DE2230630B1

DE2230630B1 - Funknavigationssystem zur Elevations messung nach dem Phasendifferenzverfahren

Info

Publication number: DE2230630B1
Application number: DE19722230630D
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Math. 7251 Heimerdingen Kohler
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1972-06-22
Filing date: 1972-06-22
Publication date: 1973-11-08
Also published as: ES416187A1; GB1428682A; AU5723373A; JPS4958796A; FR2189747A1; CA1001742A; JPS5234358B2; FR2189747B3; IT989186B

Description

Bei der Erfindung werden Strahlergruppen verwendet, deren Strahler nicht gleichzeitig, sondern nacheinander strahlen. In der Bordstation werden trotzdem die Werte ermittelt, die auftreten würden, wenn die Strahler gleichzeitig strahlen würden.

Nach dieser Vorbetrachtung wird nun das System nach dem älteren Patent 2 103 580 beschrieben, soweit es bei der Erfindung verwendet wird.

Die nicht gezeigte Bodenstation ist am Ende oder neben der Rollbahn angeordnet. Zu ihr gehört eine vertikale Antennenreihe mit 40 gleichen Strahlern, die zueinander parallel ausgerichtet sind. Der Abstand der als Dipole gezeichneten Strahler ist gleich der halben Betriebswellenlänge 1 Die Strahler werden der Reihe nach an einen Sender angeschaltet und strahlen Impulse ab, die eine HF-Schwingung enthalten, deren Amplitude und Phase für alle Strahler gleich ist. Vor jedem Abstrahlzyklus wird über den ersten Strahler eine Impulsgruppe abgestrahlt.

Im Empfänger werden die Impulse im Takt der Anschaltung der Strahler der Antennenreihe verarbeitet. Beim Auftreten der Impulsgruppe wird festgestellt, daß nun der Impuls vom ersten Strahler folgt, so daß sich eine eindeutige Zuordnung der empfangenen Impulse zu den Strahlern ergibt. Wählt man den vom ersten Strahler empfangenen Impuls als Bezugsimpuls, dann können mit einer im Empfänger vorhandenen Meßeinrichtung die Phasen der von allen Strahlern empfangenen Impulse gegenüber der Phase des Bezugsimpulses gemessen werden. Ebenso können die Amplituden der empfangenen Impulse, bezogen auf die Amplitude des Bezugsimpulses, gemessen werden. Zur Vereinfachung wird für die folgende Erläuterung angenommen, daß — was in Wirklichkeit nicht zutrifft — keine Störungen vorliegen. Dann nehmen die Amplituden alle den Wert der Amplitude des ersten Impulses an. Für die Erläuterung wird angenommen, daß dieser Wert 1 ist.

Da man jeden Impuls eindeutig einem Strahler zuordnen kann, erhält man so für jeden Impuls im Empfänger ein Zahlenpaar, bestehend aus Betrag (Amplitude) und Phase. Jedes Zahlenpaar stellt eine komplexe Zahl Z bzw. einen Zeiger dar. Da der vom ersten Strahler kommende Impuls der Bezugsimpuls ist, hat das zugehörige Zahlenpaar immer die Phase 0 für alle Empfängerpositionen. Die Phasen der Zahlenpaare für die Impulse von den anderen Strahlern hängen von der Empfängerposition ab.

Die auf diese Weise gewonnenen Zahlenpaare werden in einem Speicher in der Bordstation gespeichert.

Aus den von den 40 Strahlern gewonnenen Zeigern werden nun im Empfänger zwei Gruppen gebildet; beispielsweise bilden die Zeiger der Strahler 1 bis 20 die eine Gruppe und die Strahler 21 bis 40 die andere Gruppe. Die Gruppen können sich jedoch auch überlappen. Die Zeiger jeder Gruppe werden nach Betrag und Phase verändert, und es wird dann für jede Gruppe die Vektorsumme der veränderten Zeiger gebildet. Die Änderung der Zeiger nach Betrag und Phase erfolgt dabei genauso, wie man die Strahler speisen müßte, um das DiagrammB der Fig. 1 zu erhalten. Der Betrag der Summe ist gleich der Feldstärke, die ein Empfänger bei dem Gruppendiagramm nach Fig. 1 feststellen würde, vorausgesetzt, der Empfänger befindet sich in der gleichen Elevation. Die Phase der Vektorsumme ist ebenfalls gleich der Phase der Feldstärke, die ein Empfänger bei dem Gruppendiagramm nach Fig. 1 feststellen würde. Es wird also auf diese Weise in der Bordstation die gleiche Feldstärke nach Betrag und Phase ermittelt, wie wenn ein Gruppendiagramm vorhanden wäre.

Würde man für jede Elevation Φ durch vektorielle Addition der Zeiger eine Zeigersumme S bestimmen, so würden die Beträge der Zeigersummen für alle Winkel Φ aufgetragen über Φ eine Kurve ergeben, die virtuelles Diagramm genannt werden soll. Die Bezeichnung »virtuell« bringt zum Ausdruck, daß dieses Diagramm im Raum real nicht vorhanden ist. Es ist aber identisch mit dem in Fig. 1, KurveB,gezeigten realen Gruppendiagramm.

Die Beträge der Zeigersummen sind bei beiden Gruppen bei gleicher Elevation gleich groß. Die Zeigersummen beider Gruppen unterscheiden sich jedoch in der Phase. Die Phasendifferenz ist ein Maß für die Elevation. Sie läßt sich aus der Gleichung

p_F -P₀ = 2π -20 ■-■ sin Φ

berechnen, worin P₀ die Phase der Vektorsumme aus den Zeigern der von den Strahlern 1 bis 20 gewonnenen Impulse (Gruppe 0) und Pp die Phase der Vektorsumme aus den Zeigern der von den Strahlern 21 bis 40 gewonnenen Impulse (Gruppe F) ist. Da die Strahlungsschwerpunkte der Gruppen 0 und F einen Abstand von 20 d — 1OA haben, ist die Phasendifferenz mehrdeutig; das bedeutet, daß ζ. Β. ein ermittelter Wert von P_F - P₀ = 30° in Wirklichkeit auch 30 + 360° oder 30 + 720° usw. sein kann.

Um die Phasendifferenz eindeutig zu machen, werden zwei Hilfswerte ermittelt. Zur Ermittlung des ersten Hilfswerts bildet man eine dritte Gruppe G aus den Zeigern der vom 2. bis 21. Strahler empfangenen Impulse. Es wird die Vektorsumme der nach demselben Gesetz wie oben veränderten 20 Zeiger gebildet und deren Phase P_G bestimmt. Der Abstand des Strahlungsschwerpunkts der Gruppe G von dem

der Gruppe 0 ist ti = ^ ·

Der erste Hilfswert ergibt sich dann aus der Gleichung

P_G-Po = 2^sin0. (2)

Diese Gleichung ist eindeutig, da P₀ — P₀ im ganzen Elevationsbereich (Φ zwischen 0 und 90°) zwischen 0 und 180° liegt. Ist die Phasendifferenz negativ, dann wird der Wert durch Addition von 360° berichtigt.

Zur Ermittlung des zweiten Hilfswerts bildet man eine weitere Gruppe Z aus den Zeigern der vom 5. bis

24. Strahler empfangenen Impulse. Es wird wieder die Vektorsumme dieser nach demselben Gesetz wie oben veränderten 20 Zeiger gebildet und deren Phase P₂ bestimmt. Der Abstand des Strahlungsschwerpunkts der Gruppe Z von dem der Gruppe 0 ist 4 d = 21 Der zweite Hilfswert ergibt sich dann aus der Gleichung

Der mit der Gleichung 1 ermittelte Wert ist um den Faktor 20 genauer als der mit der Gleichung 2 ermittelte Wert. Dieser Faktor 20 ist zu groß, um in einem einzigen Schritt die Mehrdeutigkeit der

Phasenmessung P_F — P₀ aufzulösen, weil durch Mehrwegausbreitung die mit Hilfe der Gleichungen 1 und 2 ermittelten Werte verfälscht sein können. Daher ist der zweite Hilfswert erforderlich.

Zwischen den mit Hilfe der Gleichungen 1 bis 3 ermittelten Phasendifferenzen besteht also folgender Zusammenhang:

P₂-P₀ = 4(P₀-P₀),
P_F — P₀ = 5 (P₂ — P₀).

Diese beiden Gleichungen werden zur Ermittlung des eindeutigen genauen Elevationswertes verwendet.

Nach Einsetzen der aus den gemessenen Zeigern errechneten Phasendifferenzen P₀ — P₀ und P₂ — P₀ in die Gleichung 4 wird der Wert von P₂ — P₀ so oft um 360° vergrößert, bis die Gleichung möglichst gut erfüllt ist. Der so erhaltene Wert von P₂ — P₀ wird ebenfalls wie der aus den gemessenen Zeigern errechnete Wert von P_F — P₀ in die Gleichung 5 eingesetzt. Dann wird der Wert von P_F — P₀ so oft um 360° vergrößert, bis die Gleichung 5 möglichst gut erfüllt ist. Mit dem so erhaltenen Wert von P_F — P₀ wird mit Hilfe der Gleichung 1 die Elevation Φ berechnet.

Es wird nun das Blockschaltbild des Empfängers nach Fig. 3 beschrieben. Die HF-Impulse werden von einer Antenne 3 aufgenommen und gelangen von dort über eine abstimmbare Vorstufe 4 zur Mischstufe 5, an deren anderem Eingang eine HF-Schwingung von einem Oszillator 6 liegt. Dem Ausgang der Mischstufe 5 ist ein erster ZF-Teil 7 nachgeschaltet. Hinter dem ersten ZF-Teil liegt ein Umschalter 8, der in der gezeichneten Stellung den ersten ZF-Teil 7 mit einem Oszillator 10 verbindet. Befindet sich der Umschalter8 in der anderen Stellung, dann ist der erste ZF-Teil 7 mit einem zweiten ZF-Teil 9 verbunden, an dessen Ausgang eine Phasenmeßeinrichtung 11 und eine Amplitudenmeßeinrichtung 12 angeschlossen sind. Der Ausgang des Oszillators 10 ist mit den zweiten Eingängen der Phasenmeßeinrichtung 11 und der Amplitudenmeßeinrichtung 12 verbunden. Die Ausgänge der Meßeinrichtungen 11 und 12 führen zu einem Rechner 13, an dessen Ausgang eine Anzeigeeinrichtung 14 für die Elevation liegt. Am Ausgang des ersten ZF-Teils 7 ist auch eine Einrichtung 15 zur Erkennung der Impulsgruppe, zur Betätigung des Umschalters 8 und zur Steuerung des Rechners 13 angeschlossen. Erkennt die Einrichtung 15 die Impulsgruppe, dann gibt sie ein Signal an den Rechner 13 und bringt den Umschalter 8 in die gezeichnete Stel-

lung, so daß der dann folgende Impuls vom ersten Strahler auf den hochgenauen Oszillator 10 gelangt und diesen bezüglich Amplitude und Phase synchronisiert.
Nach dem ersten Impuls gelangt der Umschalter 8

in die nicht gezeichnete Stellung, so daß die folgenden Impulse über den zweiten ZF-Teil 9 auf die Meßeinrichtungen 11 und 12 gelangen. Die Phase und die Amplitude des Ausgangssignals des Oszillators 10 sind die Meßgrößen des ersten Impulses und sie dienen

als Bezugsgrößen für die Messung der Phasen und der Amplituden der Impulse vom zweiten bis n-ten Strahler. Die Phasen- und die Amplitudenmeßeinrichtungen sind bekannt und werden daher nicht näher erläutert.

' Der Phasenwert Φ_ν und der Amplitudenwert A_v(v = 1... n) werden im Speicher des Rechners oder in einem getrennten Speicher am Speicherplatz ν abgespeichert. Die Einspeicherung wird von einem nicht gezeigten Zähler gesteuert, der mit dem gleichen

Takt wie die Anschaltung der Strahler der Antennenzeile weitergeschaltet und der beim Auftreten der Impulsgruppe in die Anfangslage gebracht wird.
Die Amplitudenwerte A_v und die Phasenwerte Φ_ν

- bestimmen die Zeiger Z_v nach der Gleichung

35 Z_v = Α_ν·εχ.ρ{ΐΦ_ν).

Hierbei ist i² = —l. Die Zeiger werden in einem Zwischenspeicher abgespeichert.

Die Zeiger werden nun gruppenweise geändert und zu Vektorsummen addiert entsprechend den folgenden Gleichungen:

V₀ =

+ _v exp (- ia_v) + Z₁₁ _ _v exp (ία_ν)] = A₀ exp (1P₀),

V₀ = Y~ ^^Z" + ν ^exP (- ^ictv) + ^zi2 - ν exp {iajß = A₀ exp (iP₀),

v=l

V₇ =

■ [Z₁₄ + _v exp (- ia_v) + Z₁₅ _ „ exp (ία_ν)] = A₂ exp (iP_z),

■ LZ₃₀ + ν exp (- ia_v) + Z₃₁ _ _v exp (ia_v)] = A_F exp (iP_F).

Dabei ist A die Amplitude und P die Phase der beschrieben, die Phasendifferenzen bestimmt und

jeweiligen Vektorsumme V. daraus nach der Gleichung 1 die Elevation Φ berech-

Für geradzahlige Werte von ν ist a_v = 135°·, und für 65 net.

ungeradzahlige Werte von ν ist a_v = 45°. Die Beträge aller vier Vektorsummen sind gleich,

Aus den Gruppenphasen P₀, P₀, P₂ und P_F werden also

nun mit Hilfe der Gleichungen 4 und 5, wie oben S = |F₀| = \V_G\ = \V_Z\ = \V_F\.

Traut man die Beträge für alle Lmpfängerpositioncn auf. dann erhält man da.s virtuelle Diagramm Kurve B in F i g. 1. Die Idealkurve A ist sehr gut angenähert. Die Bodeneinflüsse sind durch die gute Annäherung an S = O im Bereich zwischen Φ = —8 und Φ = — 60 nahezu völlig eliminiert. Eine genaue Fehlerrechnung zeigt, daß der durch den Boden verursachte Meßfehler kleiner als ±0.Γ ist für 2.5' g Φ ^ 60' und zwar bei beliebiger Aufstellungshöhe der Reihe. Dabei ist ebener, horizontaler, homogener Boden angenommen mit ,· >■ = 15. Es ist vertikale Polarisation angenommen.

1st es erwünscht, im Bereich unter 2,5^C gleiche oder höhere Genauigkeit zu haben, so verwendet man ein Diagramm nach F i g. 2. Es ist ein Einkeulendiagramm, dessen Hauptstrahlrichtung einen Winkel von 6^C mit der Horizontalen bildet. Dieses Diagramm würde als Gruppendiagramm entstehen, wenn 20 nebcneinanderliegende Strahler der 40 Strahler der Bodenstation gleichzeitig strahlen würden, wobei der erste Strahler mit einer Phase <; = — l^c) und die folgenden Strahler mit einem ihrer Ordnungszahl (innerhalb der Gruppe) entsprechenden Vielfachen des Winkels α(2a. 3d ... 20«) und geeigneten Amplituden gespeist wurden.

Da die Strahler der Bodenstation nicht gleichzeitig

ic strahlen, ist kein Gruppendiagramm vorhanden, und man bildet wieder im Empfänger die dem Flugzeugstandort entsprechende Feldstärke des Gruppendiagramms nach.
Abgesehen von der Diagrammform ist der Rechengang derselbe wie für die oben beschriebene Elevationsbestimmung. Es werden zuerst die folgenden Vektorsummen ermittelt:

-Q r / 3 \ 4--rl V₀= j 1 -0.5 cos ί 1 ^-1 —- Z_v exp (ίνα) = A[, exp(iP_c',).

V₁;

5 cos l··-^- ^₁ exp Ι/να) = A_Gexp(iP£)

_G= __ 1 -0.5
,._i L

V_z = j 1—0.5 cos (v — ~j —— Ζ,.^.4 exp (ίνα) = Α_χ exp (\P_Z

(8)

20 ρ / 1 \ 4ΓΤ"¹

V_F= > 1—0,5cosfi —j -^-1 Z_v, ₂₀ exp |/ι·α) = A'_F exp (i Pp).

Die Beträge Aq. A'_g. A'_z und A'_F der Vektorsummen sind gleich und ergeben, für alle Empfängerpositionen berechnet, das virtuelle Diagramm der Fig. 2.

Aus den Phasen Pq. Pq. P'_z und P_F wird, wie oben beschrieben, wieder mit Hilfe der Gleichungen 4, 5 und 1 die Elevation ermittelt.

Mit diesem Verfahren erhält man bei Aufstellungshöhen der Antennenreihe zwischen /. und 20/. bei Elevationen ab 1.6 einen Systemfehler von :r0.05\ Der Bordempfänger wird zweckmäßig so ausgelegt, daß er etwa bei 6^C Elevation von der einen auf die andere Betriebsart umschaltet bzw. umsekehrt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309545/332

COPY

Claims

Patentansprüche:

1. Funknavigationssystem zur Elevationsmessung -nach dem Phasendifferenzverfahren, bei dem in der Bodenstation π gleiche und im gleichen Abstand zueinander angeordnete Strahler einer Antennenreihe zyklisch nacheinander HF-Impulse abstrahlen und vor jedem Abstrahlzyklus eine Impulsgruppe abgestrahlt wird und bei dem in der Bordstation für jeden Impuls von einem Strahler die Phase der HF-Schwingung, bezogen auf einen der Impulse, gemessen und gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bordstation (3 bis 15) zusätzlich die Amplitude der HF-Schwingung gemessen und gespeichert wird, daß die zusammengehörigen Phasen- und Amplitudenmeßwerte von von jeweils nebeneinanderliegenden Strahlern empfangenen Impulsen, die eine Gruppe bilden, verändert werden und gruppenweise die Vektorsumme der veränderten Impulse gebildet wird und daß aus der Phasendifferenz von mindestens zwei Vektorsummen die Elevation ermittelt wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Meßwerte der Impulse so erfolgt, daß der Betrag der Vektorsumme gleich der Feldstärke ist, die am Ort des Empfängers von einem Gruppendiagramm, dessen Feldstärke für alle Elevationswinkel annähernd gleich ist, empfangen würde.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Meßwerte der Impulse so erfolgt, daß der Betrag der Vektorsumme gleich der Feldstärke ist, die am Ort des Empfängers von einem Gruppendiagramm mit angehobener Hauptkeule empfangen würde.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vier Impulsgruppen gebildet werden, wobei zur Messung einer noch nicht eindeutigen Phasendifferenz die zwei Gruppen verwendet werden, deren Strahlungsschwerpunkte am weitesten auseinanderliegen, und daß zur Eindeutigkeitsbestimmung die"PHa-" sendifferenz zwischen der ersten und zwei weiteren Gruppen, deren Strahlungsschwerpunkte in der Nähe des Strahlungsschwerpunktes der ersten Gruppe liegen, verwendet werden.

Stand der Technik

Es ist eine große Anzahl von Systemen zur Elevationsmessung, die nach dem Phasendifferenzverfahren arbeiten, bekannt. Bei diesen wird im allgemeinen mit zwei bzw. drei Strahlern gearbeitet. Diese Systeme sind nicht sehr genau und anfällig gegen Störungen durch Mehrwegausbreitungen. Sie eignen sich daher nicht für Landungen nach Kategorie II und III gemäß ICAO.

Aufgabe

Mit der Erfindung wird ein neues System zur Messung der Elevation angegeben, bei dem die im älteren Patent 2 103 580 vorgeschlagene Bodenstation und ein Teil der dort vorgeschlagenen Bordstation verwendet wird, nämlich die Einrichtung zur Messung der Phase jedes empfangenen HF-Impulses. Ausgehend von diesem älteren Vorschlag besteht die Aufgabe darin, aus den Phasenmeßwerten und den zugehörigen Amplitudenmeßwerten sogenannte virtuelle Diagramme mit einer Diagrammform zu bilden, die eine möglichst genaue Messung der Elevation auch bei sehr kleinen Winkeln ermöglichen.

Lösung

Diese Aufgabe wird, wie im Anspruch 1 angegeben, gelöst. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein Diagramm verwendet, das für alle Elevationen die gleiche Feldstärke aufweist. Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird ein leicht angehobenes Einkeulendiagramm verwendet.

Es wird noch erwähnt, daß in der älteren Anmeldung P 22 03 442.0-35 ein Funknavigationssystem mit zyklischer Impulsabstrahlung zur Bestimmung von Azimut oder Elevation, das das Strahlschwenkverfahren nachbildet, vorgeschlagen wurde, bei dem ebenfalls außer den Phasen die Amplituden der empfangenen Einzelimpulse gemessen werden.

Vorteile

Das System ermöglicht eine fehlerfreie Messung der Elevation, auch bei schwierigen Geländeverhältnissen in der Umgebung der Landebahn und bei extrem schlechten Sichtverhältnissen sowie die Wahl zweier verschiedener Diagramme, abhängig von gewünschter Genauigkeit und gewünschter Elevation.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes reales Gruppendiagramm einer Antennenreihe mit 20 Strahlern bzw. das entsprechende virtuelle Diagramm, das beispielsweise zur Messung von Elevationen größer als 2° verwendet wird,

F i g. 2 ein zweites reales Gruppendiagramm einer Antennenreihe mit 20 Strahlern bzw. das entsprechende virtuelle Diagramm, das beispielsweise zur Messung von Elevationen gleich oder kleiner als 6° verwendet wird,

F i g. 3 ein Blockschaltbild eines Bordempfängers.

Wie in der Einleitung erwähnt, wird die Elevation mit Hilfe des Phasendifferenzverfahrens (Phaseninterferometer) gemessen. Verwendet man nur zwei übereinander angeordnete Strahler, dann entstehen durch die Anstrahlung des Bodens große Meßfehler. Um diese zu vermeiden, verwendet man statt der beiden einzelnen Antennen zwei gleiche Strahlergruppen; jede Strahlergruppe erzeugt ein stark gebündeltes Diagramm, im folgenden Gruppendiagramm genannt.

Eines dieser beiden gleichen Gruppendiagramme, das für die Messung von Elevationen über 2° besonders günstig wäre, ist in F i g. 1 gestrichelt gezeichnet und mit A bezeichnet. Mit Hilfe einer Antennenreihe aus 20 Strahlern mit einem gegenseitigen Strahlerabstand

von d = j und geeigneter Speisung der einzelnen

Strahler nach Amplitude und Phase erhält man ein Gruppendiagramm gemäß KurveB in Fig. 1, das dem Idealdiagramm A ganz nahe kommt. Aus den Gruppendiagrammen zweier solcher Antennenreihen könnte man durch Messung ihres Phasenunterschiedes in einer Bordstation die Elevation bestimmen.