech­ nung eines solchen Spektrums erfolgt wieder in bekannte Weise.

Fig. 16 zeigt das Blockschaltbild einer Empfangsstation, wie sie an verschiedenen Orten eines Hyperbelortungs­ systems der eingangs erwähnten Art aufgestellt ist und bei welcher die erfindungsgemäße Eichanordnung eingebaut ist, mit welcher dann in der Zentrale während des Eich­ vorgangs der Korrekturwert ermittelt werden kann. Das in jeder Empfangsstation sowieso vorhandene Zeit- und Frequenznormal 1 wird durch Uhrentransport oder mit Hilfe einer Übertragungsstrecke mit den Zeit- und Frequenznor­ malen aller anderen Empfangsstationen synchronisiert und liefert die Bezugsfrequenz für den Synthesizer 2 des Empfängers. Der Takt für die Erzeugung des Eichsig­ nales in der Eichsignals-Erzeugungseinrichtung 9 wird ebenfalls von diesem schon vorhandenen Zeit- und Fre­ quenznormal 1 abgeleitet. In einem Modulator 4 wird der Eichträger der Frequenz f _o mit dem Modulationssignal N moduliert, das in einem Modulationssignal-Generator 3 erzeugt wird. Während des eigentlichen Ortungsbetriebes ist der Empfänger 5 der Empfangsstation über den Schalter 8 mit der Empfangsantenne 7 verbunden. Zur Eichung wird der Schalter 8 in die dargestellte Schaltstellung umge­ schaltet und so das modulierte Eichsignal E an den Emp­ fängereingang geschaltet. Das Ausgangssignal des Empfän­ gers, das vorzugsweise in Form von digitalen Abtastwerten erzeugt wird, wird in bekannter Weise in der Zeitmarkie­ rungseinrichtung 6 mit einem Zeitbezug versehen, bei­ spielsweise derart, daß die Ausgangssignale alle auf den gleichen Zeitpunkt bezogen werden. Die Ausgangssignale können dann in einen Speicher 10 zwischengespeichert und dann zur Zentrale zur Auswertung übertragen werden. Dort werden die von je zwei Empfangsstationen eintreffen­ den Eichsignale zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz kreuzkorreliert und zwar in gleicher Weise wie dies für zwei Signale während des Ortungsbetriebes geschieht. Die beim Eichen gemessenen Laufzeitdifferenzen sind auf unterschiedliche Empfängerlaufzeiten zurückzuführen und können unmittelbar als Korrekturwerte bei der an­ schließenden Ortungsberechnung herangezogen werden. Für den Eichvorgang ist in jeder Empfangsstation also nur eine zusätzliche einfache Einrichtung 9 zur Erzeugung des Eichsignales erforderlich. Alle anderen Funktionen übernehmen die bei dem zu verbessernden Ortungssystem sowieso vorhandenen Einrichtungen.

Claims (9)

1. Anordnung zum Eichen eines Hyperbelortungssystems, bei welchem in einer Zentrale durch Kreuzkorrelation die Laufzeitdifferenz zwischen je zwei an verschiedenen Orten empfangenen Signalen eines zu ortenden Senders gemessen wird, dadurch gekennzeich­ net, daß in mindestens zwei der an verschiedenen Orten aufgestellten Empfänger ein gleiches und mit einem bekannten Zeitbezug versehenes Eichsignal ein­ gespeist und die bei der Kreuzkorrelation in der Zen­ trale gemessene Laufzeitdifferenz als Korrekturwert bestimmt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Eichsignale zeitgleich eingespeist werden.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Eichsignal in jedem Empfänger durch Modulation eines Trägers mit jeweils dem gleichen Modulationssignal erzeugt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Modulationssignal und/oder die Modulationsart für die Erzeugung des Eichsignales so gewählt sind, daß ein Spektrum mit einer etwa der Empfängerbandbreite entsprechenden Bandbreite entsteht.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Eichsignal durch Modulation eines Trägers mit Impulsen nach dem Ampli­ tudenumtastverfahren (ASK-Modulation) erzeugt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Eichsignal nach dem Frequenzumtastverfahren (FSK) erzeugt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Eichsignal ein Pseudo-Noise-Signal ist, das durch Amplitudenumtastung (ASK-Modulation) oder Phasenumtastung (PSK-Modulation) eines Trägers mit einem linearen Code maximaler Länge erzeugt ist.

8. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Eichsignal ein Chirp-Signal ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Zentrale bei der Eichung gewonnene Korrekturwert unmittelbar während des Ortungsbetriebes des Systems bei der Ortungsrechnung berücksichtigt wird.