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System zur Richtungsbestimmung auf Grund von durch
Antennenbewegung erzeugten Hubrichtdiagrammen
Es ist ein sende-oder empfangsseitiganwendbares System zur Richtungsbestimmung unter Ausnutzung des Doppler-Effektes bekannt, bei dem die Einzelantennen eines geradlinigen Antennensystems nacheinander gespeist werden. Dadurch entsteht in einem fernen Aufpunkt durch den Doppler-Effekt eine richtungsabhängige, gegenüber der Sendefrequenz veränderte Frequenz. Wenn nun bei einem als Funkfeuer arbeitenden derartigen System eine der Sendefrequenz benachbart liegende zweite Frequenz von einer feststehenden Antenne ausgesendet wird, entsteht empfangsseitig durch einfache AM-Gleichrichtung eine Schwebung. Die Frequenz dieser Schwebung bezeichnet die Richtung des Empfängers zum Sender. Insbesondere ist eine bestimmte Richtung durch die Schwebung Null charakterisiert.
Es sind weiterhin Doppier-Peilanlagen mit geradlinigen Antennensystemen (Antennenzeilen) bekannt, bei denen der durch die aufeinanderfolgende zyklische Anschaltung der Einzelantennen an einen Empfänger erzeugte Phasen- bzw. Frequenzhub im Vergleich zu einer Bezugsfrequenz das Peilkriterium liefert.
Es ist auch bekannt, dass die Prinzipien der Richtungsfindung bei Doppler-Systemen von sendeseitigen Anlagen, also Funkfeuern, unter entsprechender Abwandlung auf Empfangsanlagen, also Peiler, übertragen werden können.
Es ist ferner bekannt, dass einem geradlinigen Antennensystem, dessen Einzelantennen derart mit Sendeenergie gespeist werden, dass eine periodische, etwa mit sinusförmiger Geschwindigkeit verlaufende Bewegung einer Einzelantenne auf dem Antennensystem simuliert wird, ein Hubrichtdiagramm in Form eines Doppelkreises zuzuordnen ist, und dass die richtungsabhängige Grösse des Frequenzhubes zur Richtungsbestimmung ausgewertet werden kann.
Es ist auch bereits ein Doppler-Anflugfunkfeuer zur Bildung einer Kurslinie vorgeschlagen worden, bei dem unter Verwendung eines geradlinigen Antennensystems jeweils zwei Einzelantennen nacheinander periodisch mit etwa sinusförmig verlaufender Anschaltgeschwindigkeit an eine Sendeeinrichtung an-
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seitig eine Schwebung entstehen kann. Einem derart gespeisten Antennensystem kann man, wie bereits erwähnt, ein Frequenzhubrichtdiagramm zuordnen, das bei Abständen der Einzelantennen von weniger als einem Viertel der Betriebswellenlänge, in Polarkoordinaten dargestellt, ein Doppelkreis ist.
Bei dem vorgeschlagenen Anflugfunkfeuer wird das durch die simulierte Bewegung zweier Antennen erzeugte Frequenzhubdiagramm in der Weise zur Richtungsbestimmung ausgewertet, dass die aus der entstandenen frequenzmoduliertenSchwebung abgeleitete NF-Spannung in besonderer Weise zur Anzeige der Richtungsinformation verwendet wird, während die Phase der NF-Spannung, d. h. ihr Vorzeichen (+) oder (-) die seitliche Links- oder Rechts-Ablage vom Leitstrahl kennzeichnet. Ein Nachteil eines derartigen Anflugfunkfeuers besteht darin, dass das Antennensystem in Verlängerung der Landebahn aufgestellt werden muss.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, in an sich bekannter Weise durch Abstrahlung zweier benachbarter Hochfrequenzträger eine Schwebung zu erzeugen und diese Schwebung durch den Doppler-
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Effekt, d. h. durch Simulierung einer Antennenbewegung in der Frequenz zu modulieren und das derart erzeugte Hubrichtdiagramm zur Richtungsbestimmung auszuwerten.
Gegenstand der Erfindung ist also ein System zur Richtungsbestimmung auf Grund von durch Anten- nenbewegung erzeugten Hub-Richtdiagrammen. Erfindungsgemäss sind zur Erzeugung des Diagrammes aber zwei im Abstand von mehreren Wellenlängen voneinander entfernte, vorzugsweise gleich lange An- tennenzeilen symmetrisch zu einer gewünschten Mittellinie vorgesehen, auf denen je für sich die Bewegung einer Antenne realisiert oder simuliert ist, wobei die beiden Antennen mit unterschiedlichen Trägerfrequenzen und mit unterschiedlicher Leistung gespeist werden, derart. dass empfangsseitig die Entstehung einer frequenzmodulierten Schwebung ermöglicht ist.
Die Bewegung der Antennen auf ihren
Zeilen erfolgt insbesondere mit 1800 Phasenverschiebung, so dass sich ein Diagramm, bestehend aus Linien gleichen resultierenden Frequenzhubes der Schwebungsfrequenz ausbildet, oder dass die Bewegung der Antennen auf ihren Zeilen mit einer von 1800 unterschiedlichen gegenseitigen Phasenbeziehung erfolgt, so dass sich ein Diagramm, bestehend aus Linien gleicher Phase gegenüber einer mit der aus der Frequenzmodulation der Schwebung gewonnenen Niederfrequenzspannung gleichfrequenten Bezugsphase ausbildet.
Durch die räumliche Auftrennung des Antennensystems in zwei Systemteile entstehen unter Ausnutzung der beiden Doppelkreis-Hubrichtdiagramme neuartige Kombinationsmöglichkeiten sowohl hinsichtlich der gegenseitigen räumlichen Orientierung der Zeilen als auch hinsichtlich der Phase der simulierten si- nusförmigen Bewegung der Einzelantennen. Die beiden Antennenzeilen können auf einer gemeinsamen Geraden aufgestellt sein, in einem beliebigen Winkel zueinander oder auch parallel zueinander, und die simulierte Bewegung kann synchron gegenläufig, d. h. mit einer Phasenverschiebung von 1800, oder mit beliebiger gegenseitiger Phase erfolgen.
Dadurch entstehen im Fern-und Nahfeld der Gesamtanordnung in Abhängigkeit von Aufstellung und simulierter Bewegung in vielseitiger Weise variierbare Felder von Linien bzw. Flächen, die als geometrische Örter gleichen Hubes bzw. gleicher Phase im Verhältnis zu einer Bewegungsfrequenz, die als Bezugsnormal in bekannter Weise zusätzlich ausgestrahlt und empfangen wird, zur Richtungsbestimmung ausgewertet werden können.
Die Erfindung wird an Hand von Beispielen und Figuren näher erläutert.
Fig. 1 stellt ein Feld von Linien gleichen Hubes dar, das bei Aufstellung der beiden Antennenzeilen auf einer gemeinsamen Geraden und synchron gegenläufiger simulierter Bewegung der Einzelantennen entsteht, d. h. bei Verschiebung des zeitlichen Ablaufes der Bewegung um eine Halbperiode, wobei als Periode, wie bekannt, eine vollständige Hin- und Rückbewegung verstanden ist.
In Fig. 2 sind Felder gleicher Phase gezeichnet, die entstehen, wenn die Antennenzeilen in gegen-
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Verlängerung, d. h.mulierte Bewegung auf der einen Zeile um - 450 und auf der andern Zeile um +450 gegen die Bezugsphase verschoben ist.
In Fig. 3 sind die Felder gleicher Phasenlinien gezeichnet, wenn die beiden Antennenzeilen einen Neigungswinkel von je 450 gegen die Verbindungslinie ihrer Mitten bilden, und die simulierten Bewegungen mit 900 gegenseitiger Phase erfolgen.
In Fig. 4 ist ein anderes Beispiel für Felder gleicher Phasenlinien gezeichnet, wobei die Antennen einen Neigungswinkel von 150 gegen die Verbindungslinie ihrer Mittelpunkte bilden, und die simulierte Bewegung der beiden Einzelantennen auf den Zeilen mit einer Phasenverschiebung von 90 gegeneinander erfolgt, d. h.-45 bzw. +45 gegenüber der Bezugsphase.
Fig. 5 stellt ein Feld gleicher Phasenlinien bei paralleler Aufstellung der Antennenzeilen und bei um 900 phasenverschobener simulierter Bewegung der beiden Einzelantennen dar.
In Fig. l sind die beiden Antennenzeilen I und II, auf denen eine Mehrzahl von einzelnen Antennen m gewissen Abständen, z. B. im Abstande von ad angeordnet sind, angedeutet.
Die Antennenzeilen sind, um die bekannten Vorteile aller Grossbasissysteme ausnutzen zu können, mehrere Wellenlängen lang. Die Länge der Zeile I kann von der der Zeile II verschieden sein. Für die hier erörterten Beispiele sei jedoch der Einfachheit der Betrachtung wegen angenommen, dass die Zeilen I und Il die gleiche Länge haben, so dass unter den geschilderten Arbeitsbedingungen der von beiden Zeilen erzeugte Hub die gleiche Grösse hat.
Auf jeder der Zeilen wird eine Antennenbewegung mit der gleichen, verhältnismässig niedrigen Frequenz f-in bekannter Weise mittels Schaltmittel simuliert, u. zw. derart, dass eine etwa sinusförmige Bewegung je einer Antenne auf jeder Zeile approximiert wird. Die Bewegung der beiden Antennen ge-
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e den Abstand der Mitte einer'Antennenzeile von der Symmetrielinie (cp= 0), cp den Phasenwinkel i derbetreffendenLinie, 6 den halben Winkel der Phasenverschiebung der gegenseitigen simulierten Bewe- gungen der Einzelantennen auf ihren Zeilen. y ist der Neigungswinkel einer Antennenzeile gegen die Verbindung-der Mitten der Antennenzeilen.
So bedeutet y = 00, dass die Zeilen auf einer gemeinsamen Geraden und'z. B. y == 900, dass die Zeilen zueinander parallel und senkrecht zur Verbindung der Mitten angeordnet sind. x und y sind die kartesischen Koordinaten eines Punktes P. Die Isophasen sind-von einigen ausge- zeichneten Phasenlinien abgesehen - Kurven vierter Ordnung,. wie die oben angegebene Formel zeigt.
Aus der zeichnerischen Konstruktion ergibt sich bereits anschaulich, dass sich auf einer Symmetrie- linie, d. i. die Mittelsenkrechte zur Verbindungslinie der Mitten beider Antennenzeilen, die Phase Null ergibt, und dass sich jeweils auf den Mittelsenkrechten jeder einzelnen Zeile, auf denen ja, wie bekannt, der Hub der jeweils zugehörigen Zeile Null ist und sich daher nur der von der jeweils andern Zeile her- rührende Hub auswirkt-eine Phase ergibt, die gegenüber der Bezugsphase-45 bzw. +45 beträgt.
Zwischen den Phasenlinien 00 und minus bzw. plus 45 bestehen entsprechende Phasenverschiebungen gegenüber der Bezugsphase und es entsteht (s. Fig. 2) ein Streifen, in dem, vom Nahfeld abgesehen, die
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chung von der Symmetrielinie (0 ), aufweisen. Die Hübe selbst werden aber bei dieser Anordnung mit grösser werdender Entfernung vom Funkfeuer immer kleiner, da sich die Schnittlinien, von den beiden
Zeilenmitten ausgehend, immer mehr der Mittelsenkrechten der Zeilen, also der Richtung des Hubes Null nähern.
Es muss abschliessend zu diesem Beispiel noch erwähnt werden, dass die Phasenfelder in allen vier Quadranten gleichartig sind, d. h. sowohl spiegelbildlich zur Symmetrielinie cp = 00 (y-Achse) als auch zur Verbindungslinie der Mitten beider Antennenzeilen (x-Achse).
Damit nun der resultierende Hub, wie soeben erläutert, im Fernfeld nicht allzu kleine Werte annimmt, wird in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, die beiden Antennenzeilen unter einem gewissen Winkel aufzustellen, wie es an Hand der Fig. 3 und 4 näher erläutert wird. Es ist klar, dass bei einer Winkelaufstellung der Antennenzeilen Spiegelbild-Symmetrie der Isophasenfelder in den vier Quadranten nicht mehr vorhanden ist, jedoch Achs-Symmetrie, bezogen auf die y-Achse.
In Fig. 3 sind, um die Variierbarkeit der Phasentelder möglichst deutlich zu veranschaulichen, die beiden Antennenzeilen unter einem Neigungswinkel von je 450 gegen die Verbindungslinie der Mitten der beiden Zeilen angeordnet, und der Ablauf der simulierten Antennenbewegung auf den einzelnen Zeilen erfolgt, wie bei dem Beispiel gemäss Fig. 2, unter 900 Phasenverschiebung.
Die einzelnen Linien gleicher Phase lassen sich unter Anwendung der bereits weiter oben angegebenen Formel ausrechnen oder graphisch ermitteln, und es ergibt sich ein Verlauf der Phasenfelder in den einzelnen Quadranten gemäss Hg. 3. Es zeigt sich insbesondere die Eigentümlichkeit, dass die Null-GradPhase sowohl auf der Symmetrielinie zu den Antennenzeilen als auch auf dem durch die Mitten der ein- zelnenAntennenzeilen gehenden Kreise, der den Abstand der Mitten der Antennenzeilen 2e zum Durchmesser hat, gemessen wird.
In Fig. 4 ist ein weiteres Beispiel von Isophasenfeldern gezeichnet, das in dieser Form entsteht, wenn die Antennenzeilen unter einem Winkel von 150 gegen die Verbindungslinie ihrer Mitte geneigt sind und die simulierte Bewegung je einer einzelnen Antenne auf jeder Zeile mit einer Phasenverschiebung von plus bzw. minus 450 gegen die Bezugsphase abläuft.
Die Phasenfelder können wieder mit Hilfe der oben angegebenen Formel ausgerechnet oder konstruiert werden. Die ausgezeichneten Linien mit der Null-Grad-Phase sind wieder, wie bei Fig. 3, die Symmetrielinie und der Kreis durch die Mitten der Antennenzeilen mit entsprechend verschobenem Mittelpunkt auf der Symmetrielinie.
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Man ersieht aus der Fig. 4, dass bei 150 Neigung der Antennenzeilen gegen die Verbindungslinie ihrer Mitten auch im Fernfeld noch etwa 30% des gesamten Zeilenhubes wirksam sind, und dass die Linien gleicher Phase in der Nähe der Symmetrielinie zip = 0 immer noch, ähnlich wie in Fig. 2, fast parallel verlaufen, was für ein Navigieren innerhalb dieses Bereiches, wie weiter unten noch näher erläutert wird, besonders günstig ist.
Wenn man nun die. simulierten Bewegungen der beiden Einzelantennen auf den Antennenzeilen nicht mit 900 gegenseitiger Phasenverschiebung ablaufen lässt, sondern unter einem andern Winkel, z. B. 600, dann ändert sich die Gestalt der Phasenlinien (Isophasen) nicht. Es wird aber der resultierende Hub, und somit die daraus abgeleitete Niederfrequenzspannung, in denjenigen Zonen grösser, in denen sich die von den beiden Zeilen herrührenden Hübe mit gleichem Vorzeichen zu einem resultierenden Hub zusammensetzen, und kleiner in den Bereichen, wo eine der Hubkomponenten umgekehrtes Vorzeichen hat.
Innerhalb des Streifens, der zwischen den Mittelsenkrechten auf den einzelnen Antennenzeilen liegt, wird also der resultierende Hub gegenüber einer Anordnung mit um 900 phasenverschobener simulierter Bewegung der Einzelantennen grösser, und es kann abgeschätzt werden, dass bei einem 600-System mit 150 Neigung der Antennenzeilen im Fernfeld der resultierende Hub auf der Symmetrielinie etwa 500 des grössten Hubes einer einzelnen Zeile erreichen wird.
Ausserhalb dieses Streifens wird der resultierende Hub allerdings wieder kleiner, was jedoch für die praktische Anwendung dieses Systems von geringer Bedeutung ist, da in der Hauptsache innerhalb des Streifens zwischen den Mittelsenkrechten navigiert werden soll. Da nun bei einem 600-System auf jeder dieser Mittelsenkrechten (Nullrichtung der zugehörigen einzelnen Zeile), gegenüber einem System mit um 900 phasenverschobener simulierter Antennenbewegung mit Phasenlinien von plus bzw. minus 450 auf der jeweiligen Mittelsenkrechten, die jeweils von der gegenüberliegenden Zeile auf Grund der Bewegung herrührenden Phase von plus bzw. minus 300 gemessen wird, ist der Gradient der Phasenlinien allerdings kleiner.
In der Praxis wird man daher den Wert für den Neigungswinkel der Zeilen und den Wert für die Phasenverschiebung des Ablaufes der simulierten Bewegungen der Einzelantennen auf den Zeilen entsprechend dem Verwendungszweck des Funkfeuers entsprechend dem gewunschten Hub und dem gewünschten Phasengradienten wählen.
In Fig. 5 ist ein anderes Beispiel für die Anwendung des Erfindungsgedankens gezeigt. Die beiden Antennenzeilen sind parallel zueinander in einem Abstande 2e aufgestellt, und der simulierte Bewegungsablauf ist synchron-gegenläufig, d. h. um 1800 phasen\erschoben. Es entstehen durch die derart simulierte Bewegung je einer Antenne auf jeder Zeile ein symmetrisches Feld von Phasenlinien in den einzelnen Halbebenen bzw. Quadranten, die Linien gleicher Phase sind Kreise.
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gezeichnete Linie mit der Phase Null gegenüber einer Bezugsphase ist, wie bei andern Systemen auch, die Mittelsenkrechte auf der Verbindungslinie der Mitten der beiden Antennenzeilen. Der Mittelpunkt
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Kreise r wird mittels der Formel r=e./ctg2cp/bestimmt.
Ein derartiges Funkfeuer kann für Aufgaben der See- und Luftfahrt wichtig sein.
Der Vorteil der hier beschriebenen Beispiele von Kurs- und Landefunkfeuern besteht darin, dass, - im Gegensatz zu allen bisher bekannten Systemen, bei denen empfangsseitig die Linien gleicher Empfindlichkeit, d. h. gleichen Instrumentenausschlages, als Differenz der Modulationsgrade verschiedener Modulationsfrequenzen ausgewertet werden, die im Ursprung der Ausstrahlung, also im Antennensystem, strahlenförmig zusammenlaufen, - bei den Beispielen von Funkfeuern gemäss Fig. 2 und. 4 der Erfindung zueinander parallel verlaufende, zur Navigation geeignete Linien gleicher Phase erzeugt werden können.
Diese zu einem festgelegten Anflugkurs, der durch die Mittelsenkrechte auf der Verbindungslinie der Mitten der Antennenzeilen (cp = 0) festgelegt sein möge, parallelen Linien gleicher Phase ergeben nämlich, praktisch unabhängig von der Entfernung, in einem die Ausstrahlung des Funkfeuers aufnehmenden Empfänger dengleichen Instrumentenausschlag. Dieser Umstand ist insbesondere bei der Aufschaltung der aus den Funksignalen abgeleiteten Messwerte auf eine automatische Kurssteuerung von grosser Bedeutung.
Bei der Verwendung eines Funkfeuers gemäss der Erfindung als Kurs- und Landefunkfeuer werden die beidenAl1tennenzeileningenügend grossem Abstande rechts und links der Landebahn aufgestellt. Das lan-
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dende Flugzeug rollt nach dem Aufsetzen zwischen den Antennenzeilen hindurch und findet auch auf der Rückseite der Anordnung noch die erforderliche Richtungsweisung.
Die von den Funkfeuern gemäss der Erfindung ausgesendeten frequenzmodulierten Richtungsinfor- mationen unterliegen beim Empfang im Flugzeug auch nicht den Störungen, die man bei den bisher üblichen, mit Amplitudenmodulation arbeitenden Landefunkfeuern beobachtet hat.
Bei den bisher üblichen Landefunkfeuern treten nämlich bei Annäherung des Flugzeuges an das Funkfeuer, also im Bereiche grosser Feldstärke, besonders starke Störungen des Empfanges infolge von Reflexionen der Sendeenergie an Gebäuden oder an andern in der Nähe fliegenden Flugzeugen auf. Dadurch wird gerade in der letzten Phase des Landemanövers, d. h. beim Ausschweben und Aufsetzen, in der die seitliche Führung des Flugzeuges am ausschlaggebendsten ist, der Empfang so stark gestört, dass die aufgenommenen Signale für eine Richtungsinformatinn unbrauchbar sind. Derartige Unzulänglichkeiten tre- ten bei dem Funkfeuer gemäss der Erfindung grundsätzlich nicht auf, da die Richtungsinformation aus einer Frequenzmodulation gewonnen wird.
Die Auswertung der Ausstrahlungen der Funkfeuer gemäss Fig. 2 - 5 der Erfindung erfolgt in bekann-
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beiden Modulationen der Energie des Funkfeuers (einer Amplituden- und einer Frequenzmodulation) abgeleiteten niederfrequenten Spannungskomponenten vorzunehmen. Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass die heute allgemein eingeführten VOR-Bordempfänger bei entsprechender Dimensionierung der Zeilen und der Bewegungsfrequenz ohne jede Änderung zur Aufnahme derartiger frequenzmodulierter Richtungsinformation geeignet sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. System zur Richtungsbestimmung auf Grund von durch Antennenbewegung erzeugten Hub-Richtdiagrammen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Diagrammes zwei im Abstand von mehreren Wellenlängen voneinander entfernte, vorzugsweise gleich lange Antennenzeilen (1, II) symmetrisch zu einer gewünschten Mittellinie vorgesehen sind, auf denen je für sich die Bewegung einer Antenne realisiert oder simuliert ist, wobei die beiden Antennen mit unterschiedlichen Trägerfrequenzen und mit unterschiedlicher Leistung gespeist werden, derart, dass empfangsseitig die Entstehung einer frequenzmodulierten Schwebung ermöglicht ist, wobei die Bewegung der Antennen auf ihren Zeilen, mit 1800 Phasenverschiebung erfolgt, so dass sich ein Diagramm, bestehend aus Linien gleichen resultierenden Frequenzhubes derSchwebungsfrequenz ausbildet,
oder dass die Bewegung der Antennen auf ihren Zeilen mit einer von 1800 unterschiedlichen gegenseitigen Phasenbeziehung erfolgt, so dass sich ein Diagramm, bestehend aus Linien gleicher Phase gegenüber einer mit der aus der Frequenzmodulation der Schwebung gewonnenen Niederfrequenzspannung gleichfrequenten Bezugsphase ausbildet.