DK174254B1 - Navigations- og sporingssystem - Google Patents

Description

i DK 174254 B1

Opfindelsen angår et navigations- og sporingssystem, som anvender af radiobølger eller andre former for rundspred-te signaler.

5 Et navigationssystem er et middel, med hvilket en navigatørs position kan bestemmes, enten af navigatøren selv eller ved en anden lokalitet, hvorfra informationerne videregives til navigatøren eller anvendes til at korrigere hans bevægelse fremad. Et sporingssystem er et middel, 10 med hvilket positionen af et fjernt, bevægeligt punkt kan spores ved en eller flere grundstationer, hvor koordinaterne, der definerer målets position kontinuerligt er tilgængelige for hver af grundstationerne. Der kendes mange forskellige systemer af den art.

15

Der kendes f.eks. konventionelle radionavigationssystemer, som anvender signaler fra to eller flere sæt af specielle radiosendere, hvor disse systemer falder inden for to adskilte kategorier: (1) med tidsreference og (2) med 20 fasereference.

Systemer i den første kategori omfatter Long Range Navigation System (LORAN-C), hvilket anvendes af den amerikanske kystvagt. Radiotransmissionerne sker i form af ra-25 diopulser, hvis ankomsttid ved det bevægelige punkt kan måles præcist. Navigatøren anvender en speciel modtager til bestemmelse af tidsforskellen mellem modtagelsen af pulserne fra hver af et par af sådanne sendere. Denne information definerer en kurve, hvorpå han må befinde sig, 30 hvor alle punkter langs kurven har samme afstandsforskel mellem de to sendere. Navigatøren måler derpå tidsforskellen mellem pulsmodtagelsen fra et andet, tilsvarende par af sendere. Informationen definerer en anden kurve og skæringspunktet mellem de to kurver er navigatørens posi-35 tion. Der er typisk mere end et skæringspunkt, men navigatøren kender sædvanligvis sin position i store træk og DK 174254 B1 2 kan således vælge det korrekte eller han kan vælge at anvende signaler fra et tredje par af sendere til entydig bestemmelse af sin position.

5 Systemer i den anden kategori omfatter Decca navigationssystemer. I sådanne systemer er radiotransmissionerne fra et par af sendere kohærente med hinanden, hvilket medfører, at de opretholder et forudbestemt faseforhold hele tiden. I det simpleste tilfælde kan der være tale om kon-10 tinuerlige, sinusformede signaler med præcis samme frekvens. De udsendte signaler danner så et interferensmønster, i hvilket kurver af minimum- og maksimumintensitet kan identificeres. Navigatøren måler fluktuationer i intensiteten, mens han bevæger sig rundt. Han måler også 15 fluktuationer i intensiteten af signaler fra et andet par af kohærente signalsendere. Hvis han kender sin startposition, kan han bestemme sin position på et senere tidspunkt ved at tælle antallet af krydsede liniepar, og derved danne et linieskæringspunkt og derved tilvejebringe 20 sin position i mønstret af skæringslinier. Et tilsvarende system er angivet i US patentskrift nr. 3 889 264, hvor det viste system består af sendere, som to og to danner gitre af hyperbolske isofaselinier, hvor der kræves to eller flere par (dvs. mindst 3 sendere) til sporingsfor-25 mål.

Andre systemer er afhængige af signaler afsendt af det bevægelige objekt, hvis position søges bestemt. US patentskrift nr. 4 651 156 angiver et system, i hvilket po-30 sitionen af et bevægeligt objekt måles ved at sammenligne fasen af et tonesignal afsendt fra det bevægelige punkt med et tilsvarende signal afsendt med en faststående sender. US patentskrift nr. 4 169 245 angiver et system til sporing af en bevægelig sender, ved at estimere forskel-35 len i ankomsttid for signaler med to par fysisk adskilte DK 174254 B1 3 modtagere, hvor systemet anvender frekvensspredningen, som er forbundet til modulationen af bærebølgen.

Det i US patentskrift nr. 3 774 215 angivne system’ anven-5 der OMEGA-sendere (meget lave frekvenser), som sender til et bevægeligt objekt, hvis modtager detekterer faseforskellen mellem et referencesignal og det modtagne signal.

Fasedifferencedata overføres til en kommunikationsstation, hvor de analyseres i en datamat, hvori der bestemmes 10 positionsdata, som derefter sendes tilbage til det bevægelige punkts modtager.

US patentskrift nr. 4 054 880 angiver et system, der anvender tre sendere, hvor fasen af derfra udsendte signals ler sammenlignes roed et referencesignal fra en loka loscillator, hvor de målte fasedifferencedata føres til en central station til korrektion af fasedrift i senderne og referenceoscillatorerne.

20 Formålet med den nærværende opfindelse er at løse den kendte tekniks ulemper, især med hensyn til kravet om særlige sendere og behovet for at tilvejebringe disse parvis.

25 Dette formål opnås ifølge opfindelsen med et navigations-og sporingssystem til overvågning, som er indrettet til at modtage signaler afsendt af et antal transmissionskilder, hvilket antal er større end eller lig med antallet af dimensioner i hvilken bevægelsen af et mobilt objekt 30 overvåges, der er karakteristisk ved, at systemet omfatter et par af modtagestationer, hvor den ene af modtagestationerne under brug findes på en kendt position, og den anden er anbragt på det mobile objekt; midler til at overføre et koblingssignal fra en af modtagestationerne 35 til den anden modtagestation, hvor koblingssignalet indeholder information om de transmitterede signaler, der DK 174254 B1 4 modtages ved den ene modtagestation, ud fra hvilke faseforskellen eller tidsforsinkelsen mellem de respektive ved modtagestationen modtagne signaler fra transmissionskilderne kan bestemmes; midler ved den anden modtage-5 station for sammenligning af informationen, der modtages fra den første modtagestation med information om respektive signaler, der modtages direkte fra respektive transmissionskilder, og til bestemmelse af faseforskelle eller tidsforsinkelser mellem de respektive transmitterede sig-10 naler der modtages af begge modtagestationerne og på baggrund heraf bestemmelse af ændringen i faseforskellen eller tidsforsinkelsen af signalerne, således at ændringer i position eller positionen af det mobile objekt kan bestemmes .

15

Systemet ifølge opfindelsen adskiller sig således fra kendte systemer, som f.eks. de i indledningen omtalte, ved, (i) at en eller flere sendere anvendes enkeltvis i stedet for parvis, (ii) at signalerne modtages ved to 20 punkter i stedet for ved et, (ii i) at det ved det ene punkt modtagne signal overføres til det andet og sammenlignes der til bestemmelse af deres faseforskel eller tidsforskydning, (iv) at der i hovedsagen kan anvendes vilkårlige radiosendere til dette formål, under forudsæt-25 ning af, at deres position er kendt.

Når faseforskelle måles, bestemmes positionen af det mobile objekt ikke absolut, men kun i forhold til en kendt startposition. Desuden må faserne overvåges kontinuer-30 ligt, så at de kan spores gennem flertydige cykler af 360°. Hver fejl på en cyklus introducerer en positionsfejl# som mindst er i størrelsesordenen 1 bølgelængde. En særlig fordel ved det beskrevne system er, at de anvendte sendere kan have en vilkårlig spektral karakteristik, 35 forudsat at signalerne er' kontinuerlige (i betydningen, at signalerne ikke omfatter lange gab - pulssignaler til- DK 174254 B1 5 lades, hvis repetitionshastigheden er tilstrækkelig høj). Kontinuerlige, umodulerede bølgeformede signaler vil derfor være tilstrækkelige. Principielt kræves der to sendere til navigation og sporing over et plan, men i'praksis 5 behøves der tre, da den ukendte og variable forskydning mellem referenceoscillatorerne ved modtagestationerne også må måles.

Når signalerne fra senderne er modulerede, gør frekvens-10 spredningen inden for modulationsbåndbredden det muligt at bestemme den tidsmæssige forsinkelse mellem det transmitterede signal, der modtages ved de to modtagestationer, samt at anvende forsinkelsen i stedet for eller som supplement til fasedifferensmålinger.

15

Hvis systemet primært er et navigationssystem, vil sammenlignings- og positionsbestemmelsesmidlerne med fordel være placeret i modtagestationen på det mobile objekt, men hvis det er placeret i grundstationen, kan positionen 20 af det mobile objekt signaleres tilbage dertil. Hvis systemet primært er et sporingssystem, er der ikke behov for, at positionen af det mobile objekt signaleres tilbage til objektets modtagestation.

25 Til trods for at transmissionskilderne med fordel kan være radiokilder, især hvis systemet anvendes til sporing af køretøjer, er transmissioner ved enhver frekvens mulige og alle typer bølgeenergi kan anvendes, såsom lydsignaler, som f.eks. kan anvendes i laboratoriesysterner.

30 I et landbaseret system til positionsbestemmelse inden for et bestemt område af jordens overflade,- vil det mindst være påkrævet at anvende to sendekilder, men systemet kan anvendes til bestemmelse af et objekts tilba-35 gelagte afstand, når objektet tvinges til at bevæge sig DK 174254 B1 6 ad en forudbestemt vej, hvor der i dette tilfælde kun kræves en enkelt sendekilde.

Når der udføres målinger af faseforskelle, kan de “to mod-5 tagestationer med fordel konvertere de modtagne signaler til grundbåndssignaler ved anvendelse af lokaloscillatorer, som er faselåste til lokalfrekvensstandarder eller referenceoscillatorer, og grundbåndssignalet fra en af modtagestationerne sendes til den anden modtagestation. I 10 dette tilfælde er det fordelagtigt, at systemet omfatter en yderligere sendekilde til måling af driften af referenceoscillatorerne eller frekvensstandarderne, men det er også muligt at låse referenceoscillatorerne indbyrdes ved at anvende transmissionsforbindelsen mellem de to 15 modtagestationer.

Systemet kan desuden omfatte selve sendekilderne, men da der ikke er noget behov for et specielt faseforhold mellem disse, kan de af systemet anvendte kilder være vil-20 kårlige, kendte radiosendere.

Forsinkelsesmålingerne kan f.eks. omfatte anvendelse af 1) amplitudemodulerede signaler i store, mellemstore el-25 ler små frekvensbånd, hvilket sædvanligvis optager bånd, hver med en bredde på omkring 10 kHz, 2) frekvensmodulerede VHF-udsendelser, som har en bredde på omkring 150 kHz eller 3) TV-signaler i UHF-båndet, der optager adskillige MHz. Tidsforsinkelsen mellem signalernes ankomst 30 til de to modtagestationer fra en moduleret sender kan måles med en præcision, der er inverst relateret· til båndbredden (når de andre parametre holdes · konstant). Tidsforsinkelsen er en entydig størrelse, da den periodiske tilbagevenden ved 360° ikke forekommer, hvilket er 35 tilfældet ved bestemmelse af faseforskel, hvorved tids-forsinkelsesmålinger kan anvendes til at bestemme positi- DK 174254 B1 7 onen af et bevægeligt objekt uden reference til en startposition.

X begge systemer kan der være fordele ved at pladere den 5 stationære modtagestation {grundstationen) på samme position som en af senderne. Dette er især tilfældet, når systemet anvendes til navigation i stedet for sporing og korrelation og databehandling vil med fordel kunne udføres på det bevægelige objekt, hvor der for grundstationen 10 er tilvejebragt en kobling i retning mod det bevægelige objekt. Hvis grundstationen, som sender koblingssignaler til det mobile objekt, har en rundtstrålende udstrålingskarakteristik, kan et vilkårligt antal separate bevægelige objekter anvende de samme koblingssignaler. Dette sva-15 rer til, at der i den senere viste ligning 1C f.eks. indsættes c = 0.

Uanset om grundstationen har samme position som en af senderne eller ej, kan de fra senderen afsendte signaler 20 anvendes til at tilvejebringe koblingen, med passende modifikation, f.eks. i et system, hvor grundstationen modtager signaler fra alle tre sendere og blander signalerne til grundbåndsignaler og fører dem ind til modulation med transmissionssignalerne fra senderen, hvor den er place-25 ret. Det kan være muligt at gøre dette uden at komme i kollision med den normale anvendelse af transmissionssignalerne; f.eks. når senderen er en FM-transmissionsfor-stærkerenhed kan koblingssignalerne føres ind mellem sidebåndssignalerne, så at den normale modtagelse af FM-30 signalerne ikke vil påvirkes, men modtageren på den eller de bevægelige objekter er i stand til at uddrage koblingssignalerne fra modulationen og anvende dem til måling af faser eller tidsforsinkelser, som ovenfor beskrevet.

35 DK 174254 B1 8

Der kan inden for nogle anvendelsesområder være fordele forbundet ved at anvende samme referenceoscillator til såvel senderen som den samboende grundstation. Det kan også være forbundet med fordele at modificere hver sender 5 som angivet i foregående afsnit. I dette tilfælde har hver bevægelig modtagestation så en indbygget kobling til hvert transmissionssignal det modtager, hvilket giver en betydelig redundans i systemet og dermed øger sikkerheden mod fejl. Når systemet anvendes til at spore positionen 10 af et bevægeligt objekt, kan det også være fordelagtigt at anvende selve koblingssenderen på det bevægelige objekt som en af de tre trianguleringssendere. Det bevægelige objekt modtager derved udsendte signaler fra to uafhængige fastpositionerede sendere og sender grundbåndsre-15 præsentationen af deres signaler over koblingen. Grundstationen modtager også signaler fra to fastpositionerede sendere, men anvender derudover også selve koblingssignalerne, som om de kom fra en tredje fast positioneret sender. Dette er ækvivalent med f.eks. at sætte c = r i den 20 senere viste ligning 1C og er også ækvivalent med at anvende forbindelsen til låsning af lokaloscillatorerne.

I det senere gennemgåede eksempel anvendes der kendte VHF-sendere, men naturligt forekommende transmissionskil-25 der såsom stjerner, der udsender radiobølger kan også anvendes, især til navigation i rummet.

To eksempler på systemer, der illustrerer opfindelsens principper og et eksempel på et prototypesystem, der er 30 konstrueret i overensstemmelse med opfindelsen, vil nu blive beskrevet under henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 viser et typisk arrangement af sendere og modtage-35 punkter; DK 174254 B1 9 fig. 2 viser hvorledes signaler, som modtages fra sender-ne, behandles; fig. 3 viser et arrangement til måling af faseforskellen 5 mellem to signaler; fig. 4 er et vektordiagram af systemet; fig. 5 illustrerer et arrangement til bestemmelse af 10 tidsforsinkelse; fig. 6 illustrerer anvendelsen af en interpolationsfunktion til bestemmelse af tidsforskydning; 15 fig. 7 og 8 illustrerer henholdsvis foretrukne udførelsesformer for en mobil modtageenhed og en modtageenhed i en grundstation; fig. 9 illustrerer et korrelations/datamatsystem til ana-20 lyse af signalerne, som modtages af modtagerenhederne ved det bevægelige punkt og grundstationen; fig. 10A og 10B viser ved hjælp af rutediagrammer, hvordan signalbehandlingen sker i grundstationsdatamaten til 25 bestemmelse af den vej modtageren på det bevægelige objekt tilbagelægger; og fig. 11 viser en sporudskrift for en mobil enhed.

30 Den i fig. 1 viste udførelsesform af et system angår et landbaseret system, som anvender sendere A, B, samt, hvis det er hensigtsmæssigt, en tredje sender C.

Det første eksempel angår et system, hvori faseforskellen 35 anvendes til at spore positionen af en modtager.

DK 174254 B1 10

Signalerne fra senderen A modtages ved en grundstation D (som findes i en kendt afstand 1Ad fra senderen A) og ved det bevægelige punkt E, hvis position søges sporet eller bestemt (og punktet findes i en ukendt afstand- 1Αε fra 5 senderen A). Modtagerne konverterer de indkommende signaler, som findes i et modtagebånd med en endelig båndbredde, til grundbåndet (se nedenfor), hvor signalerne fra det bevægelige punkt E derpå overføres til grundstationen D ved hjælp af en kobling F. Denne kobling F kan f.eks.

10 være i form af en tildelt telekommunikationsforbindelse, eller en til formålet oprettet forbindelse, f.eks. i form af en kanal blandt radiotransmitterede telefonsignaler.

Ved grundstationen D sammenlignes signalerne, som modtages direkte fra A, med signalerne, som modtages ved E til 15 bestemmelse af deres faseforskel PA. Faseforskellen PA måles i grader og svarer til værdien: (1ad~1ae) .360/λΑ = pA+n*360 20 hvor 1AD er som tidligere angivet, 1AE er afstanden fra A til E, λΑ er centerbølgelængden af modtagebåndet, hvor -180°<pA<180° er den målte faseforskel og n er et helt tal.

Denne proces til bestemmelse af PA er enten en multipli-kationsproces/ en midlingsproces eller en matematisk ana-25 lyse (se nedenfor). Den målte faseforskel kan konverteres direkte til en længdeforskel (modulo en bølgelængde), mens centerbølgelængden λΑ af de modtagne og fra A afsendte signaler kan bestemmes ved hjælp af vilkårlige kendte midler.

30 På grund af, at forskellen (1AD-1AE) mellem udbredelsesvejlængderne kan bestemmes, og da 1AD er kendt, er det muligt at beregne mulige værdier for afstanden 1AE- Punktet E vil således ligge på en af flere kugleflader (på et 35 jordbaseret system, kan disse betragtes som cirkler) med en radius 1AD-PA. λΑ/360 .

DK 174254 B1 11

De ved D og E modtagne signaler fra senderen B (i et frekvensbånd, hvis centerbølgelængde afviger fra det af senderen A anvendte frekvensbånd) behandles på samme måde 5 til bestemmelse af deres faseforskel PB, hvorved der defineres et andet sæt af cirkler med en radius 1bd“Pb^b/360 med centrum ved B, hvor punktet E må ligge på en af disse cirkler, og λΒ er centerbølgelængden for de fra B modtagne signaler. Positionen af E er således et 10 af skæringspunkterne mellem to cirkler, hvor den ene har centrum ved A og den anden ved B.

For at opnå en entydig bestemmelse af positionen af punktet E, starter sporings- eller navigationsprocessen med 15 en kalibrering. Det bevægelige objekt E må have kendskab til sin startposition med hensyn til grundstationen D, da den ovenfor omtalte fremgangsmåde resulterer i et flertydigt resultat, da (i) hvert sæt af cirkler har to skæringspunkter, og da (ii) faseforskellene PA og PB bestem-20 mer radius af cirklerne modulo en bølgelængde og ikke entydigt. PA og Pø kan til at begynde med antage vilkårlige værdier og kan med fordel sættes til at være nul, f.eks. ved at lade det bevægelige objekt E starte ved D. Når det bevægelige objekt E derefter bevæges bort fra startposi-25 tionen ved D, kan værdierne af PA og PB kontinuerligt overvåges og disse værdier definerer entydigt til ethvert tidspunkt den øjeblikkelige position af E.

Det kan f.eks. antages, at de sendte signaler fra A og B 30 begge er centreret omkring en bølgelængde på omkring 3 meter. PA og PB er til at begynde med begge nul (det bevægelige objekt findes ved grundstationen) og efter nogen bevægelse af E, antager disse henholdsvis værdien 1620° og -3240°, hvilket svarer til en længdeforskel på hen-35 holdsvis 13,5 meter og -27 meter. Vi ved derfor, at E har bevæget sig fra dens (kendte) startposition på en sådan DK 174254 B1 12 måde, at dets afstand fra A er blevet formindsket med 13,5 meter mens dets afstand til B er blevet forøget 27 meter. Dets nye position er derved bestemt.

5 Under bevægelsen af E, overvåges fasen tilstrækkelig ofte til at sikre, at der ikke forekommer ændringer på mere end 180° mellem en signaludtagning og den efterfølgende.

Hvis der forekommer afbrydelse, enten i signaludsendelsen fra A og B eller koblingen F, kan de senest aftastede 10 værdier af fasen anvendes til at interpolere over det afbrudte tidsrum, eller en fejlkorrigerende transmissionsprotokol kan anvendes til at overvinde problemerne, hvis fejlen er i transmissionsforbindelsen. Ellers vil hver introduceret faseændring på 360°, som der ikke er taget 15 højde for, resultere i en positionsfejl på mindst en bølgelængde (3 meter i ovennævnte eksempel).

Denne proces med at konvertere signalet til grundbåndet ved D og E er illustreret i fig. 2. Det med antenner G og 20 H modtagne signal fra A multipliceres i mixere I og J med et sinusformet signal, som dannes af lokaloscillatorer K og L. Grundbåndsprodukterne føres til signaludgange ved P og M. Udgangssignalet fra den bevægelige station overføres derpå til grundstationen gennem en kobling F under 25 anvendelse af en sender N og en modtager O og optræder ved Q. Signalerne ved P og Q kan sammenlignes (se nedenfor) til bestemmelse af deres faseforskel. Dette vil afspejle bevægelsen af E, hvilket er beskrevet ovenfor.

30 De fra B modtagne signaler behandles på samme vis under anvendelse af et andet sæt af mixere og lokaloscillatorer, hvilket ikke er vist.

Der findes en kombination af mixere og lokaloscillatorer 35 for hver overvåget sender. Alle lokaloscillatorer ved hver station er faselåst til fælles referenceoscillatorer DK 174254 B1 13 W og X. Teknologien er på nuværende tidspunkt endnu ikke tilstrækkelig avanceret til konstruktion af reference-oscillatorer W og X med en tilstrækkelig høj stabilitet, så enhver drift i enten den ene eller begge deres fre-5 kvenser vil resultere i en tilsvarende ændring i den beregnede faseforskel mellem P og Q. Det kan derfor forekomme, at E tilsyneladende bevæger sig, selvom det i realiteten er stationært.

10 Dette problem kan overvindes ved at anvende en tredje sender C (fig. 1). Signalet derfra modtages ved D og E og anvendes til at korrigere drift i referenceoscillatorerne W og X. Dette medfører, at referenceoscillatorerne begge låses til C. Det har således ingen betydning, at frekven-15 sen af C varierer, da begge referenceoscillatorerne W og X korrigeres med samme værdi, så deres frekvensforskel forbliver uændret.

Bemærk at den (ændrede) udbredelsesvej for forbindelsen F 20 ikke har nogen signifikant effekt på faseforskellen, da signalerne konverteres til grundbåndssignaler (tæt ved frekvensen nul) før de overføres gennem denne forbindelse. Ved at anvende et transmissionssystem med dobbelte sidebånd, sikres systemet overfor fejl af denne art.

25

Alternativt kan den ene referencelokaloscillator låses til den anden gennem transmissionsforbindelsen F.

I praksis behandles signalerne fra A, B og C på præcis 30 samme måde til frembringelse af faserne PA, PB og Pc. Tre ikke-lineære ligninger med to ubekendte koordinater for E og den ukendte fasedrift af W i forhold til X", “kan derpå løses til bestemmelse af de ukendte størrelser. Dette kan forstås af det følgende, som bør læses i sammenhæng med 35 fig. 4.

DK 174254 B1 14

Hvis A , B og C findes ved vektorpositioner a, b, og c i forhold til grundstationen D og det bevægelige objekt findes ved en vektorposition r, og hvis de tre sendestationer opererer med centerbølgelængder på λΑ, λΒ·· og Xc, 5 kan man ved at måle PA, Pb og Pc bestemme r og PQ (den varierende faseforskel mellem referencelokaloscillatorerne W og X) fra følgende ligninger:

|r - a| - I a I + (q. - qj = 0 1A

10

1 r - b| - |b| + (qb - q0) = 0 IB

|r - c| - I c I + (qc - q0) = 0 1C

15 hvor: qa = λΑΡΑ/360, qb = λΒΡΒ/360, qc = XcPc/360, og qQ = λΑΡο/360.

20

Faseforskellem mellem de ved D og E modtagne signaler kan måles ved anvendelse af en fremgangsmåde, som svarer til den i fig. 3 viste. Signalerne P og Q, som kan have signifikante båndbredder, multipliceres i en multiplikator 25 R. Dette kan f.eks. være en digital korrelator eller en lineær multiplikator. To produkter i fasekvadratur fremkommer som udgangssignaler og midies i lavpasfiltre S og

T. Det skal bemærkes, at det i praksis kan være enklere at frembringe to signaler P og P', ved at blande med se-30 parate oscillatorer i fasekvadratur før der korreleres med Q i to separate multiplikatorer R og R’ til frembringelse af fasekvadraturprodukter S og T. For lethed skyld kan disse midiede produkter betragtes som "sinus" og "cosinus”. En datamat U udfører den matematiske proces 35 ved at uddrage den inverse tangensfunktion af brøken si-nus/cosinus, hvilket giver en udgangsrepræsentation ved V

DK 174254 B1 15 af faseforskellen. Denne vil altid blive repræsenteret i området -180° til +180°/ hvor det som følge heraf er nødvendigt at aftaste signalet tilstrækkeligt ofte til at sikre, at ændringer mellem successive måleværdier"er min-5 dre end 180°.

Det ovenfor beskrevne eksempel angår det todimensionale tilfælde, hvor senderne, grundstationen og det bevægelige objekt alle i hovedsagen befinder sig i et plan (f.eks.

10 på jordens overflade inden for et tilpas lille område).

Med perfekte referenceoscillatorer vil to sendere være tilstrækkelig til at bestemme positionen af det bevægelige objekt i forhold til dets startposition, mens det i praksis er påkrævet med tre sendere, som ovenfor beskre- 15 vet. Større præcision og sikkerhed mod afbrydelser kan opnås ved at anvende flere end dette antal. Den samme teknik kan anvendes til tredimensionelle formål (f.eks. navigation i rummet), når et teoretisk minimum på tre sendere, men fire i praksis, anvendes.

20

Det andet eksempel vedrører et system, som anvender tidsforsinkelsesmålinger til sporing af positionen af en modtager.

25 Hvis tidsforsinkelsen mellem signalerne, som modtages ved grundstationen D direkte fra senderen A og via den bevægelige station E, bestemmes som tA, og hvis forsinkelsen mellem signalerne, som modtages ved grundstation D direkte fra sender B og via den bevægelige station E er tB, 30 kan der løses to ikke-lineære ligninger, når først disse størrelser er blevet målt, til bestemmelse af de ukendte koordinater for den bevægelige station E. Dette kan forstås fra det følgende, som skal læses i sammenhæng med fig. 4.

35 DK 174254 B1 16

Hvis A og B findes ved en vektorposition a og b i forhold til grundstationen D og det bevægelige objekt findes ved vektorpositionen r, kan r, hvis tA og tB måles, bestemmes fra ligningerne: 5

|a| “ |a - r| - |r| + ctA =0 2A

IbI - |b - r| - IrI + ctB =0 2B

10 hvor c repræsenterer lysets hastighed.

Det bør i særdeleshed bemærkes/ at positionen af det bevægelige objekt nu kan bestemmes entydigt uden reference til en kendt startposition, således at fremgangsmåden, i 15 det mindst i princippet, kan anvendes til at finde startpositionen til en senere sporing på grundlag af fasen.

Tidsforsinkelser kan måles ved vilkårlige tidspunkter uden reference til tidligere måling, og sporing er ikke 20 påkrævet.

Desuden tillades senderne at have et bredt udvalg af spektralkarakteristikker, men de må være modulerede, da kontinuerlige, umodulerede sinussignaler ikke tilveje-25 bringer information om tidsforsinkelse. Signalerne behøver ikke at være kontinuerlige og jo bredere deres båndbredde er, jo mere præcist kan tidsforsinkelsen måles.

Hvis der er mere end en uafhængig sender på samme senderposition, kan den totale båndbredde, som anvendes til 30 transmissionerne, anvendes, som om alle signalerne kom fra en og samme kilde.

I den ovenfor beskrevne fremgangsmåde til måling af tidsforsinkelser, anvendes den maksimale båndbredde til opnå-35 else af den største præcision.

DK 174254 B1 17 I praksis behøves der to sendere til navigation og sporing i et plan, som tidligere beskrevet, hvor forskydningen mellem oscillatorerne i de to modtagestationer er i hovedsagen uden betydning. Hvis der imidlertid overvåges 5 tre stationer til fasesporingsformål til opnåelse af større præcision, kan præcisionen af positionsbestemmelsen fra tidforsinkelser alene forbedres ved midling. Præcisionen, med hvilken positionen kan bestemmes ved i praksis at anvende tidsforsinkelser vil typisk være 10 mindst én størrelsesorden dårligere end positionsbestemmelse ved anvendelse af fasesporing.

Under henvisning til fig. 5, uddtages grundbåndssignalerne P, P* og Q, som tidligere beskrevet (fig. 2 - hvor det 15 bør bemærkes, at P i praksis, som tidligere omtalt, omfatter to signaler [P og P']> som er blevet mixet med separate oscillatorer i fasekvadratur) og digitaliseres i 1-bit digitaliseringsenheder a, b og b’, der på udgangen har en digital repræsentation af de analoge indgangssig-20 naler. Samplingsintervallerne ved digitaliseringen skal være mindre end halvdelen af den inverse båndbredde BW for radiosignalerne, dvs. ts < 1/(2BW) (Nyquistskrite- riet) for at opnå et minimalt informationstab ved samplingprocessen. Bitstrømmene fra a, b og b' forsinkes 25 i skifteregistre henholdsvis c, d og d’ . Registret c har parallelle udgange e, som hver svarer til en forsinkelse på en tidsenhed ts. Skifteregistrene d og d' har hver en udgang, som svarer til halvdelen af den maksimale forsinkelse fra c, så at udgangssignalerne fra d og d' tidsmæs-30 sigt svarer til udgangssignalet fra e, som er placeret halvvejs gennem registret c, hvilket er under antagelse af, at signalerne ikke forsinkes yderligere- indbyrdes.

Hver af udgangssignalerne e korreleres (en eksklusiv-OR-operation) med bitstrømmen fra d og dr, hvor to sådanne 35 korrelationer er vist med f og f. En korrelator X har to udgange svarende til korrelationer i fasekvadratur. Disse DK 174254 B1 18 integreres i digitale lavpasfiltre g og h og resultatet føres til en datamat U.

Datamaten U modtager parallelle korrelationer, der som 5 ovenfor svarer til forsinkelsestrin mellem de to signaler i enheder af ts. En udskrift af amplituden af krydskorrelationsfunktionen som funktion af tidsforsinkelsen, kan have den i fig. 6 viste form. De store prikker repræsenterer de til datamaten tilførte tal, og det kan klart 10 ses, at korrelationen er størst, hvor den totale tidsforskydning mellem datastrømmene er nul. I fig. 6 svarer dette til en tidsforsinkelse på t, + T.

Det er usandsynligt, at et af de diskrete forsinkelses-15 trin, som virkelig måles, vil ligge præcis på toppen af den påkrævede forsinkelse. I stedet må datamaten tilpasse en interpolationfunktion (den i fig. 6 viste kurve) til de målte punkter til bestemmelse af den yderligere forskydning T. Præcisionen, med hvilken interpolationsfunk-20 tionens spidsværdi kan bestemmes, er begrænsende for fremgangsmådens præcision. Interpolationsfunktionen kan beregnes eller bestemmes fra de modtagne signaler.

Fig. 7 til 10 illustrerer forskellige komponenter og 25 egenskaber med en udførelsesform af systemet, som omfatter en mobil enhed 1 og en grundstation 2.

Fig. 7 viser en modtager 100 på en bevægelig eller mobil enhed, hvor modtageren 100 har en modtageantenne 101, som 30 modtager signaler fra tre FM-sendere (f.eks. A, B og C, der er vist i fig. 1). En trevejssignalsplitter 102 fører signalerne fra antennen til tre i hovedsagen ens modtagere 103A, 103B og 103C, hvor hver af disse er indstillet til at modtage signaler fra en af senderne. I dette ek-35 sempel er de viste modtagere 103A, 103B og 103C indstillet til at modtage signaler Fa, Ft og Fc med henholdsvis * DK 174254 B1 19 96 MHz, 92,3 MHz og 89,7 MHz, hvilket svarer til de nominelle centerfrekvenser af tre FM-sendere i det østlige England. Som eksempel på modtagere, som er velegnet til formålet, kan nævnes Sony ICF 2001D.

5

Hver af modtagerne er faselåste til en hovedreference-oscillator 104 gennem en lokaloscillator 105 til frekvenssyntese, hvor hovedreferenceoscillatoren 105 f.eks. er en stabil krystaloscillator eller en rubidiumfrekvens-10 standard. Hovedreferenceoscillatoren kan f.eks. give et udgangssignal med en frekvens på 10 MHz og den faselåste lokaloscillator kan have en frekvens på 6,275 MHz på udgangen. Modtagerne fører i dette tilfælde et udgangssignal med en mellemfrekvens på 10,7 MHz til et trevejskom-15 binationskredsløb 106 og det kombinerede signal blandes til et grundbåndssignal i en mixer 107, som anvender en anden lokaloscillator 105' ved 10,7015 MHz, hvor denne lokaloscillator også er faselåst til hovedreferenceoscillatoren 104. Grundbåndssignalet, som har en båndbredde i 20 størrelsesordenen 10 kHz, føres til en koblingssender 108, som derved sender et signal, som indeholder repræsentationer af de tre modtagne signaler, over en koblingssendeantenne 109 til grundstationen 2 (se fig. 8), hvor analysen udføres.

25

Grundstationen 2 har en modtageenhed 200 (se fig. 8), som i det væsentlige er identisk med den tilsvarende enhed i den mobile enhed, hvorfor tilsvarende komponenter har fået et referencenummer, som er forøget med 100. Modtageen-30 heden 200 har imidlertid flere mixere 207A, 207B og.207C, så at grundbåndsprodukterne fra de tre modtagere kan·holdes separat. Endelig er hovedreferenceoscillatoren forskudt fra den i den mobile enheds modtager anvendte, så grundbåndssignalerne vA, vB og vc er flyttet i forhold til 35 grundbåndssignalet vD fra mobilenheden med omkring 100 Hz, når den mobile enhed er stationær.

DK 174254 B1 20

Grundstationen 2 omfatter desuden en koblingsantenne 209, hvorigennem en modtager 210 modtager signalet fra den mobile enhed 1. En fasekorrigeringsenhed 211 fjerner for-5 skellige iboende faseskift, som introduceres af koblingssenderen og modtagekredsløbet og giver et grundbåndssignal vD på udgangen. Koblingssenderen og -modtageren kan vælges blandt forskellige typer, men kan med fordel sende og modtage i f.eks. VHF-båndet. Fasekorrigeringsenheden 10 211 er af en art, som er velegnet til at korrigere den type fasesvar, som svarer til sender- og modtagerkredsløbene. Hvis f.eks. fasesvaret har en bagudrettet tidsfor- · skydning (R-C lag), vil fasekorrigeringsenheden 211 have en fremadrettet tidsforskydningskonfiguration (R-C lead).

15 I praksis er der tale om mere komplekse fasesvar, men disse kan korrigeres med kendte fasekorrigeringskredsløb.

Til behandling af grundbåndssignalerne har grundstationen 2 et korrelatorafsnit 220 (se fig. 9) til korrelering af 20 grundbåndssignalerne og en mikrodatamatprocessor 230 til at modtage korrelationsprodukterne og frembringe en visning af positionen og sporingen af den mobile enhed.

Korrelatorafsnittet 220 har tre korrelatorer 221A, 221B

25 og 221C til korrelering af grundbåndssignalerne henholdsvis vh og vD, vB og vD, samt vc og vD. Derved frembringes der kvasisinusformede udgangssignaler ved omkring 100 Hz, hvilket afspejler forskydningen mellem hovedreference-oscillatorerne 104 og 204. De kvasisinusformede udgangs-30 signaler føres gennem identiske lavpasfiltre 222 til faselåste sløjfer (PLL) 223, hvor "rene" udgaver af de kvasisinusformede signaler frembringes enten i form af sinus- eller firkantsignaler. De faselåste sløjfer 223 anvender smalle sløjfebåndbredder, f.eks. mindre end 1 Hz 35 for at fjerne støjeffekter i udgangssignalerne fra lav-pasfiltrene 222. Faselåste sløjfer 224 modtager udgangs- DK 174254 B1 21 signaler fra faselåste sløjfer 223 til dannelse af et 90° forskudt udgangssignal i forhold til de faselåste sløjfer 223 og de kan have en bredere båndbredde - i størrelsesordenen 10 Hz.

5

De derved frembragte sinus- og cosinusprodukter føres til sample- og holdekredsløb 225 på et kendt grænsefladekort i en mikrodatamat 230, som har en mikroprocessor 231 og en tidsstyreenhed 232, ved hjælp af hvilke data, som re-10 præsenterer produkterne manipuleres til dannelse af et videoudgangssignal, som sendes til en visningsenhed 233.

Ved den foretrukne udførelsesform anvendes en skærm til -at repræsentere et spor af den af den mobile enhed tilbagelagte vej, hvilket er vist i fig. 11, hvor skaleringen 15 er justerbar under datamatstyring og kan vælges blandt et antal af mulige skalaer.

Fig. 10A viser ved hjælp af et rutediagram hovedelementerne af datamatens operationer under programstyring, for 20 at fremvise en repræsentation på visningsenheden 233 af den .mobile enheds tilbagelagte vej. Efter at programmet : er blevet indlæst ved trin SOI, initialiseres tidsstyreenheden 232 og interne databuffere i datamaten i trin S02 og afbrydelsessignalet for tidsstyringen (se beskrivelsen 25 nedenfor) sættes i gang i trin S03. Med trin S04 kontrollerer programmet om flag (sat af en separat afbrydelsesrutine - se fig. 10B) er sat eller ej. Hvis flaget er sat, er data i den pågældende buffer legale og konverteres til fasespring i trin S05 og i trin S06 adderes fa-30 sespringene til totalen (for hver af kanalerne A, B .og C) til frembringelse af en ny total værdi. Positionen af den mobile enhed beregnes i trin S07 og fremvises på visningsenheden 233 i trin S08. Flaget til angivelse af, at den pågældende buffer er fyldt tilbageføres i trin S09 og 35 programmet springer tilbage til trin S04. Hvis flaget til angivelse af, at den pågældende buffer er fuld ikke de- DK 174254 B1 22 tekteres i trin S04, springer programmet tilbage til trin S04 og flaget kontrolleres igen.

I forbindelse med det i fig. 10A viste rutediagram, bør 5 følgende bemærkes: (a) Flaget til angivelse af, at den pågældende buffer er fuld sættes af afbrydelsesrutinen, som vil blive beskrevet senere i forbindelse med fig. 10B.

10 (b) Faseforskellen af hver kanal beregnes ved hjælp af ligningen: fase = arctan (S/C), 15 hvor S og C er spændingsværdier for sinus og cosinus fra de faselåste sløjfer 223, 224.

(c) Det totale faseforløb siden starten må spores, dvs.

20 den af programmet anvendte algoritme må kunne videre føre fasen ud over hovedområdet fra -180° til +180°.

(d) Beregning af den nærværende position udføres ved hjælp af tre ligninger 1A til 1C, som er beskrevet 25 tidligere. Disse kan løses i programmet ved hjælp af en vilkårlig kendt fremgangsmåde hvor den for tiden foretrukne fremgangsmåde indbefatter anvendelse af Newton-Raphson metoden (se "Numerical Recipes, the art of Scientific Computing", af W. H. Press, Cam- 30 bridge University Press 1986) til beregning af den øjeblikkelige position, hvilket sker under anvendelse af den forrige position som et startpunkt - til itera-tionen.

35 (e) Den til hver kanal anvendte fasesporingsalgoritme er som følger. Hvis φ er den totale indtil nu sporede DK 174254 B1 23 fase og nye dataværdier er S og C (henholdsvis for sinus- og cosinuskanaler), gives faseforøgelsen Δφ ved: 5 tan Δφ = (S οοβφ - C sin φ)/(S θΐηφ + C cos φ) og den nye værdi af den sporede fase er således φ + Δφ. Så længe faseforøgelsen ikke er større end 180° eller mindre end -180° mellem de enkelte 10 sampler, vil dette være korrekt. Se beskrivelsen ne denfor med hensyn til afbrydelsesservicerutinen for at opnå dette.

Afbrydelsesservicerutinen, med hvilken data fra sample-15 og holdekredsløbene 225 lagres i en af to buffere og som er vist i rutediagramform i fig. 10B, skal i det efterfølgende beskrives.

Tidsstyreenheden 232, som er tilbageførlig, kan frerabrin-20 ge afbrydelser i programudførslen (fig. 10A) med regulære intervaller (f.eks. 500 pr. sekund), hvilket bestemmes af programmet. Ved forekomst af en afbrydelse, startes af-brydelsesrutinen (trin 101), hvorefter tidsstyreenheden 232 føres tilbage (trin 102) . En bufferpegepind, som pe-25 ger på den adresse i den aktuelle buffer, hvortil efterfølgende data skal lagres forøges eller skiftes (trin 103) , og data indlæses derpå fra sample- og holdeskredsløbene 225 (trin 104), og føres ind i den aktuelle buffer (trin 105). Ved trin 105 kontrollerer rutinen, om den ak-30 tuelle buffer er fyldt, og hvis dette er tilfældet,, sættes flaget (trin 107), hvilket tidligere blev nævnt i forbindelse med operationsprogrammet. Den buffer, hvori data skal lagres, udskiftes (trin 108). Hvis bufferen endnu ikke er fuld, eller når først bufferen er blevet 35 udskiftet, tilbageføres afbrydelsessignalet (trin 109) og afbrydelsesrutinen standser (trin 110), hvorved datamat- DK 174254 B1 24 styringen tillades at vende tilbage til hovedprogrammet (fig. 10A).

Der er tilvejebragt to buffere, for at tillade skrivning 5 i den ene under en afbrydelsesrutine, mens der læses fra den anden med hovedprogrammet, der er blevet afbrudt. I nærværende eksempel er bufferstørrelsen og læsehastigheden af sample- og holdekredsløbene valgt således, at hver buffer fyldes på omkring et sekund, mens læsehastigheden 10 er valgt for at sample data tilstrækkeligt, så der sikres mod faseforøgelser, der er større end +180° og mindre end -180° mellem hvert sampletidspunkt.

Fig. 11 er en udskrift eller en skærmvisning af et spor 15 af et mobilt system, som bæres af en mand og visende den af ham fulgte vej (i pilens retning). Det ses, at der ved at anvende udstyr ifølge opfindelsen opnås en meget præcis sporing, som kan udskrives i virkelig tid. Irregula-riteterne stammer fra bevægelser, fra side til side langs 20 den vej, manden tilbagelægger med antennen. Det kan ses at den opnåede opløsning er så god som en halv meter eller mindre end, hvad der kan opnås ved målinger for hvert 0,1 sekund.

Claims (19)

25 DK 174254 B1

1. Navigations- og sporingssystem til overvågning,- som er 5 indrettet til at modtage signaler afsendt af et antal transmissionskilder {A, B, C), hvilket antal er større end eller lig med antallet af dimensioner, i hvilket bevægelsen af et mobilt objekt overvåges, kendetegnet ved, at systemet omfatter et par af modta-10 gestationer (D, E) , hvor den ene af modtagestationerne (D) under brug findes på en kendt position og den anden (E) er anbragt på det mobile objekt; midler (F) til at overføre et koblingssignal fra en af modtagestationerne til den anden modtagestation, hvor koblingssignalet inde- 15 holder information om de transmitterede signaler, der modtages ved den ene modtagestation, ud fra hvilke faseforskellen eller tidsforsinkelsen mellem de respektive ved modtagestationen modtagne signaler fra transmissionskilderne kan bestemmes; midler (R, S, T, U) ved den 20 anden modtagestation for sammenligning af informationen, der modtages fra den første modtagestation med information om respektive signaler, der modtages direkte fra respektive transmissionskilder, og til bestemmelse af faseforskelle eller tidsforsinkelser mellem de respektive 25 transmitterede signaler, der modtages af begge modtagestationerne og på baggrund heraf bestemmelse af ændringen i faseforskellen eller tidsforsinkelsen af signalerne, således at ændringer i position eller positionen af det mobile objekt kan bestemmes. 30

2. System ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det yderligere omfatter et antal transmissienskilder, hvor antallet mindst svarer til antallet af dimensioner, i hvilke bevægelser overvåges. 35 26 DK 174254 B1

3. System ifølge krav 2, kendetegnet ved, at det yderligere omfatter et antal transmissionskilder, hvor antallet mindst svarer til antallet af dimensioner, i hvilke bevægelser overvåges, plus en. 5

4. System ifølge krav 2 eller 3, kendeteg net ved, at transmissionerne er moduleret, og at faseforskellen bestemmes.

5. System ifølge krav 2 eller 3, kendeteg net ved, at transmissionssignalerne er kontinuerlige, umodulerede bølgesignaler, ud fra hvilke faseforskellen bestemmes.

6. System ifølge krav 2 eller 3, kendeteg net ved, at transmissionssignalerne er modulerede, ud fra hvilke tidsforsinkelsen bestemmes.

7. System ifølge krav 2 eller 3, kendeteg- 20 net ved, at både faseforskelle og tidsforsinkelser bestemmes.

8. System ifølge krav 4 eller 5, kendeteg net ved, at modtagestationerne konverterer de modtag- 25 ne signaler til grundbåndssignaler ved anvendelse af lokaloscillatorer, som er faselåste til lokale frekvensstandarder eller referenceoscillatorer (K, L) , og at grundbåndssignalerne fra en af modtagestationerne transmitteres til den anden. 30

9. System ifølge krav 8, kendetegnet ved, at det desuden omfatter en yderligere transmissionskilde (C) til måling af driften af referenceoscillatorerne eller frekvensstandarderne {K, L). 35 DK 174254 B1 27

10. System ifølge krav 8, kendetegnet ved, at referenceoscillatorerne (K, L) er indbyrdes låste gennem en transmissionskobling mellem modtagestationerne.

11. System ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at en ikke-mobil modtagestation, som er en grundstation, er anbragt på samme position som en af senderne.

12. System ifølge krav 11, kendetegnet ved, at koblingen er tilvejebragt i retning fra grundstationen til det mobile objekt.

13. System ifølge krav 12, kendetegnet ved, 15 at grundstationen har en rundtstrålende udstrålingskarakteristik, hvorved et vilkårligt antal af separate bevægelige objekter kan navigere ved anvendelse af de samme koblingssignaler.

14. System ifølge krav 2 til 13, kendeteg net ved, at transmissionssignalerne fra mindst en af transmissionskilderne anvendes til at tilvejebringe kobling mellem modtagestationerne.

15. System ifølge krav 11, kendetegnet ved, at den samme referenceoscillator anvendes i transmissionskilden og den tilhørende modtagestation.

16. System ifølge krav 6, kendetegnet ved, 30 at midlerne til sammenligning af de signaler, der modtages af modtagestationerne, omfatter midler (a, b, b') til digitalisering af de konverterede signaler og- midler (X) til korrelering af de digitaliserede signaler til frembringelse af punktestimater for krydskorrelationsfunktio-35 nen. DK 174254 B1 28

17. System ifølge krav 16, kendetegnet ved, at en interpolationsfunktion er tilpasset de estimerede punkter af krydskorrelationsfunktionen til bestemmelse af tidsforsinkelsen mellem signalerne. 5

18. System ifølge krav 1-17, kendetegnet ved, at de ved hver modtagestation modtagne signaler blandes ved multiplikation med et signal fra en respektiv lokaloscillator. 10

19. System ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hver modtagestation (D, E) har en referenceoscillator, og som indeholder: 15 midler til udledning af et lokalt referencesignal fra referenceoscillatoren, og midler til generering af et signal, der er repræsentativt for differencen i frekvens og dermed differencen i fasen 20 mellem det lokale referencesignal og signalet modtaget fra hver af transmissionskilderne, hvor de repræsentative signaler der er genereret i en af modtagestationerne overføres som koblingssignal til den anden modtagestation. 25