DE19944632A1 - Verfahren zur globalen autonomen Präzisions-Eigenortung mittels des lokalen Lotvektors - Google Patents

Abstract

Ein besonders einfaches Verfahren zur globalen autonomen Präzisions-Ortung mit Fehlern im Meter- und Submeterbereich mit den Koordinaten geographische Breite und Länge ohne Driftfehler allein mittels des lokalen Lotvektors und genauer Zeitmessungen ist bisher nicht bekannt. Der Abhilfe dieses Mangels sollen das vorgeschlagene Verfahren und die beispielhaft angegebenen Einrichtungen zu seiner Umsetzung dienen. DOLLAR A Die benötigten erdebezogenen Koordinaten Breite und Länge werden in ein raumfestes Inertialsystem transformiert, dessen Bezüge die Äquatorebene für die Breite und der Nullmeridian für die Länge bilden. Damit wird jeder beliebige lokale Lotvektor einer unbekannten Position eine zeitabhängige Größe. Zusätzlich wird ein beliebiger, aber bekannter Bezugszeitpunkt t¶0¶ gewählt, bei dem der Nullmeridian mit einem inertialen Bezug zusammenfällt, z. B. Orts-Mittag in Greenwhich am Frühlingspunkt. Zur Bestimmung von Breite und Länge zum Zeitpunkt t¶x¶ - zu dem der Nullmeridian sich inertial um die Länge theta¶0¶ = omega¶e¶(t¶x¶ - t¶0¶) weiter gedreht hat - wird eine zum Ortsmeridian des unbekannten Punktes P parallele rotierende Winkelscheibe mit der Periode omega¶m¶T¶m¶ = 2pi oder ein mikroelektronisches Analogon dazu auf den Fußpunkt des lokalen Lots dieses Punktes P mit einem besonderen Eichverfahren phasensynchronisiert. Die Phase dieser Schwingung, bezogen auf den breitenunabhängigen Bezugszeitpunkt t¶x¶, entspricht der geographischen Breite. In gleicher Weise wird die ...

Description

Zur Navigation ist die Ortbestimmung seit altersher unabdingbar. Klassische Verfahren nutzen den Sextanten und den Chronometer zur Bestimmung von geographischer Breite und Länge in Verbindung mit auf Kompaßnord bezogenen Kursen. Die neuesten Verfahren zur genauen Ortsbestimmung stützen sich auf Satelliten und die Messung von Laufzeitdifferenzen kodierter Funksignale, die von ihnen gesendet werden.

Zur Bestimmung der geographischen Breite eines beliebigen Ortes auf der Erde gibt es unterschiedliche Verfahren. Eines davon wurde bereits von Eötvös vorgeschlagen (R. Eötvös: Experimenteller Nachweis der Schwereänderung, die ein auf normal geformter Erdoberfläche in östlicher und westlicher Richtung bewegter Körper durch diese Bewegung erleidet; Annalen der Physik, (4) 59, 1919, 743-752). Zweckmäßiger sind jedoch moderne optische Drehratensensoren (S. Ezekiel, H. J. Arditty: Fiber-Optic Rotation Sensors, Tutorial Review, 1982, S. 2-8), mit denen sich sowohl die Nordrichtung als auch die geographische Breite bestimmen lassen. Allerdings unterliegen auch diese Sensoren Driften, die zu vergleichsweise großen Meßfehlern führen.

Die Ortung mittels Satelliten ist inzwischen sowohl militärisch als auch zivil weit verbreitet und ihr Einsatz nimmt ständig zu (V. Zerbe, H. Keller, R. Blume: Systeme für die Satellitennavigation; ntz, 71997, S. 66-67). Wegen des großen Aufwandes für Installation und Betrieb eines Satellitennetzes gehören die vorhandenen Netze militärischen Dienststellen. Zivile Nutzer werden toleriert, erhalten aber keine Betriebsgarantie. Daher werden auch zivile Satellitennetze geplant. Bei diesen muß man jedoch davon ausgehen, daß ihre Nutzung nicht mehr kostenlos zugelassen wird. Deshalb ist es sinnvoll, nach Alternativen zur genauen globalen Eigenortung zu suchen, die keine Satelliten oder sonstigen Infrastrukturen benötigen.

Zwar gibt es seit etlichen Jahrzehnten leistungsfähige Verfahren zur Trägheitsnavigation. Diese weisen jedoch infolge von Kreiseldriften Fehler auf, deren Größe mit der Dauer eines Einsatzes zunimmt. Durch Stützung der Plattformen mit genauen Ortungswerten anderer Systeme wie etwa GPS ist es möglich, Driftfehler zu kompensieren. Aber für den Regeleinsatz solcher Methoden etwa in der zivilen Luftfahrt reicht die Integrität der Satellitenverfahren bisher nicht aus. Zusätzlich werden damit auch die Kosten z. B. für die Luftfahrtgesellschaften gesteigert.

Daher ist ein Verfahren zur autonomen Präzisionsortung, das genügend genau und kostengünstig ist sowie eine ausreichend hohe Integrität aufweist, d. h. nicht von zentralen Infrastrukturen mit unüberschaubarer Verfügbarkeit abhängt, dringend erforderlich, jedoch bisher nicht verfügbar. Insbesondere ist bisher kein autonomes Ortungsverfahren bekannt, das sich ausschließlich auf die Verwendung lediglich eines Lotsensors in Verbindung mit hochgenauen Zeitmessungen stützt.

Dieses Problem wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren mit den dort aufgeführten Merkmalen gelöst. Insbesondere werden die lokale Nachbildung der Tagesdrehung der Erde mit einem Modell und die inertiale Phasenänderung des lokalen Lotvektors mit der Zeit so verwertet, daß sich kontinuierlich die Koordinaten des momentanen Standortes P in den Werten geographische Länge und Breite driftfrei allein mittels Zeitmessungen bestimmen lassen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen in der Autonomie der Standortbestimmung, ihrer hohen Genauigkeit und ihrer herausragenden Integrität, bei gleichzeitiger Aufwandsenkung. Die Erfindung kann vorteilhaft ausgestaltet werden, wie es in den Patentansprüchen 2-28 angegeben ist. Grundlagen und Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Bild 1 Ortungsprinzip

Bild 2 Ortungsprinzip für Länge und Breite

Bild 3 Zeitrelationen

Bild 4 Zeit-Phasen-Relationen

Bild 5 Methode der Zeitraffung

Bild 6 Eichverfahren

Bild 7 Fehlerkorrektur für Lot- und Nordvektor

Bild 8 Ortung mittels raumfest rotierender Winkelscheiben

Bild 9 Methoden der technischen Realisierung

Bild 10 Realisierung in Festkörpertechnik

Bild 11 Beispiel für ein Blockschaltbild zur Verfahrensrealisierung

Bild 12 Beispiel für die Ortung mittels Computer

Bild 1 zeigt das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Tagesdrehung der Erde 1 wird durch ein Modell 2 der Erde mit dem Abtaster S am unbekannten Ort P zeitgerafft mit dem Faktor n so nachgebildet, daß gelten die Beziehungen ω_eT_e = ω_mT_m, ω_et_y = ω_mt_v und ϑ = ω_m(t_x - t_u) = ω_mt_w. Darin sind P₀ der Schnittpunkt des Nullmeridians mit dem Äquator und
ω_e: Winkelgeschwindigkeit der Tagesdrehung der Erde
ω_m: Winkelgeschwindigkeit der Drehung der lokalen Modellerde
T_e: Dauer eine vollen Tagesumdrehung der Erde
T_m: Dauer einer vollen Umdrehung der Modellerde
t₀: Zeitpunkt der Deckung des Nullmeridians mit einer inertialen (raumfesten) Ebene
t_x: Beliebiger Meßzeitpunkt für Nullmeridian innerhalb eines Tagesumlaufs der Erde
t_y: Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten t_x und t₀
t_z: Ortszeitdifferenz zwischen den Punkten P₀ und P
t_u: Bezugszeitpunkt für die Modelldrehung (Koinzidenz von Abtaster und Nullmarke)
t_v: Zeitdifferenz zwischen Bezugszeitpunkt und Zeitpunkt t₀₀, der markiert wird durch Deckung des Bezugswinkels mit einer beliebigen raumfesten Ebene
t_w: Zeitdifferenz zwischen Bezugszeitpunkt t_x und örtlichem Abtastimpuls t_u, der von einer Bezugsmarke der Scheibe ausgelöst wird, wenn sie den Abtaster passiert

Die Ortung basiert auf dem Grundgedanken, daß das auf den lokalen Abtaster, der dem Nordvektor für die Messung der Länge und dem Lotvektor für die Messung der Breite entsprechen muß, phasen­ synchronisierte und geeichte Drehmodell der Erde gegenüber dem jeweiligen Bezugszeitpunkt t_x, der dem Nullmeridian entspricht, die Länge ϑ bzw. die Breite ϕ eines beliebigen Punktes P liefert. Voraussetzung dafür ist, die Drehbewegung der Erde ϑ phasentreu, aber zeitgerafft in einem gemeinsamen Winkelraum abzubilden und die Bestimmung der Koordinaten des Punktes P ausschließlich durch Zeitmessungen zu ermöglichen, die technisch von allen bekannten Meßverfahren am genauesten möglich sind.

Bild 2 zeigt das Ortungsprinzip zur Bestimmung sowohl der Länge als auch der Breite. Gezeigt ist für die Bestimmung der Länge ein Schnitt durch die Erde in der Äquatorialebene. In der Mitte dieses Schnittes befindet sich die Drehachse. Die Erde dreht sich mit der Winkelgeschwindigkeit ω_e. Bezogen auf einen beliebig wählbaren Bezugszeitpunkt t₀ hat der Schnittpunkt P₀ des Nullmeridians der Erde mit ihrer Äquatorialebene zum Zeitpunkt t_x, der zwischen 0°° und 24°° liegen kann, die skizzierte Stellung mit dem Winkel ϑ₀ = ω_e(t_x - t₀). Der Schnittpunkt des Meridians des Punktes P - dessen Länge noch unbekannt ist - mit der Äquatorialebene hat bezogen auf den Nullmeridian zum Zeitpunkt t_x die noch unbekannte Länge ϑ. Zur Bestimmung der unbekannten Länge kann lokal eine sich mit der Winkelgeschwindigkkeit ω_m drehende Winkelscheibe mit einer Periode von T_m vorgesehen werden, die mit auf dem Umfang gleichmäßig verteilten Winkelmarken versehen ist, eine davon als Nullmarke hervorgehoben. Passiert diese Winkelmarke einen nach dem lokalen Nord ausgerichteten Abtaster zum Zeitpunkt t_u, dann wird ein Impuls geliefert. Die zeitliche Lage dieses Impulses ist in einem Inertialsystem gegenüber einem Bezugsimpuls, der nicht längenabhängig ist, längenabhängig, d. h. sie ändert sich mit der geographischen Länge des Punktes P gegenüber P₀. Hat man nun lokal einen längenunabhängigen Bezugsimpuls, dann bestimmt die Zeitdifferenz zwischen Nord- und Bezugsimpuls in Verbindung mit der Winkel­ geschwindigkeit ω_m die örtliche Länge ϑ = ω_m(t_x - t_u) = ω_mt_w. Diese Länge ist gleich der Länge, die man erhalten würde, wenn man den Punkt P inertial festhalten und warten könnte, bis der Nullmeridian mit der Winkelgeschwindigkeit ω_e nach der Zeit t_z den Meridian des Punktes P erreichen würde. Daher gilt die Beziehung ω_et_z = ω_mt_w.

Die Breite des Punktes P wird nach der gleichen Methode bestimmt wie die Länge, nämlich durch ausschließliche Messung von Zeitdifferenzen. Dazu kann ein Modell der Erde, z. B. eine vertikale Winkelscheibe, verwendet werden, die sich um eine Achse orthogonal zur Achse der Längenwinkelscheibe dreht. Die Zeitdifferenz zwischen einem ortsunabhängigen Bezugsimpuls t_α und dem durch Koinzidenz der Nullmarke der synchronisierten Winkelscheibe und lokalem Lot ausgelöstem Meßimpuls t_β liefert die lokale Breite ω_m(t_α - t_β) = ω_mt_γ. Es ist zweckmäßig, die Bezugsimpulse für Länge und Breite zusammenzufassen und einen für beide Koordinaten gemeinsamen Bezugsimpuls t_x zu verwenden, der auf den bewegten Raumpunkt P₀ bezogen ist, der sich aus dem Schnitt von Nullmeridian und Äquatorkreis ergibt.

Bei der Breitenmessung zeigt sich die Begrenzung der Analogie zwischen wirklicher Erde und Modell. Denn die wirkliche Erde dreht sich ja nicht um eine Achse, die orthogonal zu ihrer wirklichen Drehachse liegt. Bedenkt man allerdings den Neigungswinkel der Erddrehachse gegenüber der Bahnebene und bezieht man die inertiale Betrachtung der Erde darauf, dann kann man einen vom Drehwinkel der Erde abhängigen Abstand eines beliebigen Breitenpunktes von der Bahnebene konstatieren.

Die oben beschriebenen Zeitrelationen sind für die Längenbestimmung in Bild 3 skizziert. Die Impulse der Gruppe A sind die längenunabhängigen Bezugsimpulse, während die Impulse der Gruppe B die jeweiligen Nordimpulse sind, also die Impulse, die sich ergeben, wenn die Nullmarke der rotierenden horizontalen Winkelscheibe periodisch den nach Nord ausgerichteten Abtaster passiert. Die Periode einer Umdrehung der Winkelscheibe ist um den Faktor n kürzer als die Periode einer Umdrehung der Erde. Läßt man die Winkelscheibe z. B. mit 10 Hz rotieren, dann ergibt sich n = 864000. Mit 11,574 Hz ergäbe sich n = 10⁶.

In Bild 3 ist im übrigen angenommen, daß die Zeitinkremente t_xi - t_xj, nach denen jeweils eine neue Messung durchgeführt wird, gleich sind der Periode T_m. Sie könnten aber auch beliebige ganzzahlige Vielfache davon betragen. Bei einer mit 10 Hz rotierenden Winkelscheibe könnte zehn mal pro Sekunde eine neue Ortung durchgeführt werden. Der Zusammenhang zwischen Drehzahl der Winkelscheiben und gewünschter Winkelauflösung der Ortung wird später behandelt.

In Bild 4 sind die Zeit-Phasen-Beziehungen des erfindungsgemäßen Ortungsverfahrens verdeutlicht für einen bestimmten Zeitpunkt t_x. Der notwendige Zeitbedarf T_m für die eigentliche Ortung ist in diesen Bild vernachlässigt. Das Bild zeigt die gegenüber einem beliebig gewählten Zeitpunkt t₀ sich ändernden Längen der Punkte P₀ (Nullmeridian), P₁ und P₂. Das Bild verdeutlicht, daß sich zu einem gemeinsamen Zeitpunkt t_x die Längen aller Punkte durch eine längenspezifische Phase unterscheiden, die es bei einer Ortung zu messen gilt. Für jeden Punkt auf der Erde gilt die Längenfunktion f(t_p) = sin(ω_et + Φ_P). Jedes unbewegliche Obkjekt hat bezogen auf den Nullmeridian zeitunabhängig seine individuelle Länge, d. h. seine Phase Φ_P. Ein bewegliches Objekt ändert dagegen ständig seine Phase (Länge) bezogen auf den Nullmeridian, sofern es sich nicht längs eines Meridians bewegt. Auch seine Winkelgeschwindigkeit ω_i stimmt nicht mit derjenigen der Erde ω_e überein.

Wesentlich für die schnelle Meßbarkeit der Länge ϑ eines Punktes P über eine sehr kurze Zeit t_w ist wie schon erwähnt die phasentreue Zeitraffung der Drehung der Erde um einen großen Faktor n. In Bild 5 ist das Prinzip verdeutlicht. Während sich der Nullmeridian der Erde mit der Winkelgeschwindigkeit ω_e bewegt und bezogen auf t₀ zum Zeitpunkt t_x die Phase ϑ₀ = ω_et_y aufweist, erreicht die mit nω_e drehende Winkelscheibe diesen Winkelwert schon nach der Zeit t_w = t_y/n.

Wie bereits angemerkt gibt es einen wichtigen Zusammenhang zwischen der gewünschten Winkelauflösung und der Erneuerungsrate für die einzelnen Meßwerte. Aus technischen Gründen lassen sich mikroelektronisch derzeit nur begrenzte Taktraten erzielen, z. B. 1 GHz. Sieht man auf dem Umfang einer Winkelscheibe z. B. 10⁶ Winkelmarken vor, dann hat man eine Winkelauflösung von 0,36 . 10^-3 Grad. Dreht sich die Winkelscheibe mit 10 Hz, dann erhält man eine Taktrate von 10 MHz. Bei der angegebenen Winkelauflösung kommt man am Äquator auf eine Auflösung von rund 40 m. Will man diese Auflösung um den Faktor 100 auf 0,4 m steigern, dann erhöht sich der resultierende Takt bereits auf 1 GHz, wenn sich die Scheibe mit 10 Hz dreht. Für feststehende Objekte ist eine Meßwerterneuerungsrate von 10 Hz völlig ausreichend oder sogar zu hoch. Dagegen verändert ein mit Schallgeschwindigkeit fliegendes Objekt seinen Ort in einer zehntel Sekunde bereits um 33 m. Die Auflösung des Ortes im Submeterbereich eines mit Schallgeschwindigkeit und darüber bewegten Objektes ist daher mit den heutigen technischen Mitteln aufwendig, aber nicht unmöglich. Die Mehrzahl der Anwendungen erfordert jedoch keine unüblichen Technologien und Methoden. Außerdem sind sehr hohe Geschwindigkeiten und sehr hohe Auflösungen generell funktionale Gegensätze.

Das hier vorgeschlagene Ortungsverfahren liefert nur genaue Werte, wenn das in Bild 6 verdeutlichte Eichverfahren benutzt wird. Es besteht darin, daß die nach einem Hochlauf der Winkelscheibe beliebige Zeitdifferenz zwischen Bezugsimpuls und Abtastimpuls, die dem Winkelwert ϑ + Φ entspricht - Φ ist ein beliebiger Störwinkel - auf einen Referenzpunkt mit bekanntem Winkelwert eingestellt wird und die Differenz - eben Φ - zwischen diesem Wert und dem tatsächlich gemessenen als ständiger Korrekturwert benutzt wird. Die Einrichtung dazu besteht im Prinzip aus der Steuerung 1, dem programmierbaren Zähler 2, der mit den Bezugsimpulsen a und dem Takt b gespeist wird und eine Verzögerung zwischen 0 und T_m des Bezugsimpulses ermöglicht, dem programmierbarn Zähler 3, der mit den Abtastimpulsen c und dem Takt b gespeist wird und ebenfalls eine Verschiebung der Abtastimpulse zwischen 0 und T_m ermöglicht und schließlich dem Zeitdifferenzmesser 4, der den jeweils gemessenen Wert der Steuerung 1 mitteilt, die daraufhin entweder den Bezugsimpuls oder den Abtastimpuls um den notwendigen Wert verschiebt und so die Eichung herbeiführt. Damit ist die Eichung der beiden Winkelscheiben vollzogen. Sie liefern jetzt exakte Meßimpulse für beliebige Standorte P_i. Die Eichung kann an allen bekannten Punkten vorgenommen werden.

Zur Erzielung höchster Genauigkeiten z. B. im Submeterbereich kann es erforderlich sein, das mit Fehlern behaftete lokale Lot zu korrigieren. Dazu läßt das in Bild 7 skizzierte Verfahren einsetzen. Es macht davon Gebrauch, daß die Verbindungslinie von zwei sich auf der Erde 2 gegenüberliegenden Punkten wesentlich genauer das ideale Lot wiedergeben kann als ein durch örtliche Unregelmäßigkeiten der Massenver­ teilungen in der Erde fehlerbehaftetes reales Lot 1. Ergibt sich zwischen dem realen Lot und dem berechneten idealen Lot ein Winkelfehler δ, so kann man diesen (in einer Ebene) berücksichtigen. Das Verfahren ist in vergleichbarer Weise auch auf die Korrektur des Nordabtasters anwendbar. Es kann außerdem zur Bildung von Spuren eingesetzt werden, z. B. zur Bildung einer genauen lokalen Breitenspur, zu der orthogonal der genaue Nordvektor liegt.

In Bild 8 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahren skizziert, bei der durch Kompensation des Einflusses der Erddrehung auf die Modellerde die Länge als Winkeldifferenz zwischen Nordvektor und Nullmarke der rotierenden Winkelscheibe bestimmt werden kann. Da die inertiale Winkelgeschwindigkeit der Winkelscheibe 2 für feste Objekte gleich ist der Summe von ω_e und ω_m, kann man durch Entfernung der bekannten Winkelgeschwindigkeit ω_e aus dieser Summe den Einfluß der Erddrehung auf die Winkelscheibe 2 eliminieren. Das hat zur Folge, daß die Periode T_m, d. h. die Zeit zwischen zwei Abtastimpulsen ihren ursprünglichen Wert verändert, weil sich der Abtaster gegenüber der Winkelscheibe bewegt. Dies ist das Prinzip des - physikalisch allerdings ganz anders funktionierenden - Faserkreisels oder Ringlasers, wo Licht inertial kreist und die Drehung des Gehäuses mit der Erde gegenüber dem Licht als Winkeländerung gemessen wird, aus der sich durch Integration der gesamte Drehwinkel in einem bestimmten Zeitabschnitt ergibt. Die technische Auswertung ist unter Punkt b verdeutlicht. Die bekannte Periode T_m wird von Funktionsblock 1 geliefert, während Funktionsblock 3 die geänderte Periode T_m'* liefert. Der Funktionsblock 3 bildet die Differenz Δt dieser beiden Perioden und der Funktionsblock 4 integriert diese Zeitelemente. Multipliziert man dieses Integral mit ω_e, dann erhält man die in diesem Zeitabschnitt vom Abtaster zurückgelegte Längendifferenz. Hat man eine Winkelscheibe mit 106 Winkelmarken, dann beträgt die mögliche Auflösung rund 10^-3 Grad. Auf mikroelektronischem Wege läßt sie sich noch um weitere 2-3 Größenordnungen steigern. Die analog arbeitenden und von Umwelt und Materialeinflüssen stark beeinflußten und driftbehafteten Ringlaser oder Faserkreisel können solche Werte technisch nicht erreichen, ganz abgesehen von viel höheren Aufwand.

In Bild 9 sind einige Prinzipien der technischen Nutzung des hier vorgeschlagenen Verfahrens aufgeführt. Ziel jeder Realisierung eines Sensors ist heute aus Funktions- und Kostengründen die Ausführung in Digitaltechnik und Mikroelektronik. Die bisher erörterte mechanische Winkelscheibe dient lediglich der Verdeutlichung des vorgeschlagenen Verfahrens. Auch die elektronischen Verfahren, bei denen das Gehäuse erdebezogen feststeht und ein Signal umläuft - dazu gehören auch die erwähnten Ringlaser und Faserkreisel - haben wegen ihrer hohen Kosten und ihrer Drift nur spezielle Einsatzchancen. Chancen für den Masseneinsatz des hier beschriebenen Verfahrens haben dagegen nur mikro elektronische Lösungen, von denen es etliche gibt. Zwei davon sind im nächsten Abschnitt erläutert

Bild 10 zeigt zwei einfache Beispiele für die Umsetzung des vorgestellten Verfahrens in digitaler Festkörpertechnik. In Lösung a sind 5 der Taktgeber - je nach gewünschter Auflösung bis 1 GHz - 1 die Eichimpulse, 2 die Datenbank mit numerisch gespeicherten Winkelwerten zwischen 0 und 2π, 4 der Abtaster mit den Referenzwinkel, vorzugsweise null Grad, und 3 ein schneller Vergleicher, z. B. eine UND-Schaltung, die bei Identität der beiden digitalen Signale aus Abtaster und den mit der Taktrate aufeinanderfolgenden Tabellenwinkeln den Abtastimpuls 7 abgibt. Die mit der Taktrate ausgelesenen Tabellenwinkel entsprechen bei entsprechender Auslegung der digitalen Mikroelektronik exakt denen einer rotierenden Winkelscheibe. In Bild b ist eine etwas einfachere Variante von a skizziert. Der Speicher 2 für die Winkelwerte ist ersetzt durch einen programmierbaren Binärzähler 6 - rund 20 Stellen für eine Auflösung von 10^-3 Grad - dessen jeweiliger Stand auf den Vergleicher 3 geschaltet ist. Mit Eichsignalen 1 lassen sich sowohl die Tabellenwinkel als auch der Binärzähler auf die jeweils korrekten Werte einstellen.

In Bild 11 ist ein Blockschaltbild zur allgemeinen Verfahrensrealisierung skizziert. Man benötigt immer den Sensor mit Abtaster 1, den Taktgeber 4, das Bediengerät 3, das Steuer- und Meßgerät 2 (das auch alle notwendigen zeitabhängigen Daten zur Erde enthält), die Bezugssignalaufbereitung 5 und die Anzeige 6.

Mit einem geeigneten Lotsensor 1 kann auch ein PC/Server für die Ortung eingesetzt werden, vor allem, wenn es sich um nicht bewegte Ortungsobjekte handelt und daher Offline-Messungen möglich sind. Das ist in Bild 12 skizziert. Der Funktionsblock 1 ist der Lotsensor, 2 ist der Computer, 3 das Display mit Bedienteil und 4 der externe Präzisions-Taktgeber.

Das vorgeschlagene Verfahren bietet sich im übrigen auch zur Nachrüstung eingeführter Kreiselsysteme an. So können Nord- und Lotkreisel für die vollständige Ortung nachgerüstet werden und auch Plattformen zur Trägheitsnavigation eignen sich für die Nachrüstung, um ihre inhärente Drift kompensieren zu können.

Claims (28)

1. Verfahren zur globalen Präzisions-Eigenortung mittels des lokalen Lotvektors, dadurch gekennzeichnet, daß die tägliche Drehbewegung der realen Erde mit der Winkelgeschwindigkeit ω_e und der Winkelperiode 2π = ω_eT_e sowie dem momentanen Drehwinkel ϑ₀ = ω_e(t_x - t₀) ihres Nullmeridians, bezogen auf eine beliebige inertiale Meridianebene zum Zeitpunkt t₀, nachgebildet wird am unbekannten Standort P durch eine beliebig kleine Modellerde, die inertial betrachtbar ist und die sich um die lokale Lotachse stark zeitgerafft dreht mit der Winkelgeschwindigkeit ω_m = nω_e und der Winkelperiode 2π = ω_mT_m und deren Drehbewegung mittels eines Eichverfahrens, das einen Referenzpunkt P_R mit bekannter geographischer Länge benutzt, phasensynchronisiert ist auf den lokalen Nordvektor des Punktes P und daß die inertial längen-abhängige Phase dieser Drehbewegung gegenüber einem entsprechend ausgewählten längen­ unabhängigen Bezugszeitsignal der geographischen Länge des Punktes P entspricht wegen der Gleichheit der zugehörigen Winkel ϑ_e = ω_et_z und ϑ_m = ω_mt_w, und daß eine wiederum inertial betrachtbare zweite lokale Modellerde sich ebenfall mit ω_m um eine Achse dreht, die senkrecht zur lokalen Meridianebene liegt und auf das lokale Lot ebenfalls mittels eines Eichverfahrens, das einen Referenzpunkt P_R mit bekannter geographischer Breite benutzt, phasensynchronisiert wird und daß die inertial breiten-abhängige Phase dieser Drehbewegung gegenüber einem entsprechend ausgewählten breiten-unabhängigen Bezugssignal t_α der geographischen Breite entspricht wegen der Gleichheit der zugehörigen Winkel ϕ_e = ω_et_η (fiktiv) und ϕ_m = ω_mt_γ.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Modellerden durch zwei zueinander orthogonale rotierende Kreisscheiben dargestellt werden, von denen sich die eine innerhalb der lokalen Meridianebene und die sich andere innerhalb der lokalen Horizontalebene dreht, und auf deren Umfang abtastbare Winkelmarken in gleichmäßigen Abständen der gewünschten Größe, beispielsweise Bogensekunden, aufgebracht sind, von denen eine als Nullmarke besonders hervorgehoben ist.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eichung der Winkelscheiben digital mittels eines Referenzpunktes P_R mit bekannten Koordinaten erfolgt, indem die gemessene Winkeldifferenz zwischen Bezugs- und Meßimpuls digital in an sich bekannter Weise, z. B. mit programmierbaren Zählern, auf die richtige Winkeldifferenz eingestellt wird.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß daß der Faktor n je nach gewünschter Winkelauflösung für feststehende und bewegliche Objekte bis 10⁹ und mehr betragen kann.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasensynchronisierung der horizontalen Längenwinkelscheibe so erfolgt, daß zwischen zwei Koinzidenzinpulsen, die jeweils entstehen, wenn die hervorgehobene Nullmarke der Winkelscheibe auf den Nordvektor-Abtaster trifft, exakt die Zeit T_m = T_e/n vergeht und das Eichverfahren nach Anspruch 3 benutzt wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Phasensynchronisierung der vertikalen Breitenwinkelscheibe so erfolgt, daß zwischen zwei benachbarten Koinzidenzimpulsen, die jedesmal entstehen, wenn die hervorgehobene Nullmarke der Winkelscheibe auf den Lotvektor-Abtaster trifft, exakt die Zeit T_m = T_e/n vergeht und das Eichverfahren nach Anspruch 3 benutzt wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Bezugsimpulsen der Periodendauer T_m einer Winkelscheibendrehung oder einem ganzzahligen Vielfachen davon gleich ist.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß reale Erde und Modellerden im Winkelraum deckungsgleich gemacht werden durch Festlegung von Winkelgeschwindigkeit und Periodendauer nach der Gleichung ω_eT_e = ω_mT_m = 2π.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Präzision des Taktgebers der gewünschten Auflösung und dem gewünschten Fehlerbereich des Ortungsverfahrens angepaßt wird.

10. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitpunkt t₀ derjenige gewählt wird, an dem Nullmeridian und Ortsmittag an einem Punkt der Tag- und Nachtgleiche (Frühlings- oder Herbstpunkt) koinzidieren.

11. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitpunkte t_xi und t_{α i} gleich sind, die Bezugszeitpunkte für die Längen- und die Breiten­ messungen daher identisch sind.

12. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitpunkt t₀ die Koinzidenz von Nullmeridianebene und der Ebene gebildet wird, die auf der Bahnebene senkrecht steht und innerhalb der die Erdachse liegt.

13. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierenden Winkelscheiben unbeweglicher Objekte durch Kompensation der bekannten Winkelgeschwindigkeit der Erde raumfest (inertial) betrieben werden.

14. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelscheiben durch Schrittschaltmotoren angetrieben werden.

15. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmarken auf den Winkelscheiben Reflektoren sind, die mit Laserstrahlen abgetastet werden.

16. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmarken der Winkelscheiben kodiert sind und damit bei der Abtastung die jeweilige Winkelstellung jeder Scheibe in Bezug auf den radial wirkenden Abtaster angeben.

17. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodebits der kodierten Winkelmarken parallel angeordnet und abgetastet werden und vorzugsweise so kodiert sind, daß sich beim Übergang von einem beliebigen Winkel zum Nachbarwinkel nur ein Kodebit ändert (z. B. beim Gray-Kode)

18. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Lot- bzw. Nordkorrekturen durch rechnerische Verschiebung des Bezugszeitpunktes um T_e/2 erzielt werden und daß die beiden Geraden, welche den jeweiligen Abtaster mit dem gegenüber liegenden Punkt der Winkelscheibe bzw. mit dem Referenzpunkt zum Zeitpunkt t_e + T_e/2 verbinden, bei Abweichung von der Parallelität dieser beiden Geraden als Fehlwinkel die Winkeldifferenz δ liefern, die als Korrekturwinkel für das aktuelle Lot bzw. Nord rechnerisch berücksichtigt wird.

19. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lotkorrektur eine zweite Winkelscheibe verwendet wird, deren Drehachse orthogonal zur Drehachse der ersten vertikalen Winkelscheibe liegt, so daß diese Winkelscheibe in Ost-/Westrichtung ausgerichtet ist.

20. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Nordvektor als horizontale Orthogonale auf die lokal ermittelte Breitenspur bestimmt wird

21. Verfahren nach Ansprüchen 1-20 dadurch gekennzeichnet, daß bei bewegten Objekten die zeitlich aufeinanderfolgenden Ortungspunkte in einer Bewegungsspur zusammengefaßt werden.

22. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen der mechanisch rotierenden Winkelscheiben durch digitale Baugruppen in Festkörpertechnik (Mikroelektronik) erzielt werden.

23. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß Korrekturen von Lotabweichungen infolge der Abweichungen des Erde-Geoids von der Kugelform rechnerisch mittels des Datenbestandes einer lokalen Datenbank erfolgen.

24. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuellen Werte der Drehrate der Erde und ihrer Periodenzeit T_e einer lokalen Datenbank entnehmbar sind.

25. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortung mittels eines entsprechenden Programms mit einem Computer in Verbindung mit einem Lotsensor erfolgt.

26. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß als lokales Lot ein kardanisch aufgehängter Lotkreisel benutzt wird.

27. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß Nordkreisel mit Winkelmarken und zugehörigen Abtasteinrichtungen versehen werden.

28. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einer inertialen Plattform für die Trägheitsnavigation zu deren Driftkompensation installiert ist.