DE1591517B1

DE1591517B1 - Funk-Ortungsverfahren durch Laufzeitmessung zu Fahrzeugen mit Transpondern ueber Erdsatelliten

Info

Publication number: DE1591517B1
Application number: DE19671591517
Authority: DE
Inventors: Hans H Bottenberg; Hans-Joachim Jestadt; Hans G Leysieffer; Felix Johan Stockinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-07-21
Filing date: 1967-07-21
Publication date: 1971-08-05
Also published as: US3544995A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur bildenden Einzelantennen können auf diese Weise Funk-Ortung von Fahrzeugen durch Laufzeitmessung relativ nahe nebeneinander angeordnet werden, so mit Hilfe von mindestens einem Erdsatelliten, der daß lange Ausleger nicht erforderlich sind. Im Gezumindest angenähert eine Äquatorialbahn durch- gensatz zu Interferometeranordnungen brauchen läuft, vorzugsweise einem bahnstabilisierten Syn- 5 nämlich beim Amplitudenvergleich lediglich die chron-Satelliten, bei welchem Verfahren die mit Hauptstrahlungsachsen gegeneinander geneigt wer-Transpondem ausgerüsteten Fahrzeuge von einer den, ohne daß es dabei in erster Linie auf den AbBodenstation aus über die Satelliten abgefragt wer- stand der Antennen ankommt. Die Erfindung weist den und die codierte Antwort vom Fahrzeug über somit im Hinblick auf die spezifischen Probleme bei die Satelliten zur Bodenstation übertragen wird und io der Funk-Ortung mittels Satelliten entscheidende bei welchem als Antenne zum Empfang des vom Vorteile auf.

Fahrzeug abgegebenen Antwortsignals am Satelliten Die in geeigneter Weise, z. B. über eine Gabeleine Doppelantenne verwendet wird, deren sich teil- schaltung, zusammengeschalteten Elemente der Dopweise überlappende Strahlungskeulen eine die Diffe- pel-Antenne liefern Summe und Differenz der Einrenzspannung Null liefernde Ebene ergeben und de- 15 gangsspannungen, wobei das Verhältnis der Spanren Empfangssignale nach dem Summe-Differenz- nungen vom Differenz- zum Summenkanal in Äqua-Prinzip zusammengeschaltet werden. tornähe der geographischen Breite vorzeichenrichtig Es ist aus der USA.-Patentschrift 3 191176 be- proportional ist. In der Bodenstation kann aus einem kannt, daß mit einer Anzahl von Satelliten eine Or- in codierter Form übertragenen Antwortsignal, weltung von mit Transpondern arbeitenden Fahrzeugen 20 dies die Summen-Differenz-Information der Doppeldadurch vorgenommen werden kann, daß von einer Antenne enthält, die geographische Breite des Fahr-Bodenstation über den Satelliten eine Abfrage zu zeugs mit ausreichender Genauigkeit bestimmt wereinem Fahrzeug übertragen, in dem Fahrzeug ein den. Fahrzeuge, die außerhalb des Eindeutigkeits-Antwortsignal erzeugt und dieses über den Satelliten bereichs der Doppel-Antenne liegen, benötigen diezur Bodenstation zurückübertragen wird. Mit zwei 25 ses zusätzliche Ortungssystem nicht, weil bei Wahl derartigen Satelliten läßt sich bereits, sofern das einer entsprechenden Wellenlänge und eines ent-Fahrzeug in deren Erfassungsbereich liegt und die sprechenden Strahlungsdiagramms hier bereits die Höhe des Fahrzeugs über Grund bekannt ist, eine Ortung mittels der über die Satelliten laufenden Ant-Ortung von brauchbarer Genauigkeit erreichen. Für wortsignale (Laufzeitmessung) ausreicht. Die Vereine möglichst weitgehende Bedeckung der Erde sind 30 Wendung bahnstabilisierter Synchron-Satelliten ist dabei Äquatorial-Synchron-Satelliten zweckmäßig. deshalb besonders vorteilhaft, weil hierbei keine die Bei einer Messung.nur nach dem Laufzeitprinzip, Lageänderung erfassenden Umrechnungen erforderd. h. in der vorher beschriebenen Weise, ergeben sich lieh sind. In der Äquatorzone angeordnet, ermögbei der Ortung darm-^Schwierigkeiten, wenn Fahr- liehen derartige Satelliten eine besonders weitzeuge erfaßt werden sollen, die sich im Bereich des 35 reichende Erfassung der Erdoberfläche.
Äquators befinden. Das genannte System liefert näm- Die Erfindung und weitere Einzelheiten sind an Hch keine ausreichend genauen Angaben über die Hand von Zeichnungen näher erläutert:
geographische Breite der Fahrzeuge in der Äquator- In Fig. 1 sind zwei FahrzeugeFl und Fl darzone. gestellt, welche sich in unterschiedlichen Höhen über Bei Satelliten ist es auch bekannt (Electronics 1965, 40 Grund und in unterschiedlicher Entfernung vom Heft 3, Seiten 79 bis 86), vom Interferometerprinzip Äquator A befinden. Von einer Bodenstation B aus Gebrauch zu machen, wozu die Antennen an den laufen Abfragesignale über einen Satelliten S zu den äußersten Enden langer Ausleger angebracht wer- Fahrzeugen Fl und Fl. Für die Übertragung dieser den, um die nötige Basisbreite zu erreichen. Bei die- Signale ist in dem vorteilhafterweise bahnstabilisierser Art von Meßverfahren ergeben sich große Schwie- 45 ten Äquatorialsatelliten S eine Antenne SA 1 vorgerigkeiten, weil die Ausleger beim Start des Satel- sehen, welche eine möglichst breite, den ganzen liten in geeigneter Weise eingezogen oder zusammen- Sichtbereich ausleuchtende und sich weit über die geklappt sein müssen und erst dann ausgefahren wer- Äquatorzone hinaus erstreckende Strahlungscharakden können, wenn der Satellit auf die gewünschte teristik aufweist. Längs des Äquators sind mehrere Position gebracht ist. Diese Ausleger bringen wegen 5° derartige Satelliten verteilt, so daß eine ausreichende ihrer großen Ausladung vor allem im Hinblick auf Bedeckung gewährleistet wird. Die Strahlung dieser die Stabilisierung erhebliche Schwierigkeiten mit sich, Antenne ist auf die Erde gerichtet. Bei einer Abganz abgesehen davon, daß sie zusätzliches Start- frage läuft (als ausgezogene Linie dargestellt) zugewicht in Anspruch nehmen und komplizierte An- nächst ein Abfragesignal von der Bodenstation zu triebseinrichtungen erforderlich machen. . " 55 der Antenne SA1, von wo aus es, gegebenenfalls Bei der Erfindung, welche sich auf ein Ortungs- nach einer Verstärkung und Frequenzumsetzung, verfahren der eingangs genannten Art bezieht, wer- z. B. zu- dem Fahrzeug Fl gelangt, welches die Abden derartige Schwierigkeiten dadurch vermieden, frage als für sich bestimmt erkennt und in seinem daß die die Differenzspannung Null liefernde Ebene Transponder ein entsprechendes Antwortsignal beder nach dem Amplitudenvergleichsprinzip arbeiten- 60 reitstellt. Dieses Antwortsignal enthält bei Luftfahrden Doppelantenne möglichst an den Äquator an- zeugen die Höhe über Grund sowie gegebenenfalls genähert wird und daß der in an sich bekannter weitere Informationen (Gesprächsanforderungen, Weise (Buch »Introduction to monopulse« von D. R. Daten, Geschwindigkeitsangaben, Notrufsignale Rhodes, 1959, Seite 51) aus dem Differenz- und dem od. dgl.). Bei Schiffen ist natürlich eine Angabe der Summensignal gebildete Wert des Quotienten als an- 65 Höhe über Grund nicht erforderlich. Das im Transgenähertes Maß für die Entfernung des Fahrzeuges ponder bereitgestellte Antwortsignal läuft, als gevom Äquator zur Bodenstation übertragen und dort strichelte Linie dargestellt, über die Satellitenantenne ausgewertet wird. Die beiden eine Doppelantenne SA 1 zurück zur Bodenstation B. Aus der Laufzeit

von der Bodenstation über den Satelliten zum Fahrzeug und zurück kann bei Erfassung eines außerhalb des Äquators sich befindlichen Fahrzeugs dann eine genaue Ortung vorgenommen werden, wenn von der Bodenstation B über insgesamt mindestens zwei Satelliten Antworten von ein und demselben Fahrzeug eintreffen. Die Trennung dahingehend, von welchem Satelliten die Antwortsignale eintreffen, wird bei den Bodenstationen durch Verwendung scharf bündelnder, auf die einzelnen Satelliten ausgerichteter Riehtantennen erreicht.

Die Ermittlung der geographischen Breite wird ungenau, wenn sich ein Fahrzeug F 2 im Bereich der Äquatorzone befindet. Deshalb ist in dem Satelliten 5 eine Doppelantenne SA 2, SA 3 angebracht, welche mit ihren Strahlungskeulen nur den Bereich der " Äquatorzone überdeckt, und zwar derart, daß die beiden Strahlungskeulen der Antennen SA 2 und SA 3 sich teilweise überlappen. Dies ist in F i g. 2 gezeigt, welche die Anordnung nach F i g. 1 in Draufsicht zeigt und bei der die Hauptstrahlungskeule der An-. tenne SA 2 mit SA 2', die der Antenne SA 3 mit SA 3' f und die der Antenne SA1 mit SA V bezeichnet ist. Die Fußpunkte der beiden Antennen SA 2 und SA 3 sind in der Art von Monopulsantennen an eine Gabelschaltung gelegt, an deren Ausgängen die Summe und die Differenz der Eingangsspannungen der bei-... den Antennen SA 2 und SA 3 bzw. der Quotient aus Differenz und Summe abgenommen werden können. In Äquatornähe ist das Verhältnis der Spannungen im Differenz- und Summenkanal der geographischen Breite vorzeichenrichtig proportional. Für das angegebene Beispiel wird das Antwortsignal, welches auf eine Abfrage durch die Bodenstation B vom Transponder des Fahrzeugs F 2 bereitgestellt und zunächst zur Antenne SA1 übertragen wird, auch von den Antennen &4 2 undSA 3 auf genommen. Da das Fahrzeug F 2 mehr im Strahlungsbereich der Antenne SA 3, jedoch weniger im Strahlungsbereich der Antenne SA 2 liegt, gelangt das vom Transponder des Fahrzeugs *o F 2 ausgegebene Antwortsignal stärker zur Antenne SA 3 und schwächer zur Antenne SA 2. Das Differenzsignal 17sa2-E/sa3 wird also für diesen Fall nega- ) tiv, was z. B. einer Abweichung des Fahrzeugs vom Äquator in Richtung auf südliche Breiten bedeutet. Umgekehrt wäre, falls das FahrzeugF2 in Fig. 1 rechts vom Äquator liegen würde, die Differenz Usa2-Usa3 positiv, d. h. das Fahrzeug würde sich nördlich des Äquators befinden. Diese aus der Differenz und der Summe der beiden Eingangsspannungen der AntenneSA2 und SA3 gewonnene Information muß mit zur Bodenstation übertragen werden, wie dies durch die strichpunktierte, von der Antenne SA1 ausgehende und zur Bodenstation B verlaufende Linie angedeutet ist. Besonders einfach wird diese Übertragung, wenn das vom Transponder des Fahrzeugs F 2 abgegebene Antwortsignal, welches von der Antenne A41 aufgenommen wird, so lange gespeichert wird, bis nach Summe-Differenz-Bildung die Codierung der empfangenen Signale der Antennen SA 2 und SA3 abgeschlossen ist und dann die so ermittelte zusätzliche Information an das Antworttelegramm des Transponders des Fahrzeugs F 2 angehängt und als zusätzliche Information mit zur Bodenstation B übertragen wird. In diesem Fall wird die C5 Kennung des Antwortsignals nur einmal benötigt und umschließt sowohl die Antwort des Fahrzeugs F 2 als auch die im Satelliten 5 ermittelte zusätzliche Ortsinformation hinsichtlich der geographischen Breite. Im Satelliten oder in der Bodenstation wird eine Unterdrückung der von der Doppelantenne SA 2, SA 3 empfangenen Antwortsignale dann vorgenommen, wenn diese von Fahrzeugen kommen, die außerhalb des eindeutigen Meßbereiches dieser Antennenanordnung liegen.

In F i g. 3 ist der Zeitplan für eine Abfrage von der Bodenstation B aus dargestellt. Zur Zeit iO wird von der Bodenstation B das mit einer Kennung versehene Abfragesignal K ausgesandt und gelangt zur Zeitil zum Satelliten S. Hier findet gegebenenfalls eine Verstärkung, Speicherung oder Frequenzumwandlung statt, so daß das Abfragesignal K erst zur Zeit 12 wieder von der Antenne SA 1 ausgesandt wird. Zur Zeit i3 trifft das Kennungssignal bei dem Fahrzeug ein, welches die Kennung als ihm zugehörig erkennt und eine Antwort im Transponder bereitstellt, welche zur Zeit i4 abgestrahlt wird, Diese Antwort enthält neben der Kennung eine Information /1, welche z. B. die Geschwindigkeit, die Höhe des Fahrzeugs oder ähnliche Nachrichten umfaßt. Zur Zeit t S trifft dieses Antwortsignal bei der Antenne SA1 des Satelliten S ein, wo es bis zur Zeit i6 gespeichert wird, bis die Auswertung der von den Antennen SA 2 und&<43 aufgenommenen Antwortsignale abgeschlossen ist. Die zusätzliche Information, welche aus dieser Summe-Differenz-Bildung gewonnen wird, ist mit /2 bezeichnet und wird zugleich mit dem Antwortsignal K + /1 zur Zeit td von der Antenne SA1 des Satelliten abgestrahlt und gelangt zur Zeit ti zur Bodenstation B, wo die Auswertung vorgenommen wird. Insgesamt ergeben sich also die Totzeiten t2-tl, t4-t3 und t6-tS, welche für das jeweilige Ortungssystem festgelegt und konstant gehalten werden müssen, damit in den Bodenstationen diese zusätzlichen Zeiten bei der Laufzeitmessung berücksichtigt werden können.

Antwortsignale, welche von Fahrzeugen ausgehen, die außerhalb der in F i g. 2 schraffiert gezeichneten Zone sich befinden, ergeben keine Information 72; es ist aber zweckmäßig, auch diese Signale zur Vereinheitlichung des Systems im Satelliten S so lange zu speichern, bis auch hier die Auswertung der Summe-Differenz-Informationen abgeschlossen ist.

Die Bezugswerte für die Stabilisierung und Lageregelung des Satelliten werden über Fahrzeuge ermittelt, deren Standorte genügend weit vom Äquator entfernt sind und somit genügend genau bekannt sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Funk-Ortung von Fahrzeugen durch Laufzeitmessung mit Hilfe von mindestens einem Erdsatelliten, der zumindest angenähert eine Äquatorialbahn durchläuft, vorzugsweise einem bahnstabilisierten Synchron-Satelliten, bei welchem Verfahren die mit Transpondern ausgerüsteten Fahrzeuge von einer Bodenstation aus über die Satelliten abgefragt werden und die codierte Antwort vom Fahrzeug über die Satelliten zur Bodenstation übertragen wird und bei welchem als Antenne zum Empfang des vom Fahrzeug abgegebenen Antwortsignals am Satelliten eine Doppelantenne verwendet wird, deren sich teilweise überlappende Strahlungskeulen eine die Differenzspannung Null liefernde Ebene ergeben und deren Empfangssignale nach dem Summe-

Differenz-Prinzip zusammengeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die die Differenzspannung Null liefernde Ebene der nach dem Amplitudenvergleichsprinzip arbeitenden Doppelantenne möglichst an den Äquator (A) angenähert wird und daß der in an sich bekannter Weise aus dem Differenz- und dem Summensignal gebildete Wert des Quotienten als angenähertes Maß für die Entfernung des Fahrzeuges (F 2) vom Äquator (A) zur Bodenstation (B) übertragen und dort ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antwortsignal des Fahrzeugs (F 2) im Satelliten so lange gespeichert wird, bis die Ermittlung des Wertes der Abweichung des Fahrzeugs (F2) vom Äquator (A) durchgeführt worden ist und daß die Übermittlung des Werts dieser Abweichung in codierter Form zusammen mit dem Antwortsignal des Transponders des jeweiligen Fahrzeugs (F 2) vom Satelliten (S) aus zur Bodenstation (B) erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne zur Abstrahlung der Abfragesignale beim Satelliten eine besondere, von der Doppel-Antenne (SA 2, SA 3) unabhängige Antenne (SAl) ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise eine Unterdrückung der von der Doppel-Antenne (SA 2, SA 3) aufgenommenen Antwortsignale dann vorgenommen wird, wenn diese von Fahrzeugen (Fl) kommen, welche außerhalb des eindeutigen Meßbereichs dieser Antennenanordnung liegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bei den Fahrzeugtranspondern und im Satelliten aufgetretenen Totzeiten konstant gehalten und bei der Laufzeitmessung berücksichtigt werden.

6 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppel-Antenne dauernd am Empfänger angeschaltet betrieben wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugswerte für die Stabilisierung und Lageregelung des Satelliten über Fahrzeuge ermittelt werden, deren Standorte genügend weit vom Äquator entfernt und somit genügend genau bekannt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen