DE2554301A1 - Verfahren zum ermitteln der position eines flugzeuges und schaltungsanordnung zum durchfuehren dieses verfahrens - Google Patents

Description

Dr.-Ing. E. BERKENFELD · Dipl.-!ng. H. BERKCNFELD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 28. ΝθνβΠΛ>βΓ 1975 VA. Name d. Anm. GRUMMAN AEROSPACE

CORPORATION

Verfahren zum Ermitteln der Position eines Flugzeuges und Schaltungsanordnung zum Durchführen dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein luftgestiitztes Positionbestimmungssystem und besonders ein luftgestütztes Positionsbestimmungssystem, bei dem zum Abschätzen und Vermeiden von Abstandsgrundfehlern und zum Unterdrücken von Rauschen mindestens drei Stationen zum Messen der Entfernung (DME) und entsprechende Techniken verwendet werden, um damit die Position eines Flugzeuges genau bis auf einen wahrscheinlichen Kreisfehler von 100 Fuß (C.E.P.) oder besser zu bestimmen. (DME ist ein im 960 bis 1215 MHz Bereich arbeitendes international genormtes Impuls-Entfernungsmeßsystem für Flugzeuge. Es wird in dem international durch die ICAO ttbernommenen VOR/DME System der zivilen Luftfahrt verwendet. DME bildet auch einen Teil des von den Streitkräften der Vereinigten Staaten verwendeten TACAN Systems.)

Sämtliche drahtlos arbeitenden Positionsbestimmungssysteme sind Zufallsfehlern unterworfen, die auf das Geräterauschen und Schwankungen in den Übertragungsmedien zurückgehen. Das klassische Verfahren zum Bestimmen des Fehlerverhaltens eines Systems liegt darin, den Halbmesser des auf den Nullfehler-Punkt zentrierten Kreises zu finden, der die Hälfte der verteilt liegenden Punkte umschließt. Die Länge dieses Halbmessers wird der wahrscheinliche Kreisfehler (C₀E₀P.) des Systems genannte

Bei einer typischen Anwendung des DME Systems bei der Navigation wird eine DME Entfernungsmessung zum Bestimmen der Flugzeugposition zusammen mit einer getrennten Peilmessung von einer einzigen Station aus verwendet. Die Verwendung von zwei Entfernungsmessungen, je eine von beiden Stationen, ist als eine Möglichkeit zum Erzielen größerer Genauigkeit bei der Bestimmung der Flugzeugposition erkannt worden* Systeme mit der Standard-Entfernungsmessung und mit einem Peilverfahren sind als rho-theta-Systeme bekannt geworden» Mit zwei Entfernungsmessungen arbeitende Systeme

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sind als rho-rho-Systeme bekannt. Bei diesen rho-rho-Systemen werden im allgemeinen im Flugzeug zwei DME-Empfanger verwendet, einer für jede Station. Da sich die Kreise konstanter Entfernung von den beiden DME-Stationen im allgemeinen in zwei Punkten schneiden, verlangen die rho-rho-Systeme zum Vermeiden dieser Vieldeutigkeit eine Peilmessung oder irgendeine andere Einrichtung, um damit eine automatische Bestimmung der Flugzeugposition zuzulassen. Bei den rho-rho-Systemen nimmt die Genauigkeit weiter als Funktion der Geometrie ab. Das heißt, daß ihr Betriebsverhalten, sofern sich das Flugzeug auf einer durch die beiden Stationen laufenden Linie befindet, nicht besser als die des üblichen rho-theta-Systems ist.

Der Luftraum wird zunehmend und insbesondere in Gebieten hoher Beanspruchung, das heißt in der Nahe von Flughafen, in immer stärkerem Maße überfüllt. Damit steigt das Bedürfnis an einer genauen Bestimmung der Position eines Flugzeuges. Zurzeit ist eine genaue Bestimmung einer Flugzeugposition bei der Land- und Seevermessung aus der Luft und beim Prüfen von Navigations- und Waffensystemen nützlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Ausbildung eines luftgestützten Systems mit erhöhter Genauigkeit bei der Bestimmung der Position eines Flugzeuges.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Ausbildung eines Systems, mit dem sich die bei den heutigen Positions-Be stimmungs systemen übliche Mehrdeutigkeit und die dort vorhandenen Fehler vermeiden lassen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Ausbildung eines mit vorhandenen DME-Stationen verwendbaren Systems zum genauen Bestimmen der Poseition eines Flugzeuges«

Eine weitere Aufgabe liegt im Erzielen von Verbesserungen bei der exakten Positionsbestimmung von Flugzeugen, ohne daß dabei an die Kapazität bestehender DME-Stationen übermäßige Anforderungen gestellt werden.

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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Ausbildung eines genauen luftgestützten Positions-Bestimmungssystemes bei vernünftigen Kosten.

Nachstehend folgt ein allgemeiner Vergleich der Genauigkeit (CE. P.) bekannter Positions-Bestimmungssysteme mit dem der vorliegenden Erfindung. (Mögliche zukünftige Änderungen dieser Daten werden wahrscheinlich mehr die Natur von Verbesserungen statt von wesentlichen Änderungen haben.)

Genauigkeit in Fuß (hili

System	Belastung der Station (Anfragen pro Sekunde)	(wahrscheinlicher Kreisfehler)	Ungünstig ster Fall
	5	Typisch	2000+
konventionelles VOR/DME oder TACAN	10	2000	2000+
Rho-Rho (Dual DME)	10	600	200
Erfindung hohe Geschwin digkeit	0,7	75	400
Erfindung niedrige Ge schwindigkeit	200

Weitere Aufgaben, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei einem Studium der ins einzelne gehenden Beschreibung unter Berücksichtigung der Zeichnungen.

Das luftgestützte Positions-Bestimmungssystem umfaßt kürzt gesagt das Verfahren und die zugehörigen Einrichtungen zum Erzielen von Entfernungssignalen aus mindestens drei DME-Stationen, ein rasches aufeinanderfolgendes Abfragen der einzelnen DME-Stationen mit Hilfe einer vorausgesagten Entfernungsmessung zu der nächsten DME-Station in einem Entfernungstor, Vergleichen der vorhergesagten Entfernungsmessung mit der sich aus den übertragenen Impulsen abgeleiteten Ist-Entfernungsmessung, Abschätzen der Entfernungsgrundfehler, die bei der mit Jeder DME-Station verbundenen Istwert-Entfernungsmessung auftreten, Subtraktion des Entfernungsgrundfehlers von der Istwert-Entfernungsmessung unter Bildung einer berichtigten Messung des Abstandes zu den DME-Stationen, *»-

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und kontinuierliches Hochrechnen der Entfernungsgrundfehler und der geschätzten Flugzeuggeschwindigkeit unter Erzielung einer genauen Bestimmung der Flugzeugposition gegenüber den DME-Stationen.

Die vorliegende*» Erfindung wird nun mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei ist:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Flugzeuges mit einer erfindungsgemäßen und die von 10 DME-Bodenstationen erwiderten Impulse aufnehmenden Anordnung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 3 ein ins einzelne gehendes Blockschaltbild der in Fig. 2 gezeigten Anordnung und

Fig. 4 ein Arbeitsschema des erfindungsgemäß zu verwendenden Compute rprogramms .

In Fig. 1 wird ein Flugzeug mit dem luftgestützten erfindungsgemäßen Positions-Bestimmungssystem 12 gezeigt. Nach der Darstellung empfängt das Flugzeug 10 Signale von zehn DME-Stationen 14 A-J. Das luftgestützte Navigationssystem fragt eine vorgegebene Anzahl von Stationen, zum Beispiel zehn Stationen, in rascher Folge ab und bestimmt damit den Abstand zu jeder Station 14. Im folgenden wird dies noch im einzelnen erläutert.

Es hat sich gezeigt, daß sich die Genauigkeit für drei oder mehr DME-Stationen unmittelbar nach der a Aktivierung des Systems proportional zu der Quadratwurzel der Anzahl der verwendeten Stationen verbesseret. (Später nach dem Abschätzen der Grunddaten der Stationen wird die Abfragegeschwindigkeit der Stationen zum wichtigsten Genauigkeitsfaktor.) Die Anzahl der zu verwendenden Stationen richtet sich nach der auf einer bestimmten Flugstrecke verfügbaren Anzahl von Stationen. Es wird angenommen, daß die höchste Zahl der verfügbaren DME-Stationen bei zehn liegt.

In den Vereinigten Staaten gibt es gegenwärtig über 750 DME-Boden-

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Stationen. Eine eingehende Beschreibung des Hintergrundes und der Arbeitsweise von DME-Syst*emen findet sich in Navigation Systems, A Survey of Modem Electronic Aids, von G. E. Beck, herausgegeben von Van Nostrand Reinhold Company, London, 1971, Seiten 268 bis 276.

IME wurde vorwiegend als Teil eines Entfernungs-Peilsystems verwendet. Die Information über die Entfernung ergibt sich durch Bestimmung der Übertragungszeit eines Impulspaares, das von einem im Flugzeug angeordneten Sende-Empfangs-Gerät abgegeben und aufgenommen und von der DME-Bodenstation erwidert wird. Die Peilinformation leitet sich aus der TACAN-Peilung oder VOR-Ausrüstung ab, die sich im allgemeinen an der DME-Station befindet. Dann wird die Flugzeugposition aus der empfangenen Entfernungs- und Peilinformation abgeschätzt. Navigatorische Hochrechnungen erfolgen dabei im allgemeinen mit einer Geschwindigkeit von etwa fünf pro Sekunde.

Die DME-Station sendet Impulspaare mit einer Geschwindigkeit von etwa 2.700 pro Sekunde aus und kann etwa 4000 Flugzeuge verarbeiten. Falls mehr als die Höchstzahl von Flugzeugen die Verwendung der DME-Station versucht, setzt diese automatisch die Verstärkung ihres Empfängers herab, so daß nur die stärkeren Impulse erwidert werden. Bei Empfang von weniger als 2.700 Impulsen wird die Verstärkung des Stationsempfängers erhöht, bis 2.700 Impulse pro Sekunde beim vorhandenen Geräuschpegel verarbeitet werden. Somit ergibt sich unabhängig von der Flugzeugbelastung eine konstante Leistungsfrequenz des Sender-Empfänger-Gerätes.

Nach der Darstellung in Fig. 2 verarbeitet das luftgestützte Positions-Bestimmungssystem 12 nur Entfernungsinformationen. Das System 12 enthält eine Antenne 16, die elektrisch an einen Empfänger 18 angekoppelt ist, der seinerseits elektrisch mit einem Entfernungstor 20 verbunden ist. Dieses Tor 20 hält für andere Flugzeuge bestimmte Impulse von den DME-Stationen 14 ab. Das Tor 20 ist elektrisch an einen digitalen Computer 22, zum Beispiel RoIm Corp. Model 1602, angeschlossen und wird von diesem gesteuert. Auch der Computer 22 ist elektrisch an einen Frequenzgenerator

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24 angeschlossen. Dieser gibt Signale ausgewählter Frequenz auf den Empfänger 18 und einen Sender 26. Die Ausgangssignale (ein Impulspaar) des Senders 26 werden der Antenne 16 zugeleitet und zu den DME-Bodenstationen übertragen.

Am Eingang des Computers liegt auch ein vom Entfernungstor 20 abgegebenes Entfernungs-Meßsignal an. Ebenso erhält der Computer ein Signal vom Höhenmesser 28 und Steuersignale aus der Cockpit-Steuerung 30. Vom Ausgang des Computers laufen ein Steuersignal zum Tor 20, ein Steuersignal für die Kanalzahl zum Frequenzgenerator 24, Darstellungssignale zu der Darstellungsanordnung 32 und Trennflächensignale an die Anordnung 34 für andere Flugzeugsysteme.

Nach der Darstellung in Fig. 3 enthält das Sende-Empfänger-Gerät 26 ein Aktivierungstor 36, das an einen Zeittaktgenerator 37 angeschlossen ist, ein mit dem e Aktivierungstor 36 verbundenes und an einen Zittergenerator 40 angeschlossenes Auslösetor 38, einen an dieses Tor 38 angeschlossenen Doppelimpuls-Verschlüsseier 42, einen an diesen Verschlüsseier angeschlossenen Impulsmodulator 44 und einen an diesen Modulator angeschlossenen Leistungsverstärker 48. Der Empfänger 20 enthält einen elektrisch an die Antenne 16 angeschlossenen Frequenzvorwählter 56, eine elektrisch ebenfalls an die Antenne 16 angeschlossene Mischstufe 58, eine an den Vorwählter 56 angeschlossene Mischstufe 58, einen an die Mischstufe 58 angeschlossenen Zwischenfrequenzverstärker 60 und einen an diesen Verstärker 60 elektrisch angeschlossenen Doppelimpuls-Entschlüsseler 62. Dieser Entschlüsseier 62 bildet auch das Identifikationssignal für die Bodenstation. Dieses kann auf Wunsch unterdrückt werden.

Mit seinem Ausgang ist der Doppelimpuls-Entschlüsseler 62 elektrisch an ein Entfernungstör 54 angeschlossen. Dessen Ausgang ist elektrisch mit einem Dfeetektor 64 verbunden. Dieser verschlüsselt digital die Lage des zurückgegebenen Impulses innerhalb des Entfernungstores 54. Dieses digitale Signal wird dann zum Verschlüsseln der Übertragung mit einer Unterbrechung auf den Computer 22 gegeben.

Zum Abfragen einer Bodenstat*ion, zum Beispiel der Bodenstation 14A, muß zuerst der Computer 22 durch die Cockpit-Steuerung 30 aktiviert werden. Anschließend erfolgt die Abfrage automatisch. Ein diskretes Aktivferungssignal wird vom Computer 22 auf das an den Zeittaktgenerator 37 angeschlossene Aktivierungstör 36 gegeben. Die Ausgangsspannung dieses Aktivierungstores 36 aktiviert das Auslösetor 38. Dies ermöglicht die übertragung eines Signales vom Zittergenerator 40 auf den Doppelimpuls-Verschlüsseler 42 und von dort zum Impulsmodulator 44. Dessen Aus gangs spannung wird mit einer vorgewählten Trägerfrequenz eines Frequenzvervielfachers 46 zusammengesetzt und im Leistungsverstärker 48 verstärkt. Dessen Ausgangs signal wird dann auf die Antenne 16 gegeben. Ein digitales Kanal-Wählsignal vom Computer 22 aktiviert einen Frequenzgenerator 50, der seinerseits den Frequenzvervielfacher 46 aktiviert. Damit entsteht ein Trägersignal mit einer der Frequenz der betreffenden DME-Station entsprechenden Frequenz. Ein digitales Setzsignal vom Computer 22 aktiviert dann noch einen Verzögerungsgenerator 52. Dessen Ausgangssignal steuert die Zeiteinstellung des Entfernungstores 54.

Bei beginnendem Anrufen einer DME-Station überstreicht der Computer 22 das Entfernungstor 54 durch stufenweises Schalter des digitalen Verzögerungsgeneratois 52 während aufeinanderfolgender Impulssendungen an die betreffende DME-Station. Die Lage und Wiederholungsfolge der Antworten wird zur Verifizierung des Anrufens der Station vom Computer 22 aufgezeichnet.

Das Entfernungstor 54 wird durch das zweifache einer Verzögerung t., gekennzeichnet, die vom Beginn der übertragung des Abfragesignales gemessen wird,und eine Breite t«, während der die Antwortimpulse empfangen werden. Die Breite des Entfernungstores 54 ist auf einen ausreichend kurzen Betrag fixiert, so daß es sehr unwahr scheinlichfee** ist, daß mehr als ein Impulspaar innerhalb der Breite tp des Abstandstores empfangen werden. Die Verzögerung t^ hängt von der Entfernung zu der DME-Station ab und wird vom Computer 22 gestellt.

Im Idealfall wird t>j so gestellt, daß das Antwortimpulspaar in die

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Mitte des Intervalls tp fällt. Im Idealfall wird t^ somit auf die Hin- und Rücklauf zeit der Signale, die der Entfernung zu der Station unmittelbar proportional ist, zuzüglich der Verzögerung an der DME-Bodenstation (nominal 50 Mikro Sekunden) zuzüglich der Hälfte von tp (um die Antwort in die Mitte des Tores zu setzen) eingestellt. Da sich die Entfernung zu der DME-Station im allgemeinen zwischen den Messungen ändert, muß t^ ungefähr auf der Grundlage vergangener Messungen eingestellt werden. Diese Betriebsart des anfänglichen Anrufens wird weiter für den Fall verwendet, daß zurückliegende Messungen nicht verfügbar sind.

Bei dieser Betriebsart des anfänglichen Anrufens wird das Abstandstor 54 mit der Computersteuerung von t,, überstrichen. Sobald einige ¥«ti wenige DME-Stationen abgefragt sind, braucht man bei dem sich anschließenden, sich wiederholenden Abfragen der DME-Stationen nicht mehr auf diese Betriebsart zurückzugreifen. Aus zurückliegenden Entfernungsmessungen schätzt der Computer 22 kontinuierlich die Position und Geschwindigkeit des Flugzeuges und die Grundfehler der Bodenstationen ab. Aus barometrischen Höhenmessungen ist dem Computer 22 auch die Flugzeughöhe bekannt. Zusammen reicht diese Information zum genauen Setzen des Entfernungstores 54 ohne Rückkehr auf die Betriebsweise des anfänglichen Abrufens mit Überstreichen des Tores aus.

Das Sender-Empfänger-Gerät 26 wird durch die Signale vom Computer 22 aktiviert. Das Signal betreffend die ausgewählte Kanalfrequenz wird von der Antenne 16 auf die DME-Station gesendet. Die DME-Bodenstation, die eine dem ausgewählten Kanal entsprechende Frequenz hat, empfängt das abgestrahlte Impulspaar und nach einer festen nominalen Verzögerung von 50 Mikrosekunden wird das Impulspaar auf einer Trägerfrequenz von 63 MHz über oder unter der Sendefrequenz des Flugzeuges auf dieses zurückgegeben.

Der Computer 22 liefert ein digitales Stellsignal zum Verzögerungsgenerator 52, der das Überstreichen des Abstandstores 54 mit der Verzögerung von 50 Mikrosekunden in der Übertragung der von der DME-Station zurückgegebenen Impulse synchronisiert. Das Entfernungstor 54 erkennt nur solche von den DME-Stationen zurückgegebe-

■ ;., , . ..... 6098-25/068.8

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nen Impulspaare, deren sich an die Übertragung anschließende Ankunftszeit innerhalb einer voreingestellten Toleranz der von dem Computer 22 gesetzten zeitlichen Verzögerung liegt.

Da der Empfänger 18 eine um 63 MHz vom Sender-Empfänger-Gerät 26 verschiedene feste Arbeitsfrequenz hat, kann unter der Annahme einer Zwischenfrequenz des Empfängers 18 von 63 MHz ein gemeinsamer Überlagerungsoszillator (Frequenz*generator 50) sowohl für den Empfang als auch für das Senden verwendet werden. Der Vorwähler 56 des Empfängers 18 wird vorteilhafterweise auf eine Frequenz eingestellt, die zum Vermeiden einer Überlastung um 63 MHz von der Frequenz des Senders 56 entfernt liegt.

Das Abstandstor 54 erkennt zurückgegebene Impulse gleicher Wiederholungsfrequenz und Phase und weist andere ab. Der Detektor § 64 verschlüsselt die Stellung dieser Impulse im Abstandstor 54. Das digitale Ausgangssignal vom Detektor 64 wird auf den Computer 22 gegeben.

Der Detektor 64 mißt die Hin- und Herlaufzeit des zurückgegebenen Impulspaares durch Fixieren von dessen Ankunftszeit. Durch das Abstandstor 54 wird der Detektor 64 vor potentiell störenden Signalen geschützt. Zusätzlich weist der Doppelimpulsverschlüsseler 62 sämtliche nicht die richtige Impulsform aufweisenden Signale zurück. Eine Ausführungsform des Detektors 64 spricht auf die Größe der Hüllform des empfangenen Impulspaares an. Sofern die Größe des empfangenen Impulspaares eine von der automatischen Verstärkungsregelung des Empfängers 18 abhängige Schwelle überschreitet, wird ein Ausgangssignal erzeugt. Dieses Signal hält einen (nicht gezeigten) Zähler an, der zu Beginn des luftgestützten Sendebetriebes aktiviert wurde. Vorzugsweise enthält der Detektor 64 ein "frühes Tor" und ein "spätes Tor". Das empfangene Impulspaar wird kurz vor und nach seiner geschätzten Ankunftszeit mit η Nachbildungen des abgestrahlten Impulspaares verglichen. Der Grad der Übereinstimmung zwischen dem empfangenen Impulspaar und den beiden Nächbildungen wird zur Interpolation der Ankunftszeit des zurückgeworfenen Impulspaares verwendet.

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I ο ο η ο U 1

Das Umschalten zwischen den DME-Stationen, das heißt ein Wechsel in der Kanalfrequenz, wird durch den Computer 22 ausgelöst. In seinem Speicher enthält der Computer 22 eine Liste von Informationen über die DME-Stationen. Für jede vom luftegestützten System 12 verwendete DME-Station enthält der Computer 22 die Kanalzahl, Breite, Länge und Höhe. Abhängig von der Verfügbarkeit an Bodenstationen werden im allgemeinen drei bis zehn Stationen verwendet,

Ganz allgemein gesprochen spielen sich beim Anrufen der DME-Stationen die folgenden Schritte ab:

1. Unter Verwendung der aus den letzten Messungen abgeleiteten Position und Geschwindigkeit des Flugzeuges sagt der Computer 22 die Entfernung zu der nächsten auf seiner Liste stehenden DME-Station zu dem Zeitpunkt voraus, an dem die tatsächliche Entfernungsmessung zu der nächsten DME-Station vorzunehmen ist.

2. Der Computer 22 schaltet dann den Sendebetrieb ab.

3. Der Computer 22 bewirkt eine Abstimmung des Frequenzgenerators 24 auf die der Kanalzahl der nächsten DME-Station entsprechende» Frequenz.

4. Der Computer 22 stellt die dem vorhergesagten Abstand zu der nächsten Station entsprechende Verzögerung ein, um damit das Abstandstor 54 zu bestimmen, das heißt, daß der Computer 22 den Wert von t^ setzt.

5. Zur vorgewählten Zeit der nächsten Messung bewirkt der Computer 22 die Übertragung auf der ausgewählten Frequenz.

6. Die Entfernungsmessung erfolgt mit dem Detektor 64 und wird auf den Computer 22 gegeben. (Bei Ausbleiben einer Antwort von der DME-Bodenstation wird das Schließen des Abstandstores 54 zur Kennzeichnung einer "keine Messungⁿ-Anzeige verwendet.)

7. Die Entfernungsmessung wird vom Computer 22 zum Hochrechnen

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der Schätzungen der Position und Geschwindigkeit des Flugzeuges und des mit der DME-Station verbundenen Grundfehlers verwendet.

8. Die Stufen (6) und (7) werden nach Bedarf wiederholt. Falls in einer vorgegebenen Folge nur eine Abstandsmessung zu einer DME-Station gewünscht ist, wird die Übertragung unmittelbar nach Erzielen dieser Abstandsmessung unterbrochen.

9. Das Verfahren wird mit dem Beginn der Stufe (1) für die nächste DME-Station wiederholt. Ist die Liste der DME-Stationen erschöpft, wird die an der Spitze dieser Liste stehende DME-Station erneut verwendet, so daß ein zyklisches Abfragen unter den auf der Liste stehenden DME-Stationen beibehalten wird.

Im Betrieb liegt der Computer 22 das Aktivierungssignal auf das Aktivierungstor 36 um und bewirkt damit eine zeitweilige Unterbrechung der Impulsübertragung. Dann wechselt der Computer 22 die Kanalfrequenz und legt hierzu ein anderes digitales Kanalwählsignal an den Frequenzgenerator 50 an. Dabei wird eine bestimmte Zeitverzögerung vorgegeben, damit sich der Frequenzgenerator 50 auf die von diesem Signal gewählte Frequenz festlegen kann. Anschließend erregt der Computer 22 den Verzögerungsgenerator 52 mit einem digitalen Wortsignal, das die Verzögerungszeit vom Beginn der übertragung auf das Öffnen des Abstandstores 54 stellt. Dann wird das diskrete Aktivierungssignal vom Computer 22 gewechselt und der Zeittaktgenerator 37 wird aktiviert und läßt Impulsübertragungen durch das Aktivierungstor 36 zu.

Bei Empfang eines vom Abstandstor 54 zurückgegebenen Signales gibt der Detektor 64 ein die Stellung des Antwortimpulses im Abstandstor 54 anzeigendes Korrektionswort ab. Falls im Abstandstor 54 kein Antwortsignal festgestellt wird, wird vom Detektor 64 ein Unterbrechungssignal erzeugt. Vorzugsweise wird zur Anzeige des Fehlens einer Antwort eine spezielle Bitgestalt des Korrektionswortes verwendet, zum Beispiel sämtliche.

Zusätzlich zu der Regelung des Senders 26 über das Aktivierungs-

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tor 36, des Frequenzgeneratois 50 und des Abstandstores 54 durch den Verzögerungsgenerator 52 bewirkt der Computer 22 eine Herabsetzung der DME-Abstandsmeßfehler. Das Filterprogramm dirigiert den Computer 22, so daß dieser nacheinander die von den DME-Stationen erzielten Abstandsmessungen mit der mit üblichen Meßeinrichtungen bestimmten barometrischen Flugzeughöhe 3 zusammensetzt, während gleichzeitig die Entfernungsmeßfehler geschätzt und auf einen C.E.P.-Stellungsfehler von typischerweise 75 Fuß herabgesetzt werden. Die polynominalen Filterbewertungen für Stellung, Geschwindigkeit und Beschleunigung sind sämtlich Funktionen einer einzigen Zeitkonstante, die das Maß der Glättung bestimmt.

Fehler der DME-Stationen bestehen im allgemeinen aus zwei Komponenten: einer Grundkomponente und einer Zufallsstörgeräusch-Komponente. Grundfehler entstehen durch eine Vergrößerung des mittleren Übertragungsweges infolge von atmosphärischer Brechung, infolge einer Fehleichung des Flugzeugtransponders, infolge von Bodenstationverzögerungen und infolge von Arbeitspunktänderungen bei der Signalerfassung in Abhängigkeit von der Empfangssignalstärke. Zufallsfehler (Geräusch) werden durch Schwankungen um die mittlere Fortpflantingsverzögerung als Folge von lokalen atmosphärischen Bedingungen, Ungewißheiten in der Wellenform, Empfängerquantelung und Zeitschwankungen verursacht. Für viele Abstandsmessungen von einer gegebenen DME-Station bleibt die Grundkomponente konstant und ist gleich dem Durchschnittswert der bei der Abstandsmessung auftretenden Fehler. Zufallsfehler bewirken von Abstandsmessung zu Abstandsmessung Schwankungen um den θ durchschnittlichen Betrag des Fehlers. Die Grundkomponente liegt typischerweise bei et*wa 400 Fuß R.M.S. und die Geräuschkomponente einschließlich der Signalhöheneffekte liegt typischerweise bei etwa 200 Fuß R.M.S.

Falls die DME-Stationen keine Fehler haben würden, würden sich die Kreise konstanter Entfernung von drei oder mehr Stationen unter der Annahme, daß diese gleichzeitig angerufen würden, in einem einzigen Punkt schneiden und damit die wahre Position des Flugzeuges angeben. Mit den Fehlern jedoch laufen die Abstandskreise in der Nähe der wirklichen Flugzeugposition vorbei.

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Der Computer 22 wandelt die Aufeinanderfolge der Entfernungsmessungen in Schätzungen der Flugzeugposition, der Flugzeuggeschwindigkeit und der Entfernung zu der DME-Station um. Algorithmen, die Messungen in Schätzungen gewünschter Größen umwandelt, sind als Filter bekannt. Bei der vorliegenden Erfindung lassen sich zwei Filterarten verwenden:

1. das polynominale Filter und

2. das Kaiman-Filter.

Beide Filter verwenden das gut bekannte Prinzip der kleinsten Quadrate. Das polynominale Filter ist einfach, schnell im Rechnen, unempfindlich gegenüber Abrundungsfehlern und beansprucht ein Minimum des Computerspeichers. Das Kaiman-Filter, das diese Attribute nicht aufweist, ist dagegen infolge seines komplizierteren Aufbaus allgemein genauer in seiner Einstellung. Die allgemeine Theorie sowohl des polynominalen als auch des Kaiman-Filters wurde von N. Morrison in Introduction to Sequential Smoothing and Prediction, herausgegeben bei McGraw-Hill (1969), beschrieben.

Das Computerprogramm muß sowohl mit dem Kaiman-Filter oder mit dem polynominalen Filter die folgenden Schritte durchführen:

1. Zurückliegende Informationen über Position und andere Parameter müssen zusammen mit von Korrekturen abgeleiteten Abstandsmessungen verwendet werden unter Bildung hoch gerechneter Schätzungen der Position und anderer Parameter.

2. Vorhersage aufkommender Abstandsmessungen unter Verwendung der vorhergesagten Position, der barometrischen Höhe, dem Ort der Station und des geschätzten Wertes des Stationsgrundfehlers.

3. Steuerung des Anrufens der Stationen und der Aufnahme der Daten über die Entfernungsmessung.

4. Prüfung der Gültigkeit der Messung.

5. Errechnen der Position und der Grundkorrekturen auf der Basis

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des Unterschiedes zwischen der vorhergesagten und der tatsächlichen Abstandsmessung.

6. Prüfung auf zu Beginn des Betriebes einzusetzende Betriebsarten und abgewandelte Verarbeitung und Regelung bei diesen Betriebsarten.

In dem polynominalen Filter erfolgend die Grund Schätzung und das Hochrechnen mit den folgenden Stufen:

1. Bei der anfänglichen Aktivierung des luftgestützten Positions-Bestimmungssystems 12 werden die Stations-Grundschätzungen nominal auf Null gesetzt, das heißt B^ = O für i = 1, ..., N für N Stationen in der Stationsliste.

2. Bei der anfänglichen Aktivierung des luftgestützten Positions-Be Stimmungssystems 12 liegt eine Anfangsperiode für die Positions- und Geschwindigkeitsschätzungen vor. Nach der unten stehenden Erläuterung arbeitet das Filter auf diese Weise,bis die Geschwindigkeits- und Positionsschätzungen in die voreingestellten Grenzen fallen. Während dieser Periode werden die Grundschätzungen nicht geändert.

3. Nach der anfänglichen Betriebsart wird immer bei Erzielen einer Messung ein Messungsrestwert errechnet. Dieser Messungsrestwert ist definiert als die Differenz zwischen der Vorhersage der auf vergangene Daten gestützten Abstandsmessung und der beobachteten Istwert-Messung. Hierbei sei daran erinnert, daß die vorhergesagte Entfernungsmessung zeitlich vor dem ankommenden Impulspaar auch zum Setzen des Abstandstores 54 verwendet wird.

4. Die Gesamtzahl der von der der neuen Messung entsprechenden DME-Station erzielten Messungen wird stufenweise erhöht. Wenn somit Mj die Anzahl der Messungen ist, die von der i-ten Station erhalten wurden, wird M^ durch einen neuen Wert gemäß #fep M. M· + 1 ersetzt.

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5. Die Grundschätzung der i-ten Station wird dann gemäß

(M₁ - 1) R

₁^B₁ + I₅

hochgerechnet. Dabei ist R der Restbetrag. Dies ist einfach der recursive Durchschnitt der Messungsrestbeträge.

6. Das Verfahren wird erneut wiederholt und mit dem Schritt (3) wird begonnen, während mehr Daten gesammelt werden.

Falls bei dem obigen Verfahren eine Messung ausbleibt, da die DME-Bodenstation nicht antwortet oder ein wilder Punkt auftritt, werden die Stufen (4) und (5) übersprungen und die Grundschätzung unverändert belassen. Eine offensichtlich schlechte Messung, die durch Vergleich der Positionsschätzung auf voreingestellte Grenzwerte festgestellt wird, ist ein wilder Punkt, Falls eine neue Station der in Gebrauch befindlichen Stationsliste hinzuzufügen ist, zum Beispiel als Austausch für die k-te Station, werden die Werte ^=O und Mj₅. gleich 0 bei der Hinzufügung der Station gestellt.

In Fig. 4 wird ein Arbeitsprogramm gezeigt. Es zeigt die Verwirklichung dieser Betriebszustände unter Verwendung eines polynominalen Filters als Positions- und Vorhersagealgorithmus. Die Besprechung dieser Darstellung erfolgt nun unter Bezug auf die einzelnen Blöcke.

START —

Das luftgestützte Positions-Bestimmungssystem 12 wird mit dem Betriebsregler aktiviert.

BETRIEBSBEGINN —

Die sämtlichen zu verwendenden Stationen zugeordneten Grundschätzungen werden auf Null gesetzt. Die für das Hochrechnen der Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und der Grundschätzungen verwendeten Berichtigungen werden auf Null gesetzt. Die Schätzungen der Flugzeuggeschwindigkeits- und -beschleunigungskomponenten werden auf Null gesetzt. Eine Flug-

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zeugposition wird willkürlich angenommen. Die anfängliche Positionsschätzung kann für die Koordinaten einer der Bodenstationen verwendet werden.

HOCHRECHNEN DER POSITIONSSCHÄTZUNG —

Die Berichtigungen X und Y werden zum Hochrechnen der Schätzungen der Flugzeugposition (X, Y), der Geschwindigkeit (V_x, V) und der Beschleunigung (β_χ, a ) verwendet. X bezeichnet die Längenkomponente. Y bezeichnet die Breitenkomponente. Beide werden in Bogeneinheiten angegeben. Die Gleichungen verwenden t, die Zeit zwischen Abstandsmessungen, und die Bewer— tungsfaktoren w_a, w_y und w . Die Gleichungen und die Verhältnisse zwischen den Bewertungsfaktoren werden in dem zuvor erwähnten Buch von N. Morrison abgeleitet.

ABSTANDSMESSUNG-VORHERSAGE —

Die Stationen werden wie zuvor beschrieben abgefragt. Die vorhergesagte Abstandsmessung, als Zeiteinstellung für das Abstandstor 54, ist das Zweifache des geometrischen Abstandes der auszuwählenden geschätzten Flugzeugposition zu der Station, dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit, plus 50 Mikrosekunden, plus dem Stations-Grundfehler (als ein Zeitfehler), plus einer Brechungsindex-Korrektur. Die Brechungsindex-Korrektur berücksichtigt unterschiedliche Fortpflanzungsgeschwindigkeiten in der Atmosphäre und ist allgemein bekannt. Zusätzlich kann eine empirische Eichkurve mit Vorteil zur Korrektur des mittleren Fehlers als Funktion des Abstandes oder der Leistungshöhe verwendet werden,

ABSTANDSMESSUNG —

Eine Abstandsmessung wird versucht, wobei das Abstandstor 54 überstrichen wird, falls sich das System 12 in seiner anfänglichen Betriebsart befindet. Anderenfalls wird das Abstandstor gesetzt.

GUTE MESSUNG —

Falls keine gültige Messung erzielt wird, werden die Korrekturen X und Y auf Null gesetzt und eine andere Messung wird mit

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weiterer Extrapolation der vorhergehenden Daten versucht. Bei Erzielen einer guten Messung geht das Programm weiter und die Korrekturen werden errechnet.

BERECHNEN DER KORREKTUREN —

Die Peilung zu der Station wird als der geometrische Bogenwinkel vom wahren Norden zur DME-Station errechnet«, Der Scheitelpunkt des Peilwinkels ist die geschätzte Position des Flugzeuges. Der Restbetrag R, die Differenz zwischen der tatsächlichen und der vorhergesagten Abstandsmessung, wird errechnet und zur Bestimmung von X und Y verwendet.

ANFÄNGLICHE BETRIEBSART BEENDET —

Der Restwertbetrag wird geprüft und festgestellt, ob die Anfangs-Betriebsart zu einem Ende gekommen ist, falls sich das System in der Anfangs-Betriebsart befindet. Die Anfangs-Betriebsart ist zu einem Ende gekommen, wenn der beobachtete Restbetrag unter einem voreingestellten Betrag (etwa 1000 Fuß) liegt. Zusätzlich können auch andere Bedingungen für g Geschwindigkeitsbeträge und BeschleunigungsSchätzungen vorgenommen werden. Falls die Anfangsbetriebsart zu einem Ende gekommen ist, geht das Programm weiter und die Grundschätzungen werden hochgerechnet. Anderenfalls kehrt es zur Hochrechnung der Position zurück.

HOCHRECHNEN DER GRUNDSCHÄTZUNGEN —

Das Hochrechnen der Stations-Grundschätzungen wurde vorstehend erörtert. Es sei bemerkt, daß die Bewertungsfaktoren die Grundfehle rs chätzungen für jede Istwertmessung nach Maßgabe des Abstandes des Flugzeuges 10 von der DME-Station 14 bewerten.

Die beiden Hauptänderungen im Fluß für das Kaiman-Filter liegen darin, daß die Grundschätzungen mit den Positionsschätzungen ergänzt und ein zweistufiger Anfangsprozeß verwendet wird. Bei dieser besonderen anfänglichen Betriebsart wird das polynominale Filter verwendet zur Bildung der AnfangsSchätzungen für Position und Geschwindigkeit für das Kaiman-Filter.

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Im angehefteten Appendix A sind die Programmdaten für das Kaiman-Filter aufgezählt. Ein polynominales Filter wird dabei als Teil des Anfangsbetriebes für das Kaiman-Filter vorgegeben. Die im Append«ix A (zehn Seiten) aufgeführten Programme sind in FORTRAN IV beschrieben. Diese wird auf der CDC 6000 Computerserie verwirklicht. Die Programme zeigen den logischen Fluß und die Rechenfolge für die bevorzugte Verwirklichung der Algorithmen. Weitere Modifikationen dieser Programme, um sie an den jeweils verwendeten luftgestützten Computer anzupassen und um eine Echtzeitprogramm— folge und eine Hardware-Steuerung zu erzielen, liegen im Bereich der Fähigkeiten eines Durchschnittsingenieurs, der sich mit dem Entwurf von luftgestützten Positionsbestimmungssystemen befaßt.

Eine Schätzung der Flugzeugposition ergibt sich aus den erzielten Abstandsdaten unter Verwendung des vorstehend diskutierten Filterprogramms. Mit dieser PositionsSchätzung wird der mit jeder Abstandsmessung verbundene Fehler aus den Abstands-Restbeträgen geschätzt. Diese Restbeträge sind die Differenz zwischen den gemessenen Abständen und den neuen Abstandsschätzungen, die aus den Positionsschätzungen kleinster Quadrate abgeleitet wurden. Die Bildung des Durchschnittes aus diesen Restbeträgen,während sich das Flugzeug auf seiner Bahn entlangbewegt, w führt zu den mit den Stationen verbundenen Schätzungen der Grundwerte. Der geschätzte Grundfehler wird von den neuen Abstandsdaten abgezogen. Damit wird diese Komponente des Abstandsfehlers reduziert.

Der Filteralgorithmus setzt auch die Auswirkungen der Zufallskomponente der Messung durch Glätten der Positions- und Geschwindigkeitsschätzungen auf ein Minimum herab. Eine Herabsetzung der Geräuschfehler ließe sich auch durch Filtern der Mehrfachanfragen an die gleiche Station erzielen.

Wie zuvor beschrieben steigt die Genauigkeit des Systems 12 mit der Anzahl der verwendeten DME-Stationen. Das heißt, daß das Betriebsverhalten des Systems 12 umso besser wird, je schneller der Computer 20 zwischen den DME-Stationen umschaltet. Eine Schaltgeschwindigkeit von einer Station für je 1,5 see führt im allgemeinen zu einem C_eE.P. von etwa 150 Fuß. Eine Schaltfolge von zehn

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Stationen pro Sekunde würde im allgemeinen ein C.E.P. von 75 Fuß ergeben.

Zusammengefaßt läßt sich feststellen, daß das Computer-gesteuerte luftgestützte Positions-Bestimmungssystem in rascher Folge zwischen mindestens drei DME-Stationen umschaltet. Damit lassen sich die Grundfehler wirkungsvoll schätzen und aus den Abstandsmessungen entfernen. Dies führt zu einer genauen Bestimmung der Flugzeugposition.. Sobald die Schätzung der Grundfehler einmal vorliegt, läßt sich die Systemgenauigkeit selbst bei Verwendung von nur einer oder zwei DME-Stationen verbessern. Dies ist für Landeanflüge wichtig, bei denen infolge des Geländeprofils nur eine oder zwei DME-Stationen erreicht werden können.

Auf dem vorliegenden Gebiet bewanderte Fachleute werden ohne weiteres erkennen, daß sich in der Erfindung zahlreiche Modifikationen ohne Austritt aus dem Geist und dem Wesen der Erfindung verwirklichen lassen, wie diese in der Beschreibung beschrieben und in den beifolgenden Patentansprüchen gekennzeichnet ist.

Patentansprüche

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Claims (9)

1. Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-Ing. H. BtRKENFELD, Patentanwälte, Köln

   Anlage Aktenzeichen

   zur Eingabe vom 28. ΝθνβΠΛ>ΘΓ 1975 VA. Name d. Ann». GRUMMAN AEROSPACE

   CORPORATION

   PATENTANSPRÜCHE

   1J Verfahren zum genauen Bestimmen der Position eines Flugzeuges, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

   (a) aufeinanderfolgendes Aussenden von Impulsen mit vorgewählten Frequenzen an vorgewählte DME-Stationen,

   (b) aufeinanderfolgendes Schalten der Frequenzen der ausgesendeten Impulse zum Erreichen von mindestens drei DME-Stationen,

   (c) aufeinanderfolgendes Empfangen der von den jeweiligen DME-Stationen umgesetzten Impulse,

   (d) Ausbilden einer vorausgesagten Abstandsmessung zu der nächsten DME-Station,

   (e) Ausbilden einer Ist-Abstandsmessung zu der nächsten DME-Station,

   (f) Vergleich der vorausgesagten Abstandsmessung mit der Ist— Abstandsmessung,

   (g) Schätzung des Grundfehlers in der Ist-AbStandsmessung auf der Grundlage der Ergebnisse des Vergleichs der Stufe (f) und

   (h) Subtraktion des geschätzten Grundfehlers von der Ist-Abstandsmessung unter Bildung einer korrigierten Abstandsmessung zur nächsten DME-Station.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt: (i) konstinuierliches Hochrechnen der geschätzten Grundfehler, die von den Ist-Abstandsmessungen zu den DME-Stationen abgezogen werden,
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt: (j) Vorglätten der umgesetzten Impulse zwecks beträchtlicher Herabsetzung der Zufallsfehler.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt: (k) Bewerten der GrundfehlerSchätzung für jede Ist-Abstands-

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   messung nach Maßgabe der Entfernung des Flugzeuges von der DME-Station.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
   Frequenzen der gesendeten Impulse zum Erreichen von annähernd 10 DME-Stationen nacheinander geschaltet werden.
6. 6. Luftgestützte Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch:

   Einrichtungen zum aufeinanderfolgenden Abstrahlen von Impulsen mit vorgewählten Frequenzen entsprechend vorgewählten DME-Stationen,

   Einrichtungen zum aufeinanderfolgenden Empfangen der umgesetzten Impulse von den DME-Stationen mit den entsprechenden Frequenzen,

   Einrichtungen zum aufeinanderfolgenden Umschalten der Frequenzen der gesendeten Impulse zum Erreichen von mindestens
   drei DME-Stationen,

   Einrichtungen zum Bilden einer vorhergesagten Abstandsmessung zur nächsten DME-Station,

   Einrichtungen zum Vergleich der vorhergesagten Abstandsmessung mit einer errechneten Ist-Abstandsmessung unter Berücksichtigung der Zeit zwischen dem Senden und dem Empfang
   der umgesetzten Impulse zum Ausbilden eines geschätzten Grundfehlers und

   Einrichtungen zur Subtraktion des geschätzten Grundfehlers von der Ist-Abstandsmessung zum Erzielen einer berichtigten
   Abstandsmessung zur nächsten DME-Station.
7. 7. Luftgesetzte Schaltungsanordnung nach Anspruch {5, gekennzeichnet durch

   Einrichtungen zum Hochrechnen des geschätzten Grundfehlers.
8. 8. Luftgestützte Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Vorglätten der umgesetzten Impulse zwecks wesentlicher Herabsetzung des Zufallsfehlers,
9. 9. Luftgestutzte Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch ge-

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   kennzeichnet, daß die Einrichtung zum aufeinanderfolgenden Schalten annähernd zehn DME-Stationen pro Sekunde erreicht.

   Luftgestützte Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Bewerten der Grundschätzung für jede Ist-Abstandsmessung nach Maßgabe des Abstandes des Flugzeuges von der DME-Station.

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