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Anordnung zur drahtlosen Richtungsbestimmung auf Grund des Dopplereffektes
Gegenstand der Erfindung ist ein Grossbasis-Doppler-Drehfunkfeuer, das geeignet ist, unter Beibehaltung der für die VOR-Drehfunkfeuer bereits verwendeten Serienempfänger eine grössere Geländeunabhängigkeit und Stabilität der Peilung herbeizuführen.
Bei den bekannten VOR-Drehfunkfeuern, die mit einem Kleinbasis-Antennensysiem arbeiten, ist das grösste Problem inder Praxis die Wahl des Aufstellungsortes, weil durch Reflexionen an Hindernissen (Mehrwegausbreitung) beträchtliche Peilfehler entstehen können. Durch Grossbasissysteme können derartige Fehler, wie bekannt ist, vermieden werden.
Es ist auch schon ein Grossbasis-Doppler-VOR-Drehfunkfeuer bekannt, das für die Zusammenarbeit mit den üblichen VOR-Empfängern geeignet ist. Es besteht aus einem System von kreisförmig angeordneten Antennen und einer in der Mitte dieses Kreises befindlichen Einzelantenne. Die Speisung des gesamten Antennensystems erfolgt in der Weise, dass die Mittelantenne etwa 901o der Leistung des VOR-Senders abstrahlt, während mit den restlichen 100/0 der Leistung die Antennen der Kreisanordnung nacheinander über eine Schalteinrichtung gespeist werden.
Die Sendeenergie, die von der Mittelantenne abgestrahlt wird, ist, um die durch Norm festgesetzten Daten beim Empfang einhalten zu können, in der Frequenz gegenüber der von den Kreisantennen abgestrahlten Energie um einen Betrag von 9960 Hz verschoben und mit einer Frequenz von 30 Hz, die in diesem Falle die Bezugsfrequenz darstellt, amplitudenmoduliert. Dieser Betrag von 9960 Hz entspricht den für die gebräuchlichen VOR-Drehfunkfeuer festgesetzten Frequenzen des Zwischenträgers für die Bezugsfrequenz. Bekanntlich wird bei den üblichen VOR-Drehfunkfeuern die Bezugsfrequenz ungerichtet als Frequenzmodulation eines Hilfsträgers von 9960 Hz mit 30 Hz unter Einhaltung eines Frequenzhubes von 480 Hz übertragen.
Die richtungsabhängige Modulation entsteht empfangsseitig infolge der senderseitigen Rotation einer Kardiode als Amplitudenmodulation der empfangenen Hochfrequenzenergie.
Bei dem eben besprochenen bereits bekannten Doppler-VOR-Drehfunkfeuer wird die Bezugsfrequenz also als Amplitudenmodulation der von der Mittelantenne abgestrahlten Energie übertragen, während sich die jeweilige Richtungsmodulation, die in einem Aufpunkt wahrgenommen wird, aus der sendeseitig durchgeführten tatsächlichen oder simulierten Antennenbewegung (zyklische Anschaltung) auf einem Kreis ergibt und empfangsseitig-wie bekannt-als Frequenzmodulation mit der Umlauttrequenx der durch Schwebung zwischen beiden empfangenen Trägern entstandenen Frequenz von 9960 Hz vorliegt.
Um des weiteren die durch ICAO-Standard festgelegten Daten für die VOR-Drehfunkfeuer einzuhalten, ist es ausserdem notwendig, bei der festgelegten Umlauffrequenz von 30 Hz und dem ebenfalls festgelegten Frequenzhub von 480 Hz den Antennenkreisdurchmesser entsprechend gross zu machen, nämlich etwa fünf Wellenlängen, da ja der Frequenzhub proportional dem Antennenkreisdurchmesser und der Umlauffrequenz ist, d. h. der auf dem Kreis erreichten Geschwindigkeit der Anschaltung oder anders ausgedrückt, der Geschwindigkeit der durch zyklisches Anschalten nachgebildeten Bewegung einer Einzelantenne auf dem Kreis.
Ferner ist bereits ein System zur Richtungsbestimmung vorgeschlagen worden. das eine Aufwandsverminderung für derartig modifizierte VOR-Drehfunkfeuer hinsichtlich des Antennensystems beabsichtigt.
Diese wird dadurch erzielt, dass bei einem nur halb so grossen Kreisdurchmesser des Antennensystems der
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erforderliche Frequenzhub von 480 Hz unter sonst gleichen Umständen dadurch erzielt wird, dass nicht eine
Antenne scheinbar auf einem Kreis. umläuft, sondern dass anstatt der festen Mittelantenne eine weitere An- tenne der Kreisanordnung gespeist wird, dass also zwei genau oder ungefähr auf einem Durchmesser gegen- überliegende Antennen scheinbar umlaufen, deren eine etwa 900 der in der Frequenz um einen Betrag (9960 Hz) verschobenen Leistung mit der Bezugsfrequenz von 3u Hz amplitudenmodulien abstrahlt, wah- rend die andere etwa 100/0 der Leistung eines unmodulierten Trägers abstrahlt.
Die bekannten und vorgeschlagenen Systeme lassen sich jedoch erfindungsgemäss aoch bedeutend ver- bessern, wie im folgenden gezeigt werden wird.
Um empfangsseitig die Schwebungsfrequenz 9960 Hz einigermassen sinusförmig zu erhalten, müssen die Leistungen der beiden vom Funkfeuer ausgestrahlten Trägerfrequenzen sehr verschieden sein. Vzrhal- ten sich die Leistungen der von den beiden scheinbar rotierenden Antennen abgestrahlten Energiebeträge ungefähr wie 9 : 1, dann ist eine sinusförmige Schwebungsfrequenz noch gewährleistet.
Des weiteren lässt sich sowohl bei dem bekannten als auch bei dem vorgeschlagenen System nicht ver- meiden, dass die aufgenommene Energie am Empfangsort infolge der Reflektorwicklung der Antennen des
Funkfeuers mit der Umlauffrequenz amplitudenmoduliert erscheint. Diese Amplitudenmodulation ist sehr störend, da sie ortsabhängig ist, und kann daher zu Peilfehlern Anlass geben. Bei dem bekannten System mit einer Mittelantenne und einerscheinbar umlaufenden Antenne tritt zusätzlich zur erwünschten Am- plitudenmodulation des Trägers mit der Differenzfrequenz (9960 Hz) auch eine unerwünschte Phasenmo- dulation auf. Das bedeutet einen Verlust an Sende- bzw. Empfangsenergie.
Die Erfindung bezieht sich also auf eine Anordnung zur drahtlosen Richtungsbestimmung auf Grund des
Doppeleffektes, bei der die Richtungsinformation aus einer Frequenzmodulation einer Hochfrequenzwelle abgeleitet ist, die durch aufeinanderfolgendes zyklisches Schalten der Einzelantennen eines sende- oder empfangsseitig vorgesehenen kreisförmigen Grossbasis-Antennensystems miteiner im Mittelpunkt der Kreis- anordnung stehenden Antenne hervorgerufen ist, und bei der die Richtung von gesendeten, richtungsmodu- lierten bzw. empfangenen, richtungsunmodulierten Wellen durch einen Phasenvergleich zwischen der die Richtungsinformation als Phase enthaltenden, aus der Frequenzmodulation der Hochfrequenzwelle abgeleiteten Wechselspannung und einer Bezugsspannung bestimmbar ist.
Erfindungsgemäss ist bei jeweils zwei genau oder etwa auf einem Durchmesser des Kreises gelegenen, gleichzeitig aktiv wirksamen Antennen die Mittelantenne ebenfalls aktiv wirksam.
Der Erfindungsgedanke ist sowohl auf Funkfeuer, also sendeseitig, als auch auf Peiler, also empfangsseitig, anwendbar.
Wenn bei einer derartigen Anordnung das Antennensystem das Sendesystem (Funkfeuer) ist, strahlt die Mittelantenne einen mit einer niederfrequenten, mit der Anschaltfrequenz der Antennen auf der Kreisanordnung synchronisierten Bezugswechselspannung (30 Hz) amplitudenmodulierten hochfrequenten Hauptträger aus und die jeweils zwei Antennen auf der Kreisanordnung je einen in gleichem Frequenzabstand (z.
B. 9960 Hz = Hilfsträgerfrequenz) oberhalb bzw. unterhalb vom Hauptträger liegenden Seitenträger ; die Phasenlagen und Amplituden der Seitenträger entsprechen denjenigen von Seitenbändern erster Ord- nung, wie sie durch Amplitudenmodulation des Hauptträgers mit der Hilfsträgerfrequenz (9960 Hz) erzeug- bär sind ; empfangsseitig sind Einrichtungen zur Aufnahme der verschiedenen Träger, zur Gewinnung der Hilfsträgerfrequenz und damit der die Richtungsinformation in Gestalt der Phasenlage enthaltenden, durch Frequenzmodulation aus der Hilfsträgerfrequenz abgeleiteten Richtwechselspannung sowie zur Gewinnung der Bezugswechselspannung vorgesehen.
Stellt jedoch das Antennensystem das Empfangssystem zur Peilung eines richtungsmässig unmodulierten Senders dar, dann wird die von der Mittelantenne aufgenommene Trägerenergie dem Empfängerein- gang direkt zugeführt ; die von den jeweils zwei Antennen der Kreisanordnung aufgenommenen Trägerenergien werden mit einer Hilfsträgerfrequenz getrennt trägerlos moduliert und die so entstandenen Seitenbänder erster Ordnung dem Empfängereingang zugeführt ;
durch Amplitudenmodulation wird dann die frequenzmoduliene Hilfsträgerfrequenz und aus dieser durch Frequenzmodulation die die Richtungsinformation enthaltende Wechselspannung gewonnen, die dann phasenmässig mit einer Bezugsspannung verglichen wird, diese wird in üblicher Weise einem mit der Schaltfrequenz der Kreisantennen synchronisierten Generator entnommen.
Durch diese Art der Ausgestaltung und Speisung eines Doppler-Drehfunkfeuers, z. B. einer Peilstation, ergeben sich gegenüber den bekannten und vorgeschlagenen Systemen einige bedeutende Vorteile.
Für einen im Fernfeld eines derartigen Drehfunkfeuers gelegenen Empfänger wirkt diese Art der Aus- strahlung wie die Ausstrahlung eines modulierten Trägers von einer einzigen Antenne, wis dies bei einem gewöhnlichen Rundfunksender der Fall ist. Es wird also praktisch ein Träger, der mit 9960 Hz klirrfaktor-
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frei amplitudenmoduliert ist, empfangen, während bei den bekannten und vorgeschlagenen Systemen die
Niederfrequenz durch Schwebung zweier hochfrequenter Träger entsteht.
Ein weiterer Vorteil für die Ssnderseite besteht darin, dass die Antennen auf der Kreisanordnung mit einemsehrkleinenTeil der Energie gespeist werden können, um empfangsseitig die durch ICAO-Standard festgelegten Normen, insbesondere den Modulationsgrad von 30% zu erreichen (je 2, 2Wo der Gesamtener- gie).
Dadurch, dass eine Mittelantenne vorgesehen ist, die den mit der Bezugsfrequenz amplitudenmodu- lierten Trägerausstrahlt, und ausserdem zwei auf dem Kreis tatsächlich oder scheinbar umlaufende Anten- nen, entsteht im Fernfeld eine doppelte Ortsdiversity, wodurch die Geländeunabhängigkeit noch weiter zu- nimmt.
Während es bei der Ausgestaltung eines Drehfunkfeuers gemass dem Erfindungsgedanken notwendig ist, die durch ICAO-Standard geforderten Daten, insbesondere hinsichtlich des Modulationsgrades des Trägers von 3rP/o einzuhalten, um die zur Zusammenarbeit mit den eingeführten VOR-Diehfunkfeuern serienmässig hergestellten Empfänger weiter ohne Änderung benutzen zu können. was zur Aufgabe der Erfindung gehört, ist man bai einer Peilstation naturgemäss an diese Norm nicht gebunden.
Es können daher die dem Empfängereingang zugeführten Träger-und Seitenträgerenergien in einem solchen Verhältnis stehen, dass Modulationsgrade bis zu 10rP/o realisiert werden. Dies bedeutet eine Emp- findlichkeitssteigerung für eine Peilstation.
Die Erfindung wird an Hand von zwei Figuren näher erläutert, von denen Fig. 1 schematisch ein Dreh- funkfeuer, Fig. 2 dagegen eine Peilstation unter Anwendung der Erfindungsgedanken dargestellt.
Wenn es auch bei der Ausgestaltung und Speisung eines Drehfunkfeuers gemäss der Erfindung möglich ist, den Hauptträger und die Seitenträger getrennt zu erzeugen und sie den verschiedenen Antennen in der richtigen Phasenbeziehung getrennt zuzuführen, so ist in Fig. 1 jedoch eine zweckmässige Ausgestaltung eines derartigen Funkfeuers schematisch gezeichnet, in der die Seitemrägerenergiendurch Modulation eines
Teiles der Sendeenergie mit einer Hilfsträgerfrequenz erzeugt werden. Mit dem grossen Teil der Leistung eines Sender 1, 95, 51o, wird eine Mittelantenne 3 eines Kreisantennensystems 2, bestehend aus einer Anzahl von Einzelantennen D, gespeist.
Diese Hochfrequenz wird jedoch vorher noch in einem Modulator 4 mit dem für die Peilung wichtigen Bezugssignal, beispielsweise 30 Hz, amplitudenmoduliert, das in bekannter Weise mittels eines Generators T aus der tatsächlichen oder simulierten Umlauffrequenz des kreisförmigen Antennensystems gewonnen wird. In diesem Modulator 4 kann dem Träger bei K auch noch eine weitere der Nachrichtenübertragung dienende Modulation erteilt werden.
Ein sehr kleiner Teil der Leistung des Senders 1, ingesamt 4,5go, wird in einer an sich bekannten Modulationseinrichtung 5, die aus einer Kombination von Gegentakt- oder andern gebräuchlichen Modulatoren (z. B. steuerbaren Reaktanzen, Zener-Dioden) und einer Summe und Differenz bildenden Brückenanordnung besteht (deutsche Patentschriften 888714 und 911627), mit einer weiteren Niederfrequenzspannung eines Generators G, beispielsweise 9960 Hz, amplitudenmoduliert in der Weise, dass die in zwei Modulatoren 6 und 7 erhaltenen Modulationsprodukte zwei diagonal gegenüberliegenden Punkten (c, d) jener aus Impedanzen bestehenden Brückenanordnung H zugeführt werden, an deren beiden andern gegenüberliegenden Punkten (a und b) dann in bekannter Weise nur das obere bzw.
untere Seitenband (ohne Träger) mittels Kopplungsanordnungen 8 und 9 ausgekoppelt werden können. Die Seitenbandenergien werden dann beispielsweise zwei auf einem zylindrischen Rotor gegenüberliegenden Belägen B einer an sich bekannten rotierenden, kapazitiven, aus Stator S und Rotor R bestehenden Schalteinrichtung zugeführt, über die die Seitenbandenergieninfolge der durch einen Motor M bewirkten Rotation des Rotors R nacheinander an alle Beläge A des Stators S gekoppelt und somit immer je zwei Antennen der Kreisanordnung zugeführt werden.
Ein im Fernfeld eines derartigen arbeitenden Drehfunkfeuers gelegener Empfänger empfängt also den über die Mittelantenne 3 abgestrahlten, mit der Bezugsfrequenz (30 Hz) amplitudenmodulierten Träger sowie die beiden durch die Modulation mit der Hilfsträgerenergie (9960 Hz) entstandenen Seitenbänder, die jeweils gleichzeitig von zwei Antennen D der Kreisanordnung abgestrahlt werden. Das wirkt sich im Empfänger, der mit diesem Funkfeuer zusammenarbeitet, so aus, als ob von ihm ein mit der Niederfrequenzspannung von 9960 Hz amplitudenmodulierter Träger eines gewöhnlichen Rundfunksenders empfangen wird. Die beiden Modulationen von 30 Hz und 9960 Hz werden empfangsseitig in bekannter Weise gleichgerichtet und durch Filter getrennt.
Wenn nun die kapazitive Schalteinrichtung des Senders (Rotor R) rotiert, ist empfangsseitig die aus der Amplitudenmodulation gewonnene Niederfrequenzspannung der Frequenz 9960 Hz, wie bekannt, mit der Rotationsfrequenz frequenzmoduliert, und die Phase der aus der Frequenzmodulation abgeleiteten,
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bezüglich der Frequenz der Rotationsfrequenz, z. B. 30 Hz, gleichen Niederfrequenzspannung von 30 Hz beinhaltet, wie ebenfalls bekannt, die Einfallsrichtung der im Empfänger aufgenommenen Wellenfront.
Die Phasenmessuslg und deren Anzeige erfolgen mittels einer der bekannten Mess- und Anzeigeeinrichtun- gen. Die Empfangseinrichtung entspricht genau der üblichen Type von VOR-Empfängern.
Die Anwendung des Erfindungsgedankens auf eine Peilstation, die mit einem unmodulierten Sender ohne Richtungsmodulation zusammenarbeitet, ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Das Amennensystem 2 mit der Mittelantenne 3 und den auf dem Kreis befindlichen Einzelantennen. D entspricht genau dem der Fig. 1 gezeichneten. Ebenso entspricht die kapazitive Schalteinrichtung, mit deren Hilfe die Antennen auf der Kreisbahn nacheinander an die Empfangseinrichtung angeschaltet werden, genau derjenigen der Fig. 1. Sie wird mit Hilfe des Motors M angetrieben, wie durch die gestrichelte Verbindung 10 angedeu- tet ist.
Die von der Mittelantenne 3 aufgenommene Energie wird über eine Leitung 11 dem Eingang eines
Empfängers 12 direkt zugeführt. Die von den jeweils zwei Antennen D der Kreisanordnung aufgenomme- nen Energien werden über Leitungen 13 bzw. 14 einer Modulationseinrichtung 15 zugeführt, die genau in der gleichen Weise aufgebaut ist wie die Modulationseinrichtung 5 der Fig. 1. Sie besteht im wesentlichen aus zwei Modulatoren 16 bzw. 17, welch letzterem ein 90 Phasenglied 18 vor- bzw. nachgeschaltet ist, und einer aus Impedanzen bestehenden Brückenanordnung 19, deren zwei gegenüberliegende Punkte in die Modulatoren 16 bzw. 17 führen.
In der in Fig. 2 ausgezogen gezeichneten Stellung führen die Leitungen 13 und 14 an zwei gegenüberliegende Punkte der Brückenanordnung. Die Modulationseinrichtung 15 wird also hier im umgekehrten Sinne betrieben wie die Modulationseinrichtung 5 der Fig. l. Es kann bewiesen werden, dass dies jedoch auf die Funktion ohne Einfluss ist ; es können auch die von den Antennen aufgenommenen Energien, wie durch gestrichelte Linien bei x und y an den Antennen und an den Modulatoren angedeutet ist, zuerst in die Modulatoren eingegeben und die Seitenbänder an gegenüberliegenden Brückenpunkten ausgekoppelt werden, wie dies durch gestrichelte Linien p und q an der Brückenanordnung sowie am Empfängereingang angedeutet ist.
Die durch gestrichelte Linien angedeutete Funktion der Modulationsanordnung 15 entspricht dann genau der Anordnung 5 der Fig. 1.
Die Modulatoren 16 und 17 werden auch mit zwei um 900 phasenverschobenen Spannungen der Hilfsträgerfrequenz (z. B. 10 kHz) aus einem Generator 20 gespeist. Dadurch entstehen in bekannter Weise am Ausgang der Modulatoren an Leitungen 21 bzw. 22 die Seitenbänder als Modulationsprodukte der von den Kreisantennen aufgenommenen Energie und der Hilfsträgerenergie. Diese werden zusammen mit der von der Mittelantenne empfangenen Hauptträgerenergie dem Eingang des Empfangs 12 zugeführt. Das wirkt sich im Empfänger 12 so aus, als ob ein mit der Frequenz des Hilfsträgers amplitudenmodulierter Träger empfangen würde. Durch die Rotation der Schalteinrichtung bzw. des tatsächlichen oder simulierten Umlaufes der Einzelantennen D auf einem Kreis ist die Hilfsträgerfrequenz nach der Demodulation, wie bekannt, mit der Umlauffrequenz frequenzmoduliert.
Die am Ausgang des Empfängers 12 auftretende Niederfrequenzspannung der Frequenz des Hilfsträgers (10 kHz) wird über einen Hochpass 21, der die dem zu peilenden Sender anhaftende Nachrichtenmodulation nicht hindurchlässt, einem Begrenzer 22 zugeführt und anschliessend in einem Frequenzdemodulator 23 demoduliert. Die am Ausgang des Demodulators 23 auftretende Niederfrequenzspannung, deren Phase im Vergleich zu einer mittels eines Generators T gewonnenen, mit der Rotationsfrequenz der Schalteinrichtung synchronisierten Bezugsfrequenz die Richtung der einfallenden Wellenfront beinhaltet, wird in einem kombinierten Phasenmess- und Anzeigegerät 24 bekannter Art mit der Bezugsfrequenz verglichen und der Messwert angezeigt.
Eine dem empfangenen Träger etwa anhaftende Nachrichtenmodulation kann am Ausgang des Empfängers 12 über einen Tiefpass 25 ausgefiltert und mittels eines Lautsprechers 26 hörbar gemacht werden.
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