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Doppler-Grossbasis -Funknavigations anlage
Die Erfindung bezieht sich auf eine Doppler-Grossbasis-Funknavigationsanlage, bei welcher mit Hil- fe des Dopplereffektes, der entweder durch die Art des Empfanges einfallender elektromagnetischer Wel- len ohne Richtungsmodulation, die von einem Sender ausgestrahlt werden, hervorgerufen wird (Peiler), oder der bei der Ausstrahlung von Wellen diesen bereits als eine Frequenzmodulation als das die Richtungs-
Information enthaltende Kriterium aufgedrückt wird (Funkfeuer). Die Auswertung erfolgt jeweils durch Phasenvergleich der aus der Frequenzmodulation hergeleiteten Hüllkurve in bekannter Weise mit einer
Bezugsfrequenz, die im Falle eines Peilers örtlich erzeugt, im Falle eines Funkfeuers von diesem als Modulation eines Trägers ausgestrahlt wird, mittels eines Spezialempfängers.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Anlage zur sende- oder empfangsseitigen Richtungsbestimmung unter Ausnutzung des Doppler-Effektes und unter Verwendung eines Grossbasis-Antennensystems mit einer Anzahl von auf der Peripherie eines Kreises angeordneten Antennen, die mittels einer Schalteinrichtung in zyklischer Reihenfolge im Falle eines Funkfeuers mit Energie gespeist, im Falle eines Peilers in derselben Weise an den Eingang eines Spezialempfängers angeschaltet werden.
Bekanntlich sind Grossbasissysteme mit einem Durchmesser von 2 bis 3 Wellenlängen des Antennensystems praktisch weitgehend unabhängig von der Beschaffenheit des Aufstellungsortes und liefern im Gegensatz zu Grossbasis-Adcock-Anlagen eindeutige Ergebnisse der Richtungsbestimmung.
Durch die zyklische Anschaltung eines Kreisantennensystems, die vorzugsweise mit quasi stetigem Übergang von Antenne zu Antenne vorgenommen wird, wird eine Bewegung einer Einzelantenne mit gleichförmiger Geschwindigkeit auf der Kreisbahn nachgeahmt. Die Frequenz der Anschaltung, die die Bewegung einer Einzelantenne auf der Kreisbahn simuliert, kann auch mit"Rotationsfrequenz"bezeichnet werden. Im Falle eines Funkfeuers erscheint also in einem Aufpunkt im Fernfeld des Funkfeuers die Hochfrequenzenergie nach Massgabe der Rotationsfrequenz annähernd sinusförmig frequenzmoduliert. Im Falle eines Peilers wird die einfallende, hinsichtlich der Richtung unmodulierte Welle erst durch die scheinbare Rotation einer Einzelantenne auf einem Kreise frequenzmoduliert.
Man kann in vie1enFällen Prinzipien der Richtungsfindung sinngemäss in gleicher Weise sowohl auf Funkfeuer als auch auf Peiler anwenden, wobei im Falle eines Funkfeuers ausser der Richtungsmodulation auch eine Bezugsfrequenz übertragen werden muss, die mit der Richtungsmodulation gleichfrequent ist, jedoch in jedem Aufpunkt unabhängig von dessen Azimut zum Funkfeuer die gleiche Phasenlage aufweist.
Es sind insbesondere mehrere Peilsysteme bekannt und weitere Grossbasis-Peilsysteme vorgeschlagen worden, bei denen die Frequenzmodulation der empfangenen Hochfrequenzenergie, die durch Bewegen einer Einzelantenne auf einem Kreise oder durch ein dieser Bewegung äquivalentes Abtasten eines kreisförmigen Antennensystems entsteht, zur Richtungsbestimmung herangezogen wird.
Die Tatsache der Anwendbarkeit von Prinzipien der Richtungsfindung sowohl auf Funkfeuer als auch auf Peiler ist nicht nur im Zusammenhang mit älteren Vorschlägen festgestellt worden, sondern auch bereits bekannt, z. B. durch die Prinzipien eines sende-und empfangsseitig anwendbaren Systems zur Richtungsbestimmung (deu tsche Patentschrift Nr. 918271). bei dem ein kreisförmiges Antennensystem mit Sendeenergie gespeist und eine phasenstarre Bezugsfrequenz auf einem weiteren Träger über eine weitere Einzelantenne zum empfangsseitigen Phasenvergleich mit der Richtungswelle ausgestrahlt wird (phasenmoduliertes Funkfeuer), bzw.
bei dem, bei Anwendung der Prinzipien auf eine Peilstation, durch Abtasten des kreisförmigen Antennensystems eine richtungsabhängige Phasenmodulation der empfangenen Welle
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Kreisdurchmesser des Antennensystems nach Massgabe der Betriebswellenlänge so gewählt sind, dass sich empfangsseitig ein Frequenzhub von etwa 480 Hz ergibt, dass die beiden Trägerfrequenzen um 9960 Hz differieren, und dass derjenige Träger, der in der Amplitude mit 30 Hz Bezugsfrequenz moduliert ist, in der Frequenz einer der international vorgesehenen Vor-Trägerfrequenzen entspricht.
Bei einer Anlage, bei der das kreisförmige Antennensystem das Empfangssystem (Peiler) ist, ist wei- ters vorgesehen, dass aus der Spannung der einen Antenne des Antennensystems durch Einseitenbandmodu- lation mit einem niederfrequenten Hilfsträger ein um die Modulationsfrequenz verschobener zweiter Trä- ger gebildet und kombiniert mit der Spannung der andern Antenne einem amplitudenmodulierenden Emp- fänger zugeführt ist, dass die dem Hilfsträger nach Demodulation anhaftende Frequenzmodulation in be- kannter Weise und das Demodulationsprodukt in ebenfalls bekannter Weise phasenmässig mit der Umlauf- frequenz verglichen wird.
Schliesslich kann bei der letztgenannten Anlage vorgesehen sein, dass an die beiden Antennen des
Antennensystems zur gleichzeitigen Peilung zweier verschiedenfrequenter Sender je ein mit diesen Sen- dern zusammenarbeitender Empfänger angeschaltet ist.
Eine Verdoppelung des Frequenzhubes ist hiebei unter sonst gleichen Verhältnissen gegenüber der bis- herigen Technik erzielbar, wenn gemäss der Erfindung jeweils zwei genau oder etwa auf einem Durch- messer des Kreises einander gegenüberliegende Antennen gleichzeitig angeschaltet werden.
Ausgehend von der Erkenntnis, dass sich die durch die Ausbreitungsbedingungen elektrischer Wellen (Mehrwegausbreitung) entstehenden Richtungsfehler durch Grossbasissysteme vermeiden lassen, ist man be- strebt gewesen, die von Peilern her bekannten Prinzipien der Grossbasissysteme auch auf Funkfeuer zu über- tragen. Insbesondere gehen die Bestrebungen dahin, die im Flugsicherungswesen bereits eingeführten Vor-
Drehfunkfeuer, die bisher mit einem Kleinbasis-Antennensystem ausgerüstet sind, auf Grossbasissysteme umzustellen. Ein derartiges Drehfunkfeuer soll tunlichst so ausgeführt sein, dass es geeignet ist, ohne jeg- liche Änderung der in den Flugzeugen eingebauten Empfänger eine grössere Genauigkeit bzw. Sicherheit der Richtungsbestimmung zu ermöglichen.
Es müssen also am Ausgang des Empfängers die gleichen, der Richtungsbestimmung dienenden Kri- terien vorliegen, wie sie die gebräuchlichen Vor-Drehfunkfeuer liefern.
Am Ausgang eines zur Aufnahme der Signale eines Vor-Drehfunkfeuers geeigneten. Empfängers liegt nach der Gleichrichtung der vom Funkfeuer gerichtet ausgestrahlten Hochfrequenz-Energie (mit 30 Hz ro- tierende Kardioide) eine Niederfrequenzspannung von 30 Hz vor, deren Phasenlage von der Einfallsrich- tung abhängig ist und weiterhin eine Niederfrequenzspannung der Frequenz 9960 Hz, die, unter Einhaltung eines Frequenzhubes von 480 Hz, mit 30 Hz frequenzmoduliert ist. Die aus dieser Frequenzmodulation gewonnene 30 Hz-Spannung ist gegenüber der die Richtung beinhaltenden Spannung von 30 Hz phasen- starr und stellt die Bezugsfrequenz dar.
Unter Beibehaltung dieser normmässig festgelegten Daten für Vor-Funkfeuer und fussend auf den für
Grossbasissysteme geltenden Prinzipien ist bereits ein Grossbasis-Drehfunkfeuer vorgeschlagen worden, das in der Weise arbeitet, dass eine Mittelantenne einer Kreisanordnung von mehreren Einzelantennen zirka 901o der Leistung eines Senders mit 30 Hz amplitudenmoduliert bei einem Modulationsgrad von ungefähr 30% abstrahlt, während mit den restlichen zirka lolo der Leistung die Antennen der Kreisanordnung in zyklischer Folge über eine mit 30 Hz rotierende Schalteinrichtung beaufschlagt werden.
Das Amplituden- verhältnis der Ausstrahlung von Mittelantenne zu den einzelnen Kreisgruppenantennen beträgt dann unge- fähr 3 : 1, d. h. es wird beim Empfang der gesamten Strahlung ebenfalls ein Modulationsgrad von 30% re- alisiert. Die Frequenz der der Kreisgruppenanordnung zugeführten Energie (zirka lOgo) wird aber noch (beispielsweise durchEinseitenband-Modulation) gegenüber der Frequenz der der Mittelantenne zugeführ-
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verschiedener Amplitude- (zirka 3 : 1) ausgesendet werden.
In einem im Fernfeld eines in der soeben beschriebenen Weise arbeitenden Funkfeuers gelegenen Aufpunkt entsteht dann am Ausgang eines gewöhnlichen Vor-Empfängers durch Schwebung, der beiden vom Funkfeuer ausgesendeten Trägerfrequenzen bei dem geringen Modulationsgrad von 30% mit guter Annäherung eine sinusförmige Spannung der Frequenz 9960 Hz, die infolge der scheinbaren Rotation einer Antenne auf dem Kreise (Abtastung des Antennensystems) mit 30 Hz frequenzmoduliert ist. Man ersieht, dass bei einem derart ausgebildeten Funkfeuer in Umkehrung zu den normalen Vor-Drehfunkfeuern die Richtungswelle aus einer Frequenzmodulation und die Bezugswelle aus einer Amplitudenmodulation gewonnen werden. Da jedoch die Phasendifferenz als Mass für den Azimut benutzt wird, wird am Ausgang des Empfängers kein Unterschied registriert.
Um nun den für die normalen Vor-Drehfunkfeuer normmässig festgelegten Frequenzhub von 480 Hz
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zu erreichen, muss bei einer Trägerfrequenz von etwa 115 MHz und der ebenfalls durch Norm vorgeschrie- benen Rotationsfrequenz bzw. Tastfrequenz von 30 Hz, wie rechnerisch leicht zu bestimmen ist, ein Antennenkreisdurchmesser von etwa. 5 Betriebswellenlängen verwendet werden. Da es aber weiterhin, wie bekannt, notwendig ist, den Abstand von Antenne zu Antenne auf dem Kreise nicht grösser als ein Viertel der Betriebswellenlänge zu wählen, ergibt sich daraus eine Antennenzahl von etwa 50.
Der Aufwand für ein derartiges Antennensystem ist also beträchtlich, was noch besonders deshalb als unbefriedigend empfunden werden muss, weil zur Erzielung eines ausreichenden Verbesserungsfaktors gegenüber einem Kleinbasissystem ein Antennenkreisdurchmesser von 5 Wellenlängen überhaupt nicht notwendig ist. Vielmehr genügt, wie ebenfalls bekannt ist, bereits ein Durchmesser des Antennenkreises von ungefähr 2 1/2 bis 3 Wellenlängen.
Bei dieser bereits bekannten Ausführung des Antennensystems für ein modifiziertes Vor-Drehfunkfeuer mit der soeben beschriebenen Ausgestaltung des Sendesystems wirkt sich ausserdem noch die Tatsache nachteilig aus, dass die Mittelantenne ortsfest ist, wodurch empfangsseitig die Amplitude der die Bezugsspannung übertragenden Hochfrequenzspannung infolge Reflexionserscheinungen Null werden kann.
In diesem Falle ist eine Richtungsbestimmung dann nicht mehr durchführbar.
Die Erfindung geht daher einen andern Weg. Bei Anwendung der Erfindungsprinzipien auf ein Funkfeuersystem werden die soeben beschriebenen Nachteile dadurch vermieden, dass ein Teil der Leistung des Senders (zirka 90'lu), die mit der Bezugsspannung von 30 Hz amplitudenmoduliert ist, nicht über eine feste Mittelantenne, sondern jeweils über die genau oder etwa auf dem gleichen Durchmesser des Kreisantennensystems gegenüberliegenden Antennen ausgestrahlt wird, über welche der restliche Teil der Leistung (zirka 100/0) mit einem in der Frequenz um einen gewissen Betrag verschobenen Träger abgestrahlt wird.
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auf ein Doppler-Drehfunkfeuer in Verbindung mit einem geeigneten Empfänger, insbesondere mit der be- reits gebräuchlichen Type für den Empfang der Vor-Funkfeuer, schematisch darstellt.
In Fig. 2 ist die
Anwendung des Prinzips der Erfindung auf einen Doppler-Peiler in Verbindung mit einem normalerweise unmoduliert arbeitenden zu peilenden Sender näher erläutert. In Fig. 3 ist ein Anwendungsbeispiel des
Erfindungsgedankens für eine Doppler-Peileranordnung gezeigt, bei der gleichzeitig zwei verschiedene
Sender gepeilt werden können.
Das in Fig. l dargestellte System besteht aus einer Sendeeinrichtung mit einer kapazitiven Schalt- einrichtung, deren Stator 1 so viele kapazitive Beläge 2 trägt, wie Antennen der Kreisgruppe vorgesehen sind, z. B. 32. Die einzelnen Antennen werden an den mit A bezeichneten Punkten mittels Kabeln an die einzelnen Beläge 2 angeschlossen. Ein Rotor 3 mit zwei Metallbelägen4a und 4b wird mittels eines Motors 5 angetrieben, und die Metallbeläge 4a und4b werden mittels Leitungen 6 bzw. 7 mit Sendeenergie aus einem
Sender 8, der insgesamt ungefähr 200 Watt der Frequenz f liefert, gespeist. Der Sender 8 besitzt zwei Aus- gangsklemmen B und C. An der Ausgangsklemme B liegen ungefähr 90% (zirka 180 Watt) und an der Klem- me C zirka 100/0 (zirka 20 Watt) der Leistung.
Die Sendeenergie an der Klemme B wird in einem Modulator 9 mit einer Frequenz, beispielsweise 30 Hz, aus einem Generator 10 unter Einhaltung eines Modulationsgrades von beispielsweise 30% amplitudenmoduliert und gelangt dann tiber die Leitung 6 (Frequenz f) an den einen
Metallbelag 4a des Rotors 3. Da die Modulationsfrequenz mit der Umdrehungszahl des Motors 5 im Zusam- menhang steht-im einfachsten Falle dieser gleich ist-ist es zweckmässig, die Modulationsfrequenz mit der Umdrehungszahl des Motors 5 zu kuppeln, was durch die gestrichelte Verbindung 11 angedeutet ist.
Die Sendeenergie an der Klemme C des Senders 8 wird beispielsweise mittels Einseitenband-Modu- lation in einem Modulator 12 und mit Hilfe eines Schwingungserzeugers 13, der beispielsweise die Fre- quenz 9960 Hz erzeugt, in bekannter Weise in eine neue Frequenz jL umgesetzt, die sich von der Sender- frequenz f. um einen bestimmten Betrag, beispielsweise 9960 Hz, unterscheidet.
Wenn die Antennenab- tasteinrichtung nun mit Hilfe des Motors 5 in Rotation versetzt wird und eine Empfangseinrichtung 14 die ausgestrahlten Wellen aufnimmt, erscheinen am Ausgang dieser Empfangseinrichtung, die in ihren Einzelheiten genau dem Aufbau eines Empfängers fur die Vor-Drehtunkfeuer entspricht, nach der Amplituden-Demodulation in einem Geräteteil 15 zwei Spannungen der Frequenz 30 Hz und 9960 Hz, welch letztere durch Schwebung der beiden Frequenzen f1 und f, entstanden ist. Die Frequenz 9960 Hz ist infolge der Rotation der Schalteinrichtung der Sendeanlage mit 30 Hz frequenzmoduliert. Diese beiden Frequenzen (30 Hz und 9960 Hz) werden durch Filter 16 bzw. 17 ausgesiebt.
Die mit 30 Hz frequenzmodulierte Spannung der Frequenz 9960 Hz wird mittels eines Niederfrequenz-Diskriminators 18 demoduliert, wodurch eine Spannung von 30 Hz entsteht, deren Phasenlage, verglichen mit der direkt aus der Amplituden-Demodulation gewonnenen Bezugsspannung von 30 Hz, die Richtung der empfangenen Wellen angibt. Die beiden 30 Hz-Spannungen aus dem Filter 16 und dem Diskriminator 18 werden mittels eines kombinierten Phasenmess-Anzeigegerätes 19 in bekannter Weise phasenmässig verglichen, und die Phasendifferenz wird angezeigt.
Bei der in Fig. 2 schematisch dargestellten Anwendung des Erfindungsprinzips auf eine Peilstation entspricht das Antennensystem und die Abtasteinrichtung genau der in Fig. l dargestellten. In Fig. 2 sind daher nur die an den Rotor der Abtasteinrichtung angeschlossenen Leitungen 6 und 7 und die Kupplung 11 (gestrichelt) gezeichnet. Von einem entfernten Sender werden die Wellen von den jeweils angeschalteten Antennen aufgenommen. Die über die Leitung 6 kommenden Signale werden direkt dem Eingang eines AM-Empfängers 20 zugeführt, während die HF-Spannung an der Leitung 7, bevor sie zum Eingang des Empfängers 20 gelangt, in der Frequenz umgesetzt wird, d. h. gegenüber der empfangenen Trägerfrequenz um einen bestimmten Betrag, z. B. 10 kHz, verschoben wird.
Das geschieht in einem Geräteteil 21 in bekannter Weise, indem die Spannung der empfangenen Frequenz direkt und über ein 900-Glied 22 je einem Gegentaktmodulator (23 und 24) zugeführt wird, denen auch zwei um 900 phasenverschobene Spanrungen (sin u und cos u) eines niederfrequenten Hilfsträgererzeugers 25, beispielsweise der Frequenz 10 kHz. zugeführt werden. Die verbundenen Ausgänge der Gegentaktmodulatoren 23 und 24 enthalten als Modulationsprodukt, wie bekannt, nur noch das eine Seitenband des Trägers, gegenüber diesem um die Modulationsfrequenz versetzt. Diese Frequenz wird ebenfalls dem Eingang des Empfängers 20 zugeleitet, der die Spannungen verstärkt und demoduliert.
Durch Schwebung der beiden Trägerfrequenzen entsteht nach der Demodulation eine Spannung mit einer Frequenz, die gleich der des Hilfsträgers ist, beispielsweise 10 kHz. Infolge der Rotation der Schalteinrichtung ist jedoch diese Spannung von 10 kHz noch mit der Rotationsfrequenz (30 Hz) frequenzmoduliert. Sie wird in bekannter Weise in der Amplitude begrenzt (26) und demoduliert (27). Die Ausgangsspannung des Niederfrequenzdiskriminators 27 ist eine der Rotationsfrequenz der Schalteinrichtung entsprechende Frequenz, z. B. 30 Hz, deren Phase die Richtung der ein-
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fallenden Wellen angibt.
Sie wird zusammen mit zwei um 900 phasenverschobenen Bezugsspannungen, die in bekannterWeise aus derRotationsfrequenz mittels eines Bezugsspannungsgenerators 29, der über die
Verbindung 11 mit dem Rotor der Schalteinrichtung gekuppelt ist, gewonnen werden, einem kombinierten Phasenmess- und Anzeigegerät 28 zugeleitet, welches die Richtung der einfallenden Wellen beispielsweise als Lichtpunkt in einem Polarkoordinatensystem anzeigt.
Wie unter Verwendung des Antennensystems mit der Umschalteinrichtung gemäss Fig. 1 die gleichzei- tige Peilung zweier Sender ermöglicht wird, ist in Fig. 3 näher erläutert.
Die von den in jedem Augenblick angeschlossenen Antennen aufgenommenen Hochfrequenzspannun- gen der Frequenz Fl und F , die beide sowohl auf der Leitung 6 als auch auf der Leitung 7 (Fig. 1) vorhan- den sind. werden zwei verschiedenen Eingängen eines an sich bekannten parametrischen Frequenzumset- zers 30 zugeführt, der von einem Hilfsträger-Generator 31, der eine Frequenz F, (beispielsweise 10 kHz) erzeugt, gesteuert wird. An die Leitung 7 ist auch der Eingang eines Empfängers 32 angeschlossen, der auf die Trägerfrequenz F, abgestimmt ist. An dem Eingang dieses Empfängers erscheint infolge. der Ein- seitenbandmodulation im Frequenzumsetzer 30 auch die Frequenz F.-F,. Diese beiden Frequenzen werden gemäss dem in Fig. 2 gegebenen Schema weiterverarbeitet.
Der Ausgang des Empfängers enthält nach der
Demodulation eine Niederfrequenz der Frequenz F, (10 kHz). die mit der Rotationsfrequenz der Anten- nenschalteinrichtung, beispielsweise 30 Hz, frequenzmoduliert ist. Diese Spannung wird in einem Be- grenzer-Diskriminator 33 in der Amplitude begrenzt bzw. demoduliert und einem kombinierten Phasen- mess-Anzeigegerät 34 zugeleitet, dem auch in bekannter Weise zwei um 900 phasenverschobene Span- nungen aus einem Bezugsspannungsgenerator 35 zugeführt werden, der mittels der Verbindung 11 mit dem
Rotor der Schalteinrichtung gekuppelt ist. Ein zweiter Empfängerkanal 36, der in der gleichen Weise auf- gebaut ist wie der erste, ist an die Leitung 6 angeschlossen. Er ist auf die Frequenz F, abgestimmt.
In- folge der Modulation mit der Frequenz F3 (10 kHz) liegt am Eingang des Empfängers auch die Frequenz F 1 + F 3. Am Ausgang des Empfängers 36 entsteht nach der Demodulation eine Spannung der Frequenz (10 kHz), die infolge der Rotation der Antennenschalteinrichtung mit der Rotationsfrequenz frequenz- moduliert ist. Sie wird in einem Begrenzer-Diskriminator 37 begrenzt bzw demoduliert. Dadurch entsteht genau wie beim ersten Empfängerkanal eine Spannung der Rotationsfrequenz, beispielsweise 30 Hz, in der die Richtungsinformation als Phasenwinkel enthalten ist. Diese Spannung wird einem kombinierten Phasenmess-Anzeigegerät 38 zugeführt, und der die Richtung der einfallenden Wellen beinhaltende Phasenwinkel wird, genau wie dies im ersten Empfängerkanal geschehen ist, angezeigt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Doppler-Grossbasis-Funknavigationsanlage, bei der die Richtungsinformation aus einer Frequenzmodulation einer Trägerwelle abgeleitet wird, die durch aufeinanderfolgendes, zyklisches Schalten der Einzelantennen eines sende- oder empfangsseitig vorgesehenen kreisförmigen Antennensystems hervorgerufen ist, und bei der die Richtung aus einem Phasenvergleich der die Richtungsinformation als Phase enthaltenden Spannung mit einer Bezugsspannung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils gleichzeitig zwei genau oder etwa auf einem Durchmesser des Kreises einander gegenüberliegende Antennen wirksam gemacht werden.