Verfahren zur Mehrkanal-Fernübertragung verschiedener Regel- oder Steuersignale, insbesondere zur drahtlosen Übertragung zu Flugkörpern Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Mehrkanal-Fernübertragung ver schiedener Regel- oder Steuersignale, das es insbeson dere gestattet, derartige Regel- oder Steuersignale rasch beweglichen Flugkörpern drahtlos zu "übermitteln.
Bei der Steuerung von Flugkörpern, beispielsweise von Zielflugzeugen, ist das Problem zu lösen, eine grosse Anzahl von Informationen, etwa Steuer- und Regelbefehle für die verschiedenen Aggregate eines solchen Flugkörpers, diesem vorzugsweise gleichzeitig zu übermitteln.
Beispielsweise könnte man daran denken, jede In formation auf einer gesonderten Trägerfrequenz aus zusenden und im Empfangsobjekt diese Einzelfrequen zen zu empfangen. Bei diesem Frequenzmultiplexver- fahren wird empfangsseitig die Kanaltrennung und die Kanalzuordnung durch Filter vorgenommen, die die gleichzeitig angebotenen, mit verschiedenen Träger frequenzen modulierten Informationen voneinander trennen u. damit gleichzeitig die Kanalzuordnung vor nehmen. Für die Lösung dieser Aufgabe sind aufwen dige und teuere Filter erforderlich, weshalb dieses Verfahren für den vorliegenden Zweck unvorteahaft erscheint.
Untersucht man die Möglichkeit, die ver schiedenen Informationen in rascher Folge abzutasten und damit eine einzige Trägerwelle zu modulieren, d. h. die Informationen zeitlich verschachtelt auszu senden (Zeitmu,ltiplexverfahren) so zeigt sich, dass auch dieses Verfahren noch zu aufwendig ist: Die Ab tastung der Informationsfolge muss an der Sende- und Empfangsstelle gleichzeitig erfolgen, und dieser Syn- chronsmus ist nur durch besondere Massnahmen mög lich, etwa durch Zufügen von Synchronisierzeichen zur Information, die dann über geeignete Einrichtun gen den Synchronismus herstellen.
Es leuchtet ein, dass derartige Einrichtungen an Bord eines Flugkör pers nicht in jedem Falle eingesetzt werden können. Ein weiteres Problem, das @in diesem Zusammen hang zu lösen ist, stellt die Auswahl eines geeigneten Modulationsverfahrens dar, mit dem die Information zwecks drahtloser Übertragung einer Trägerwelle auf moduliert werden kann.
Eine direkte Amplitudenmo- dulation durch die Steuerinformation, so wünschens- wert. sie wegen der einfachen Ausführung der emp- fangsseitigen Einrichtung auch sein mag, ist nicht mög lich, da sich bei dem ins Auge gefassten Verwendungs zwecke der Abstand Sender-Empfänger laufend und sehr rasch verändert.
Daraus folgt, dass sich auch die Empfangsfeldstärke an Bord des Flugkörpers infolge der entfernungsabhängigen Dämpfung fortwährend verändern und somit eine Verfälschung der empfange nen Steuerinformationen eintreten kann. Die Sender ,leistung müsste zurVermeidung solcherErschein.ungen so gross sein, dass auch bei der grössten Entfernung Sender-Flugobjekt noch eine genügend grosse Emp- fangsfeldstärke zur Verfügung stünde.
Verringert sich jedoch der Abstand Sender-Flugobjekt, so besteht die Gefahr, dass die für die weiteste Entfernung benötigte Sendeleistung in Sendernähe zu Übersteuerung und Fehlansprechen der Regelanordnungen führen könnte. Dagegen ist die Verwendung von Frequenz- und Pha senmodulation für den gedachten Anwendungsfall prinzipiell möglich, jedoch zeigt sich wegen des gros sen Aufwands auf der Empfangsseite, wo es auf mini malen Energie- und Raumbedarf ankommt, dass -sie für diesen Anwendungsfall ausscheiden.
Der gleiche Gesichtspunkt gilt auch für die meisten Puls-Modula- tionsverfahren; von diesen Modulationsverfahren ist die Pulslängenmodulation (PLM) bezüglich ihres Auf wands als relativ günstig zu bezeichnen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, die die geschilderten Nachteile vermeidet und trozdem eine sichere Übermittlung mehrerer In formationen ermöglicht. Erfindungsgemäss handelt es sich um ein Verfahren zur Mehrkanal-Fernübertra- gung verschiedener Regel- oder Steuersignale, insbe sondere zur drahtlosen Übertragung zu Flugkörpern, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass sendeseitig ver schiedene Informationen in Form längenmodulierter Impulse mit verschiedenen Kanal-Kennfrequenzen zeit lich hintereinander einem Amplitudenmodulator zur Modulation einer der Übertragung dienenden Träger frequenz zugeführt werden, während in der Empfangs stelle nach der Demodulation die empfangenen län genmodulierten Impulse verschiedener Kanal-Kennfre- quenzen in der Amplitude begrenzt, anschliessend auf Grund des Frequenzkriteriums kanalweise voneinan der getrennt und dann den jeweils nachgeschalteten Steuer- bzw.
Regelanordnungen zur Auswertung zuge führt werden.
Bevor ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an hand der beigefügten Figuren eingehend erläutert wird, sollen im folgenden kurz ihre wesentlichen Gesichts- punkte angeführt werden.
Es wurden weiter oben bereits die verschiedenen Modulationsverfahren auf ihre Zweckmässigkeit und Anwendbarkeit hin untersucht. Als relativ billiges und einfaches Modulationsverfahren ergab sich schliesslich als Ergebnis dieser Überlegungen die Pulslängenmo- dulation (PLM). Diese PLM wird zwecks Aussendung einem AM-Träger aufmoduliert, der empfangsseitig mit geringem Aufwand demoduliert werden kann.
Um die auch bei diesem Verfahren noch vorhandene Abhän gigkeit der empfangenen Steuerinformation von der jeweiligen Entfernung Sender-Empfänger unabhängig zu machen, ist eine empfangsseitige Begrenzung erfor derlich. Die Anordnung eines Begrenzers auf der HF- Seite des Empfängers verbietet sich von selbst, da in diesem Falle die übertragene PLM-Steuerinformation ( < hinwegbegrenzt , also verschwinden würde.
Schaltet man den Begrenzer niederfrequenzseitig an den Emp fänger an, so ergeben sich für den Fall, dass nur eine PLM-Steuerinformation übertragen wird, keine Schwie rigkeiten. Bei einem Mehrkanal-System, bei dem die Kanaltrennung und -zuardnung lediglich auf dem Frequenzkriterium beruht, könnten aber, z. B. dem Flugkörper, die verschiedenen Informationen gleich zeitig zugeführt werden.
Eine NF-seitige Begrenzung mehrerer gleichzeitig auftretender PLM-Informationen durch einen einzigen Begrenzer scheidet wegen der dabei auftretenden Klirr- produkte aus. Die einzelnen PLM-Informationen müssten daher zunächst gemäss .ihrer Kanalzuordnung durch Filter voneinander getrennt werden. Jeder der so entstehenden Kanäle benötigt dann einen eigenen Begrenzer, und man erkennt, dass man nichts weiter als ein Frequenzmultiplexverfahren vor sich hat, dessen Aufwand für vorliegenden Zweck oben als zu gross erachtet wurde.
Die Erfindung trägt diesem Gesichtspunkt Rech nung. Es sollen daher nach dem Frequenzmultiplex- prinzip gebildete Kanäle nach dem Zeitmultiplexprin- zip nacheinander ausgesendet werden; damit entfällt empfangsseitig sowohl die Notwendigkeit, teuere und aufwendige Filter (wie beim reinen Frequenzmultiplex) als auch die Notwendigkeit, Synchronisiereinrichtun- gen (wie beim reinen Zeitmultiplex) einzusetzen oder, mit anderen Worten:
empfangsseitig erfolgt die Ka naltrennung bereits durch die sendeseitige zeitliche Staffelung, so dass die empfangsseitigen Filter im we sentlichen nur die Aufgabe der Kanalzuordnung ha ben. Diese Aufgabe ist aber mit einfachen und billi gen Filtern ohne weiteres ,lösbar. Gleichzeitig ergibt sich nunmehr die Möglichkeit, mit nur einem Be grenzer auszukommen, ohne dabei Schwierigkeiten befürchten zu müssen.
Die Kanalzuordnung auf Grund einer besonderen Kanalzugehörigkeits-Kennzeichnung der einzelnen Im pulse vorzunehmen, obwohl zudem eine zeitliche Tren nung vorliegt, ist an sich bereits bekannt. Solche Sy steme, die man häufig (ca = synchron nennt, sind vorgeschlagen worden, um dem unnötigen Zeitver schleiss zu begegnen, der sich durch gleichlange Ka nalperioden dann ergibt, wenn diese Perioden infolge der Eigenart der Nachrichtenmodulation nur unvoll kommen und schwankend ausgenutzt werden.
Ein sol ches asynchrones System wird dann zusätzlich arhyth- misch, wenn die Kanalreihenfolge nicht mehr durch eine äussere Gesetzmässigkeit bestimmt wird, sondern von den Nachrichten in den einzelnen Kanälen selbst, etwa in dem Sinn, dass die Kanäle nicht regelmässig, sondern immer dann bedient werden, wenn dies auf Grund der Nachrichtenfunktion erforderlich ist.
Ein solches Übertragungsverfahren ist dort am Platze, wo es auf eine maximale Ausnutzung der ver fügbaren übertragungskanalkapazität ankommt; der dazu erforderliche erhebliche Aufwand wird dabei in Kauf genommen, ebenso die relativ hohe Störanfällig keit. Dagegen kommt es bei der vorliegenden Erfin dung insbesondere darauf an, ein sicheres Verfahren zur Fernsteuerung von Flugkörpern zu schaffen, das den Raum- und Energieverhältnissen an Bord solcher Objekte angepasst ist. Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnungen beispielsweise näher erläutert werden; bei den zu übertragenden Informationen soll es sich um Steuer- oder Regelbefehle für die verschiedenen Steuer geräte eines Flugkörpers handeln.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Sende- und Emp fangsanlage. Es wird angenommen, dass drei Steuer vorgänge für die wirksame Steuerung eines Flugkör pers erforderlich sind und dass diese Vorgänge gleich zeitig geregelt werden sollen. Die durch diese Vor gänge zu übertragende Information wird in Form von Spannungen oder Strömen den Reglern la, 1b und 1c zugeführt, mit denen der gewünschte Steue rungsgrad eingeregelt werden kann.
Jeder Vorgang ge langt anschliessend in je einen PLM-Modulator 2a, 2b und 2c, deren jeder von einem getrennten Trägergene rator 4a, 4b und 4c mit den Frequenzen f1, f, und f3 gespeist wird. Ein Zyklusschalter 9 schaltet ähnlich dem Zeitmultiplexprinzip jeden der PLM-Modulato- ren 2a, 2b und 2c zeitlich versetzt an die gemein schaftliche Ausgangsleitung an.
Die PLM-Impulse der PLM-Modulatoren gelangen somit in einem einzigen Kanal zeitlich hintereinander zum AM-Modulator 5, in dem die zur Aussendung nötige Amplitudenmodu- iation erfolgt. Der AM-Modulator erhält seine HF Trägerfrequenz von einem nacht besonders dargestell ten Trägergenerator. Die amplitudenmodulierte fre- quenz- und pulslängencodierte Information durchläuft einen Sender 6 und wird von diesem über die Antenne abgestrahlt.
Auf der Empfangsstelle gelangt das von der Emp fangsantenne aufgenommene Signal in einen Emp fänger 7 und wird dort demodu;liert. Am Ausgang des Empfängers erhält man somit wieder die drei ur sprünglichen PLM-Signale in zeitlicher Staffelung. Die se können in einem Amplitudenbegrenzer 8 nunmehr leicht auf das gewünschte Mass begrenzt werden, ohne dass Signalanteile verloren gehen oder verfälscht wer den.
An den Ausgang des Amplitudenbegrenzers sind Bandpässe 9a, 9b und 9c parallel zueinander ange- schlossen. Deren Aufgabe ist es, die in zeitlicher Staffe- lungeintreffenden PLM-Signalegemäss ihrer Trägerfre quenz f,, f., und f3 voneinander zu trennen und den zu steuernden Anordnungen zuzuführen.
Die nunmehr ausgesiebten PLM-Signale gelangen auf je eine Regel anordnung 10a, lob und 10c und steuern diese in ge wünschter Weise. Der Regler wirkt auf einen Motor M, der mit einem Getriebe verbunden ist. An die Steuerwelle des Motors wiederum können die zu steuernden Anordnungen angeschlossen sein, beispiels weise die Ruder eines Flugkörpers.
In Fig. 2 sind zur Erläuterung der Fig. 1 die Spannungs-Kurvenformen aufgetragen, die an den in Fig. 1 mit einem bezifferten Kreis versehenen Stellen der Schaltungsanordnung auftreten.
Zeile 1 der Fig. 2 zeigt die auf der gemeinsamen Leitung zum AM-Modulator zeitlich hintereinander auftretenden PLM-Impulse. In Zeile 2 der gleichen Figur sind die gleichen Impulse dargestellt, nachdem sie im AM-Modulator 5 den HF-Träger amplituden- moduliert haben. Zeile 3 zeigt das Impulsbild, wie es sich an der Empfangsantenne ergibt. Dadurch, dass der Sender fest, der Empfänger aber sehr rasch be weglich ist, ergeben sich die Schwankungen in der Empfangsamplitude.
Diese zeitlich sich ändernden Impulse werden im Empfänger 7 demoduliert; man erhält so die Impulse gemäss Zeile 4. Nach anschlies- sender Begrenzung im Begrenzer 8 erhält man wieder Impulse ähnlich den ursprünglichen Sendeimpulsen (Zeile 5). Die Zeilen 6, 7, 8 zeigen, wie vermittels der Bandpässe die zeitlich hintereinander auftretenden Im pulse ausgesiebt und auf die einzelnen Regelanord nungen verteilt werden.
Anhand der Figuren 3, 4a und 4b soll nunmehr der Ablauf eines Regelvorganges erläutert werden. Fig. 3 zeigt das Wirkschaltbild einer der in Fig. 1 dargestellten Regelanordnungen 10a, 10b und 10c, die sämtlich gleich ausgeführt sein mögen. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 3 in der rechten Hälfte der Zeichnung in zwei Stromzweige, Zweig 1 und Zweig 2, aufgetrennt worden.
In Fig. 4a sind die beim Betrieb der Regelanord nung verwendeten Impulsformen dargestellt. Fig. 4b zeigt die an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 3 auftretenden Impulsverläufe.
Es werde zunächst das Empfangssignal nach De modulation im Empfanger am Ausgang des Begren zers 8 (Fig. 3) betrachtet. An dieser Stelle erscheinen die je nach Informationsgehalt verschiedenen längen modulierten Empfangssignale und werden den drei parallelliegenden Bandpässen 9a, 9b und 9c angeboten.
Jeder Bandpass filtert aus den zeitlich hintereinander auftretenden PLM-Signalen mit den Frequenzen f1, f. und f3 die ihm zugeordnete Frequenz aus und leitet sie an die angeschlossene Regelanordnung weiter.
Da mit wird eine Aufteilung der eintreffenden Regelbe fehle auf die jeweilige Regelanordnung, beispielswei se die Höhen- oder Seitenruder eines Flugkörpers, getroffen. Im folgenden werden in Fig. 3 nur der Weg der PLM-Signale mit der Frequenz f1 näher betrachtet. Nach Aussiebung durch den Bandpass 9a und Gleichrichtung in einem Gleichrichter 11 werden die PLM-Impulse zwecks Herstellung einheitlicher Flankensteilheit einem Schmitt-Trigger 12 zugeführt.
Am Ausgang des Schmitt-Triggers treten dann Im pulse auf, wie sie in Fig. 4a dargestellt sind, deren Impulslänge je nach ihrer Regelaufgabe verschieden ist. Die Bezeichnungen Ruder links, Ruder neutral, Ruder rechts geben die mit der jeweiligen Impuls- form erzielbare Ruderstellung an. Man erkennt, dass durch Variation der Impulsbreite von Ruder links bis Ruder rechts jede Ruder-Zwischenstellung möglich ist.
Vom Ausgang des Schmitt-Triggers gelangen die Regelimpulse gemäss Fig. 3 auf eine monostabile Kippschaltung 13. Diese wird jeweils durch eine an steigende Impulsflanke angestossen und ihre Verweil- zeit wird durch die Stellung eines Potentiometers P bestimmt.
An die monostabile Kippschaltung sind in einem Zweig 1 eine UND-Schaltung 14a mit einer nachfolgenden Schaltstufe 16a und in einem zweiten Zweig 2 zwei Inverterstufen 15a, 15b, eine UND- Schaltung 14b und eine Schaltstufe 16'b angeschlossen. Über die Ausgänge der Schaltstufen wird die Steue- rung des Motors mit nachgeschaltetem Getriebe vorge nommen. Die Wirkungsweise dieser Schaltglieder soll nun anhand der Fig. 4a und 4b näher dargestellt wer den.
Es werde angenommen, dass der Regelbefehl Ru der links (d. h. das Ruder soll nach links gedreht werden) empfangen wird (Fig. 4a, Zeile 1, Links). Das Ruder habe bisher in der Stellung Ruder neutral gestanden, die Verweilzeit der monostabilen Kipp- schaltung 13 beträgt also die Hälfte der für einen Re gelvorgang zur Verfügung stehenden Zeit, nämlich
EMI0004.0014
(Fig. 4a, Zeilen 1 und 2).
Am Ausgang des Sohmitt-Triggers 12 erscheint das Signal Ruder links mithin am Ausgang der monostabilen Kippschaltung 13 als ein Impuls umgekehrter Polarität mit der Dauer T1 (Fig. 4b, links). Diese beiden Impulse werden jetzt den beiden Schaltungszweigen 1 und 2 (Fig. 3) zuge führt. Im Zweig 1 gelangen sie zur UND-Schaltung 14a mit unveränderter Impulsform; die UND-Schal- tung 13 formt aus ihnen ein resultierendes Signal, das der Schaltstufe 16a zugeleitet wird (Fig. 4b).
Es sei vorausgesetzt, dass die Schaltstufen, die beispielsweise mit Transistoren arbeiten, nur bei Auftreten negativen Potentials durchschalten sollen. Das der Schaltstufe 16a im Zweig 1 zugeführte Potential gemäss Fig. 4b ist aber Null Volt, so dass sie nicht in Aktion tritt. Im Zweig 2 hingegen werden in den beiden Inverter- stufen 15a und 15b das ursprüngliche Signal Ruder links>> und der von der monostabilen Kippschaltung herrührende Impuls mit der Zeitdauer TI in ihrer Polarität vertauscht und dann der UND-Schaltung 14b zugeführt (Fig. 4b).
Diese bildet einen resultierenden Ausgangsimpuls negativer Polarität, der der Schalt stufe 16b zugeführt wird und diese durchschaltet. Der Motor wird an Betriebsspannung gelegt und verstellt über ein Getriebe das Potentiometer der monostabilen Kippschaltung und somit dessen Verweildauer so lan ge, bis diese neue Verweildauer gleich der Impuls länge des Impulses Ruder links ist. Ist dies erreicht, so bleibt der Motor stehen; dann ist, wie gewünscht, die Steuerachse abhängig von der Impulsdauer des Regelimpulses verstellt worden.
Die Regelanordnung bleibt bis zum Eintreffen eines anderen Regelbefehls in Ruhe; daraus folgt, dass nur für die Regelvorgänge Sendeenergie benötigt wird, es ist also klein ständig arbeitender Trägergenerator sendeseitig erforderlich.
Da elektrische Energie nur während der Regelvor gänge benötigt wird ist der Stromverbrauch bei Sender und Empfänger gering, was insbesondere für kleine Flugkörper wichtig ist. Für die Regelbefehle Ruder neutral und Ruder rechts sind in Fig. 4a und 4b die auftretenden Im pulsformen dargestellt, die aus den oben erläuterten Schaltvorgängen leicht abzuleiten sind. Auf eine ge naue Darstellung der Entstehung der Impulsformen gemäss Fig. 4a und 4b kann daher verzichtet werden.