DE102020107527A1

DE102020107527A1 - Luftfahrzeug mit drahtloser Leistungsbereitstellung

Info

Publication number: DE102020107527A1
Application number: DE102020107527.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Daniel
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2021-09-23
Also published as: WO2021185506A1; US20230141562A1; EP4122078A1

Abstract

Ein Luftfahrzeug weist eine erste Antennenanordnung (200), eine Nutzlast (300), und eine Verarbeitungseinheit (100) auf. Die erste Antennenanordnung ist ausgestaltet, elektromagnetische Signale drahtlos zu empfangen. Die Verarbeitungseinheit (100) ist mit der ersten Antennenanordnung einerseits und mit der Nutzlast (300) andererseits gekoppelt. Die Verarbeitungseinheit (100) ist ausgestaltet, ein von der ersten Antennenanordnung empfangenes elektromagnetisches Signal (30) zu modulieren und dadurch ein erstes moduliertes Signal zu erzeugen und an die Nutzlast (300) weiterzuleiten. Die Nutzlast (300) ist ausgestaltet, das erste modulierte Signal als Arbeitssignal zu verwenden. Somit wird ein Hochfrequenz-Leistungssignal einer Aufwärtsstrecke in ein Nutzlast-Arbeitssignal ummoduliert, so dass das Nutzlast-Arbeitssignal von der Nutzlast ohne Gleichrichtung in eine Gleichspannung unmittelbar verwendet werden kann.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein das technische Gebiet der Luftfahrt. Insbesondere betrifft die Beschreibung ein Luftfahrzeug, dem für das Betreiben von an Bord des Luftfahrzeugs befindlichen Energieverbrauchern bzw. Nutzlasten Leistung über eine Hochfrequenz-Strecke drahtlos übertragen wird.
Hintergrund der Erfindung
Luftfahrzeuge, frei fliegend oder gekoppelt mit einem Zug- oder Schleppfahrzeug, können ausgestaltet sein, verschieden lange Zeiträume in der Luft zu verbleiben. Hierfür ist eine bestimmte Menge Energie erforderlich, welche aus Energiespeichern entnommen oder aus anderen Quellen, wie beispielsweise Photovoltaikanlagen oder über Leitungen von einem Schleppfahrzeug, bereitgestellt werden kann. Die Energie wird benötigt, um ein Antriebssystem des Luftfahrzeugs und Komponenten an Bord des Luftfahrzeugs zu betreiben. Der Leistungsbedarf kann dabei stark schwanken, z.B. in Abhängigkeit der vorhandenen und verwendeten Komponenten und auch in Abhängigkeit einer Betriebsart dieser Komponenten.
Leichtluftfahrzeuge und Ultraleichtluftfahrzeuge zeichnen sich durch ein sehr geringes Gewicht im Verhältnis zu ihrer geometrischen Dimensionen aus. Das geringe Gewicht ist eine Folge von verschiedenen Eigenschaften und Anforderungen an die Ausgestaltung eines Ultraleichtluftfahrzeugs: Energie wird beispielsweise über eine Photovoltaikanlage bereitgestellt, so dass ein vorab befüllter Energiespeicher kein limitierender Faktor ist; ein Energiespeicher mit einer vorgegebenen Kapazität wird bereitgestellt, um die Phasen ohne Sonneneinstrahlung überbrücken zu können; die Struktur des Ultraleichtluftfahrzeugs ist auf niedriges Gewicht ausgelegt; es werden wenigen und leichte Komponenten und Nutzlasten an Bord des Ultraleichtluftfahrzeugs verbaut. Allgemein kann unter einem Luftfahrzeug ein frei fliegendes, gefesseltes, ballonartig schwebendes, mit dynamischen oder statischem Auftrieb ausgestattetes Luftfahrzeug sein.
Leichtluftfahrzeuge können beispielsweise als Beobachtungssysteme verwendet werden, indem sie mit Beobachtungsvorrichtungen und/oder Sendevorrichtungen, welche elektromagnetische Emissionen und Immissionen verwenden, ausgestattet werden. Ebenso können Leichtluftfahrzeuge einen Knoten in einem Kommunikationsverbund, insbesondere einem drahtlosen Kommunikationsverbund, darstellen, wenn sie mit den entsprechenden Übertragungsvorrichtungen ausgestattet sind.
Es mag sein, dass Beobachtungsvorrichtungen und Übertragungsvorrichtungen einen Energiebedarf haben, der durch die bordeigenen Energiespeicher und Energievorräte oder ggf. vorhandene externe Energiespeicher, die für das Luftfahrzeug zugänglich sind, nicht gedeckt werden kann.
Darstellung der Erfindung
Es kann daher als Aufgabe der Erfindung betrachtet werden, eine an Bord eines Luftfahrzeugs mit begrenzten Energieressourcen angeordnete Nutzlast, insbesondere eine Nutzlast, welche Hochfrequenz-Signale nutzt, mit Leistung zu versorgen und zu betreiben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung.
Gemäß einem Aspekt ist ein Luftfahrzeug beschrieben. Das Luftfahrzeug weist eine erste Antennenanordnung, eine Nutzlast und eine Verarbeitungseinheit auf.
Die erste Antennenanordnung ist ausgestaltet, elektromagnetische Signale drahtlos zu empfangen. Die Verarbeitungseinheit ist mit der ersten Antennenanordnung einerseits und mit der Nutzlast andererseits gekoppelt. Die Verarbeitungseinheit ist ausgestaltet, ein von der ersten Antennenanordnung empfangenes elektromagnetisches Signal zu modulieren und dadurch ein erstes moduliertes Signal zu erzeugen und an die Nutzlast weiterzuleiten. Die Nutzlast ist ausgestaltet, das erste modulierte Signal als Arbeitssignal zu verwenden.
Bei dem hierin beschriebenen Luftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein Leichtbauluftfahrzeug handeln. Als Leichtbauluftfahrzeug im Zusammenhang mit dieser Beschreibung wird insbesondere ein unbemanntes Luftfahrzeug mit einem Gewicht unterhalb von 200 kg, bevorzugt unterhalb von 150 kg, weiter bevorzugt unterhalb von 100 kg verstanden. Die Angaben über das Gewicht beziehen sich insbesondere jeweils auf das maximale Gewicht während des Betriebs des Leichtbauluftfahrzeugs. Das Leichtbauluftfahrzeug zeichnet sich durch eine Spannweite der Tragflächen über 10 m, bevorzugt über 15 m, weiter bevorzugt über 20 m aus. Bezogen auf die Spannweite ist das Gewicht des Leichtbauluftfahrzeugs also sehr niedrig. Ein niedriges Verhältnis zwischen Gewicht bezogen auf die Spannweite kann natürlich auch mit höheren Werten für Gewicht und Spannweite erreicht werden. Beispielsweise kann das Flugzeug 400 kg bei einer entsprechend hohen Spannweite von über 50 m oder gar über 70 m aufweisen. Ein solches Luftfahrzeug ist natürlich auch als Leichtbauluftfahrzeug zu verstehen. Das Leichtbauluftfahrzeug kann so ausgestaltet sein, dass es eine Einsatzdauer ohne Zwischenlandung auf der Erdoberfläche oder einer anderen fliegenden Plattform über mehrere Tage, beispielsweise mehr als 5, mehr als 10, oder sogar mehr als 20 Tage bis hin zu 100 oder 200 Tagen, bewältigen kann. Es ist ebenso denkbar, dass das Leichtbauluftfahrzeug auf erneuerbare Energiequellen oder die Sonnenstrahlung, zugreift, um Energie für das Betreiben des Leichtbauluftfahrzeugs zu erzeugen und dadurch die lange ununterbrochene Betriebsdauer zu ermöglichen.
Unter einem Luftfahrzeug im Sinne dieser Beschreibung kann insbesondere ein Luftfahrzeug mit den oben beschriebenen Rahmenbedingungen betreffend Gewicht, Spannweite und Eignung für die genannte Flughöhe sein. Bei einem Luftfahrzeug kann es sich aber allgemein um einen Flugkörper handeln, z.B. ein solcher, der für das Transportieren einer Last ausgelegt ist oder ein sogenannter Leichter-Als-Luft-Flugkörper.
Das Leichtbauluftfahrzeug weist eine Antriebseinheit, beispielsweise mindestens einen Propeller und damit gekoppelte Kraftmaschinen, auf. Die Kraftmaschinen sind bevorzugt elektrisch betrieben. Um Energie an die Kraftmaschinen bereitzustellen, kann eine Brennstoffzelle oder wiederaufladbare Batterien an Bord des Leichtbauluftfahrzeugs vorgesehen sein. Ebenfalls kann das Leichtbauluftfahrzeug eine Photovoltaik-Anlage aufweisen, um basierend auf dem Licht der Sonne elektrische Energie bereitzustellen. Desgleichen kann der Antrieb über eine Schleppvorrichtung am Boden erreicht werden.
Das Leichtbauluftfahrzeug kann insbesondere für Flugeinsätze in der Stratosphäre vorgesehen und geeignet sein. Die Stratosphäre erstreckt sich zwischen einer Höhe von 11 bis 50 km über Normalnull. Das Leichtbauluftfahrzeug kann beispielsweise im unteren Drittel der Stratosphäre fliegen, d.h. zwischen 11 und 25 km über Normalnull. Ein geschlepptes Leichtflugzeug kann insbesondere zwischen der Höhe von geringfügig über 0 km bis 1 km über Normalnull, aber auch bis 2 km oder 3 km über Normalnull fliegen.
Obige Werte für die Ausgestaltung und Dimensionierung (Größe, Gewicht, etc.) sind lediglich beispielhaft und ohne einschränkende Wirkung wiedergegeben. Jedenfalls ist das Gewicht bei einem Leichtbauluftfahrzeug ein relevanter Parameter und es ist angestrebt, das Gewicht so niedrig wie möglich zu halten. Es wird demnach vorgeschlagen, die Leistung für eine Nutzlast drahtlos von einer Gegenstelle an das Luftfahrzeug zu übertragen und dort für die weitere Verwendung in ein Wechselsignal umzuwandeln, und zwar ohne Umwandlung in ein Gleichstromsignal und /oder Zwischenspeicherung der Energie in einem Energiespeicher. Auf einen (evtl. zusätzlichen) Energiespeicher für die Nutzlast an Bord des Luftfahrzeugs kann demnach verzichtet werden, weil die Leistung über das elektromagnetische Signal an das Luftfahrzeug drahtlos übertragen wird und in dem Luftfahrzeug in ein moduliertes Wechselsignal gewandelt wird. Das modulierte Wechselsignal kann bevorzugt unmittelbar in der Nutzlast als Nutzsignal verwendet werden. Das bedeutet, dass das an das Luftfahrzeug übertragene elektromagnetische Signal nicht nur dem reinen Leistungstransport dient, sondern eine Vorstufe des Nutzsignals der Nutzlast darstellt. Das über die erste Antennenanordnung drahtlos empfangene Signal erfährt nur geringe Veränderungen seiner Form (z.B. wird, wenn das drahtlos empfangene Signal moduliert wird, seine Frequenz und/oder seine Phase und/oder seine Amplitude verändert bzw. moduliert) und wird dann als Nutzsignal der Nutzlast verwendet. Diese Veränderung der Form des Signals wird vorliegend als Modulation bezeichnet.
Die Nutzlast kann mehrere Verarbeitungseinheiten enthalten, in denen die Signale schrittweise nacheinander gewandelt werden. Es ist aber genauso möglich, dass diese mehrere Schritte in einer einzelnen Verarbeitungseinheit ausgeführt werden. Die Verarbeitungseinheit ist so ausgestaltet, dass er das drahtlos empfangene elektromagnetische Signal so moduliert bzw. wandelt, dass es nach dem Modulieren bzw. Wandeln direkt als Arbeitssignal oder Nutzsignal in der Nutzlast verwendet werden kann. Somit wird die Anzahl der an Bord des Luftfahrzeugs verwendeten Bauteile reduziert. Insbesondere kann auf einen Energiespeicher oder Energiezwischenspeicher verzichtet werden, was das Gewicht in einem Leichtbauluftfahrzeug niedrig hält.
Die erste Antennenanordnung ist an dem Luftfahrzeug angeordnet und ausgestaltet, Signale mit einer Wellenlänge von wenigen Zentimetern zu empfangen, insbesondere mit einer Wellenlänge von ca. 1 cm oder ca. 3 cm.
Dieses Signal befindet sich also im Bereich der Zentimeterwellen bzw. Mikrowellen.
Diese Wellenlängenbereiche für das drahtlos übertragene elektromagnetische Signal ermöglicht es, Antennen mit entsprechend geringen Ausmaßen zu verwenden. Um das Signal von einer Bodenstation an ein in der Luft befindliches Luftfahrzeug zu übertragen, kann es jedoch auf Grund der hohen Entfernung gewünscht sein, ein stark gebündeltes Signal zu erzeugen. Hierfür kann eine Antenne, deren Ausmaße einem hohen Vielfachen der Wellenlänge des Signals entsprechen, vorteilhaft sein. Beispielsweise kann eine Antenne verwendet werden, deren Durchmesser mindestens dem 100-fachen, oder mindestens dem 300-fachen, oder mindestens dem 1000-fachen der Wellenlänge des elektromagnetischen Signals entspricht. Diese Überlegungen gelten für die Sendeantenne in oder an der Gegenstelle.
Die erste Antennenanordnung an dem Luftfahrzeug ist typischerweise kleiner als die Sendeantenne und wird in der Regel die sich aus den physikalischen Eigenschaften der Signalübertragung ermittelbare Antennengröße kaum oder höchstens unwesentlich überschreiten. Die erste Antennenanordnung kann eine oder mehrere Empfangsantennen aufweisen. Die erste Antennenanordnung kann aus einer auf die Sendeantenne ausrichtbaren Antenne mit hohem Gewinn oder mehreren kleinen einzelnen Antennen mit geringem Gewinn aufgebaut sein. Ebenfalls kann eine Bündelung mittels elektronischen Phasenschiebern verwendet werden, um die empfangenen elektromagnetischen Signale phasenkohärent zu kombinieren. In einer Variante kann die Phasenkorrektur für einzelne kleinere Antennen auch in einem ersten Leistungsmodulator erfolgen, wenn jeder kleineren Antenne ein eigener (erster) Leistungsmodulator zugeordnet ist.
Die Nutzlast ist bevorzugt eine elektrische Komponente, insbesondere ein elektrischer Verbraucher. Dabei ist jedoch zu beachten, dass das elektromagnetische Signal in erster Linie nicht dazu dient, den oder die elektrischen Verbraucher, wie z.B. den Antrieb, mit Leistung für dessen Betrieb zu versorgen. Vielmehr wird das elektromagnetische Signal genutzt, um eine benötigte HF-Leistung für die Nutzlast direkt zur Verfügung zu stellen und nach einem Modulations- oder Transformationsschritt in einem oder mehreren Leistungsmodulatoren direkt als Nutzsignal (das erste modulierte Signal) an die elektrische Komponente geleitet zu werden, wo das Nutzsignal dann so wie es ist als Arbeitssignal verwendet werden kann.
Die Verarbeitungseinheit weist mindestens einen Modulator auf, welcher das empfangene elektromagnetische Signal moduliert, insbesondere in seiner Frequenz verändert, und das modulierte Signal an die Nutzlast weiterleitet.
Durch diesen Aufbau sind einige Komponenten in der Energiebereitstellungskette obsolet. Weil das elektromagnetische Signal moduliert wird und dadurch direkt ein Arbeitssignal der Nutzlast generiert wird, muss das Arbeitssignal nicht basierend auf Energie eines Energiespeichers erzeugt werden. Das an das Luftfahrzeug übertragene elektromagnetische Signal wird nicht erst in einem Energiespeicher zwischengespeichert und dann aus diesem Energiespeicher entnommen, um das Arbeitssignal der Nutzlast zu erzeugen. Vielmehr wird das elektromagnetische Signal durch Modulation umgewandelt, um direkt das Arbeitssignal der Nutzlast zu erhalten.
Beispielsweise kann die Verwendung von RADAR-Anlagen oder Teilen davon (z.B. von Abstrahleinheiten und/oder Empfangseinheiten), Kommunikations- oder elektronischen Funkaufklärungsanlagen und Gegenmaßnahmeanlagen als Nutzlast auf hoch fliegenden Plattformen besonders vorteilhaft sein, weil hoch fliegende Plattformen ein großes Zielgebiet haben. Im Fall von RADAR-Anlagen können Objekte daher auf große Entfernungen detektiert werden, bis zum sogenannten RADAR--Horizont, der weiter entfernt sein kann als der optische Horizont. Allerdings erfordern diese großen Entfernungen RADAR-Sendesignale von hoher Leistung. Ein Leichtluftfahrzeug kann die geforderten Leistungen in der Regel nur für eine sehr kurze Zeit bereitstellen, so dass gemäß den hierin beschriebenen Prinzipien ein anderer Weg zur Leistungsversorgung der Nutzlast mittels eines stark gebündelten Mikrowellensignals vorgeschlagen wird.
Der hierin beschriebene Ansatz der direkten Ummodulation eines elektromagnetischen Signals auf ein Nutzlast-Sendesignal mit einer anderen Frequenz ohne Leistungsgleichrichtung auf Gleichstrom lässt sich auch für hoch fliegende Kommunikationseinrichtungen zum Aussenden und Weiterleiten von Nachrichten verwenden. Auch die Verwendung in einer Anlage zur elektronischen Überwachung und Kampfführung installiert auf einem leichten hochfliegendem Luftfahrzeug ist möglich. Die Steuerung der genannten Einrichtungen kann z.B. durch auf ein Signal der Aufwärtsstrecke mit sehr geringem Modulationsindex (AM, FM, PM, PCM) aufmodulierten Steuersignalen und durch eine gemeinsame Steuereinheit erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Nutzlast eine zweite Antennenanordnung, die ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Nutzlast-Sendesignal zu verwenden, oder die Nutzlast ist eine Kommunikationsanlage, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Trägersignal einer drahtlosen Kommunikationsverbindung zu verwenden, oder die Nutzlast ist eine Aufklärungsanlage, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Sendersignal zu verwenden, oder die Nutzlast ist eine Datenverarbeitungseinheit, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Spannungs- und Stromversorgung zu verwenden.
Die Abstrahleinheit sendet das Nutzlast-Sendesignal aus und die Empfangseinheit empfängt die von Objekten reflektierten Nutzlast-Sendesignale und führt die empfangenen Signale einer weiteren Verarbeitung zu. Beispielsweise kann die Empfangseinheit an einem anderen Luftfahrzeug angeordnet sein als die Abstrahleinheit. Es ist möglich, dass sich die Empfangseinheit an einer Vorrichtung auf der Erdoberfläche befindet.
Alternativ kann die Nutzlast auch eine Übertragungseinheit in einem Kommunikationspfad sein. Es ist möglich, dass das erste modulierte Signal als Trägersignal einer Sendeanlage verwendet wird. Auch ist denkbar, dass das erste modulierte Signal als Betriebsspannung oder Betriebsstrom und ggf. als Taktsignal für einen Computer dient, welcher z.B. aus parametrisch gesteuerten Schaltkreisen aufgebaut sein kann. Alternativ kann die Nutzlast auch eine elektronische Überwachungsanlage sein, die das erste modulierte Signal als Trägersignal für eine Störsignal-Sendeanlage verwendet. Parametrische Verstärker oder Mischer gespeist mit dem ersten Sendesignal können verwendet werden, um das Nutzlast-Empfangssignal zu verstärken.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verarbeitungseinheit einen ersten Modulator auf. Der erste Modulator ist ausgestaltet, das empfangene elektromagnetische Signal auf eine niedrigere Frequenz abwärts zu modulieren, um das erste modulierte Signal zu erzeugen.
Das bedeutet, dass das empfangene elektromagnetische Signal auf einer höheren Frequenz an das Luftfahrzeug übertragen wird als die Frequenz des Arbeitssignals der Nutzlast. Insbesondere kann das elektromagnetische Signal auf eine Arbeitssignal-Frequenz moduliert werden, welche für die Verwendung der Nutzlast und die Umgebung des Luftfahrzeugs vorteilhaft ist. Beispielsweise kann das Arbeitssignal eine Wellenlänge von 10 cm haben. Damit eignet es sich als Signal für eine Abstrahleinheit und kann beispielsweise als RADAR-Signal verwendet werden. Signale mit dieser längeren Wellenlänge zeichnen sich durch geringere Dämpfungseigenschaften in der Atmosphäre aus, welche für die Verwendung als RADAR-Signal vorteilhaft sind. Wenn eine Kommunikationsanlage als Nutzlast verwendet wird, kann das Arbeitssignal der Nutzlast geeignete oder gewünschte Frequenzen haben.
Der erste Modulator kann aktiv steuerbare Bauelemente wie Halbleitertransistoren, Halbleiterdioden oder Röhren und/oder parametrisch veränderbare passive Bauteile wie beispielsweise Induktivitäten, Kapazitäten und/oder ohmsche Widerstände aufweisen.
In einer Variante können zwei Modulatoren verwendet werden. Diese beiden Modulatoren arbeiten bevorzugt mit einem hohen Wirkungsgrad und geringer Verlustleistung im Schaltbetrieb. Da dabei neben den gewünschten Mischfrequenzen auch viele unerwünschte Mischfrequenzen und harmonische Frequenzen entstehen können, enthalten die Modulatoren selber oder die nachgeordneten Einheiten oder auch die sendenden Antennenanordnungen geeignete Filter zur Aussiebung und Unterdrückung dieser unerwünschten Frequenzen. Dies erfolgt schon alleine deshalb, damit keine Leistung in unerwünschte oder unerlaubten Frequenzen erzeugt und übertragen wird. Weiter können die Modulatoren an ihren Eingängen oder die vorrausgehenden Einheiten oder die empfangenen Antennengruppen geeignete Filter enthalten, um nur die gewünschten Frequenzen weiterzuleiten und eine Störung des elektronischen Gesamtsystems durch andere Frequenzen, auch als Störsignale, zu verhindern.
In einer Variante kann an Stelle eines einzelnen ersten Modulators eine Vielzahl von Modulatoren verwendet werden, wovon jeder Modulator jeweils einer kleineren Antennenfläche eines größeren Antennenfeldes zugeordnet ist, und so phasenverschoben angesteuert werden die einzelnen empfangenen Leistungssignale der einzelnen kleinen Antennenflächen auf eine andere Frequenz des ersten modulierten Signals moduliert und gleichzeitig am Ausgang kohärent addiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der erste Modulator ausgestaltet, eine kohärente Modulation anzuwenden, um das erste modulierte Signal zu erzeugen.
Kohärent modulierte Signal werden beispielsweise in RADAR-Anlagen verwendet. Somit eignen sich auf diese Weise ausgestaltete Signal insbesondere für die Verwendung als RADAR-Signale für eine Abstrahleinheit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit ausgestaltet, einen Teil des empfangenen elektromagnetischen Signals in ein Gleichstromsignal zu wandeln und das Gleichstromsignal als Energieversorgung von Komponenten der Verarbeitungseinheit zu verwenden.
Grundsätzlich ist vorgesehen, dass das elektromagnetische Signal dazu dient, über eine Modulation in ein Arbeitssignal der Nutzlast verändert zu werden, wobei die Nutzlast das Arbeitssignal dann in dieser Form verwenden kann. Dennoch kann es sein, dass für den Betrieb der Nutzlast oder anderer Komponenten an Bord des Luftfahrzeugs elektrische Energie benötigt wird, welche in dieser Ausführungsform basierend auf dem an das Luftfahrzeug übertragenen elektromagnetischen Signal bereitgestellt wird. Dies kann zusätzlich den Bedarf von Energiespeichern an Bord des Luftfahrzeugs reduzieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verarbeitungseinheit einen zweiten Modulator auf, wobei der zweite Modulator ausgestaltet ist, ein Ausgabesignal der Nutzlast auf eine höhere oder niedrigere Frequenz zu modulieren und dadurch ein zweites moduliertes Signal zu erzeugen.
Der erste Modulator ist vorgesehen, aus dem elektromagnetischen Signal das Arbeitssignal zu erzeugen. Dieser Schritt kann einem ersten Zweig der Verarbeitungseinheit zugewiesen werden. In einem zweiten Zweig der Verarbeitungsanlage wird das Ausgabesignal der Nutzlast so verändert, dass es in einem Signal mit höherer Frequenz resultiert und über einen Abwärtskanal an eine Gegenstelle übertragen werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verarbeitungseinheit einen Datenkompressor auf, welcher ausgestaltet ist, das zweite modulierte Signal zu verarbeiten.
Das Ausgabesignal der Nutzlast und/oder das zweite modulierte Signal bedürfen in der Regel einer weiteren Verarbeitung. So muss das Ausgabesignal der Empfangseinheit in einer RADAR-Anlage verarbeitet werden, bevor basierend auf dem Ausgabesignal der Empfangseinheit Objekte erkannt und angezeigt werden können. Diese Verarbeitung kann an Bord des Luftfahrzeugs oder in der Gegenstelle, die das über den Abwärtskanal gesendete Signal empfängt, erfolgen. Einige Verarbeitungsschritte können an Bord des Luftfahrzeugs, andere in der Gegenstelle ausgeführt werden.
In einem Beispiel dient der Datenkompressor der Verarbeitung der von einer Empfangseinheit ausgegebenen Ausgabesignale.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Luftfahrzeug eine Abstrahleinheit und eine Empfangseinheit auf, wobei die Abstrahleinheit ausgestaltet ist, das Arbeitssignal als Nutzlast-Sendesignal auszusenden und wobei die Empfangseinheit ausgestaltet ist, elektromagnetische Signale als Nutzlast-Empfangssignal zu empfangen. Die Abstrahleinheit und die Empfangseinheit sind beispielsweise Teil einer RADAR-Anlage oder einer Kommunikationsanlage. Die Verarbeitungseinheit ist ausgestaltet, ein von der Abstrahleinheit empfangenes Signal, das Nutzlast-Empfangssignal, zu erhalten, zu modulieren, und das so modulierte Signal an die erste Antennenanordnung zu übertragen, um eine Übertragung dieses modulierten Signals mittels der ersten Antennenanordnung an eine Gegenstelle zu ermöglichen.
Die erste Antennenanordnung kann somit sowohl eine Empfangs- als auch eine Sendefunktion implementieren. Das Empfangen des elektromagnetischen Signals erfolgt über eine Aufwärtsstrecke (uplink) und das Übertragen an die Gegenstelle über eine Abwärtsstrecke (downlink). Die zweite Antennenanordnung kann Teil einer RADAR-Anlage sein und Sende- und Empfangsfunktionen der RADAR-Anlage erfüllen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein System angegeben, welches ein Luftfahrzeug und eine Bodeneinheit aufweist. Das Luftfahrzeug ist ein Luftfahrzeug wie hierin beschrieben. Die Bodeneinheit ist außerhalb des Luftfahrzeugs angeordnet und ist ausgestaltet, ein elektromagnetisches Signal drahtlos über eine Aufwärtsstrecke an das Luftfahrzeug zu übertragen und Signale von dem Luftfahrzeug über eine Abwärtsstrecke zu empfangen.
Die Bodeneinheit kann eine stationäre Einrichtung in Form eines Gebäudes oder eine mobile Einheit wie ein Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug sein. Die Gegenstelle weist eine Antennenanordnung auf, welche elektromagnetische Signale senden und/oder empfangen kann. Bevorzugt ist die Gegenstelle eine mobile Einrichtung, welche ihre Position verändern kann, wie auch das Luftfahrzeug über ihr. Es ist denkbar, dass die Gegenstelle und das Luftfahrzeug sich so relativ zueinander bewegen, dass sich ein Winkel zwischen der Erdoberfläche an der Position der Erdoberfläche und einer Sichtverbindung zwischen Gegenstelle und Luftfahrzeug (diese Sichtverbindung entspricht dem Verlauf der Aufwärts- und/oder Abwärtsstrecke) im Wesentlichen 90° beträgt, d.h. dass die Gegenstelle sich an dem Punkt der Erdoberfläche befindet, über dem das Luftfahrzeug sich aufhält. Es ist möglich, dass der Winkel sich in einem Wertebereich um 90° befindet, z.B. 85° bis 95°, 80° bis 100°, 70° bis 110°, z.B. bedingt durch eine seitliche Bewegung des Luftfahrzeugs und/oder des die Gegenstelle tragenden Fahrzeugs. Somit ist der Verlauf der Aufwärts- und/oder Abwärtsstrecke zwischen Gegenstelle und Luftfahrzeug etwa vertikal bezogen auf die Erdoberfläche und eine Distanz, die die drahtlose Verbindung durch die Atmosphäre zurücklegen muss, ist so kurz wie möglich, um die Dämpfung des elektromagnetischen Signals so gering wie möglich zu halten.
Somit ist die Gegenstelle in einer Ausführungsform auf der Erdoberfläche angeordnet.
In anderen Worten lassen sich die Eigenschaften des Luftfahrzeugs in einer Ausführungsform wie folgt zusammenfassen: mittels kurzwelliger Mikrowellenleistung wird ein elektromagnetisches Signal übertragen und über direkte aktive Modulation die Sendeleistung bzw. ein Nutzsignal für eine Abstrahleinheit einer RADAR-Anlage oder eine auf ähnlichen hohen Frequenzen arbeitende Kommunikationseinrichtung oder für ein elektronisches Aufklärungssystem bereitgestellt. Ein kleiner Teil der empfangenen Leistung kann gleichgerichtet und für den Betrieb von Komponenten wie Steuerungs- und Synchronisationsschaltungen sowie die Abwärtskommunikation verwendet werden. Dieser Ansatz ermöglicht den Betrieb einer leistungsfähigen RADAR- oder Kommunikations- oder elektronischen Aufklärungseinrichtung auf einer hoch fliegenden Plattform (UAV, Engl.: Unmanned Aerial Vehicle), die im Wesentlichen ihre gesamte oder einen Großteil ihrer eigenen elektrischen Leistung für den Antrieb benötigt. Dabei kann das elektromagnetische Signal der Aufwärtsstrecke auf einer hohen Frequenz gebündelt sein, so dass ein großer Teil der von der Gegenstelle abgestrahlten Mikrowellenleistung von der hoch fliegenden Plattform aufgefangen und für die Nutzlast genutzt werden kann. Das Luftfahrzeug weist eine Abwärtsstrecke auf, die leistungsschwächer als die Aufwärtsstrecke sein kann. Die Abwärtsstrecke kann wenig gebündelt oder fokussiert sein, so dass die Abwärtsstrecke von mehreren Gegenstellen empfangen und weiter verarbeitet werden kann.
Figurenliste
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Die Darstellungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Elemente. Es zeigen:

1 eine Darstellung eines Luftfahrzeugs und einer Gegenstelle, welche das hierin beschriebene Funktionsprinzip implementieren;
2 eine schematische Darstellung eines Luftfahrzeugs mit einer Nutzlast sowie die Verbindung des Luftfahrzeugs zu einer Gegenstelle;
3 eine schematische Darstellung der Komponenten eines Luftfahrzeugs.
4 eine schematische Darstellung der Komponenten eines Luftfahrzeugs in einer alternativen Ausgestaltung.
5 eine schematische Darstellung der Komponenten eines Luftfahrzeugs in einer alternativen Ausgestaltung.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt ein Darstellung und mögliche Verwendung eines elektronischen Systems 10 in einem Luftfahrzeug 1 mit einer Bodeneinheit 2, die eine Gegenstelle 20 enthält. Die Gegenstelle 20 auf dem Boden und das elektronische System 10 in dem Luftfahrzeug 1 stehen über eine HF-Aufwärtsstrecke 30 und HF-Abwärtsstrecke 40 in einer drahtlosen Verbindung miteinander. Dabei kann die Abwärtsstrecke 40 auch mit mehreren Gegenstellen 20 in Verbindung stehen.
Das System 10 in dem Luftfahrzeug 1 strahlt die über die Aufwärtsstrecke 30 empfangene HF-Leistung ohne Zwischenspeicherung oder Umwandlung in eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom nach einer Frequenzumwandlung in ein Nutzsignal wie ein RADAR-Signal, Kommunikationssignal oder Signal einer Störanwendung als HF-Leistung 315 wieder ab. Genauso werden Nutzsignale wie reflektierte RADAR-Signale, Kommunikationssignale oder Aufklärungssignale 325 vom System 10 empfangen und frequenzgewandelt über die Abwärtsstrecke 40 an die Gegenstelle 20 zurück übertragen.
1 zeigt in einer Übersichtsdarstellung ein Luftfahrzeug 1 mit einem System 10 und eine Bodeneinheit 2 mit einer Gegenstelle 20. Das Luftfahrzeug 1 ist in einer Variante eine leichte, hochfliegende unbemannte Plattform, deren Antriebssystem mit Solarstrom betrieben wird (Antriebssystem und Photovoltaikanlage nicht gezeigt), wobei nicht genügend elektrische Leistung oder gespeicherte elektrische Energie zum Betreiben zusätzlicher elektronischer Systeme wie Abstrahleinheiten und Kommunikationseinrichtung verfügbar ist. Auch ist der verfügbare Auftrieb zum Mitführen weiterer Solarzellen und elektrischer Energiespeicher oder eines Leistungsversorgungskabels sehr begrenzt. Diese notwendige Betriebsleistung (dies umfasst sowohl das Nutzlast-Sendesignal 315 als auch die Leistung für das Betreiben der Abstrahleinheit) soll hier als Hochfrequenzleistung von einer Gegenstelle 20 auf der Erdoberfläche, wie z.B. von einem Schiff oder Landfahrzeug mit einer ausreichender eigenen Leistungserzeugung, auf einer hohen und daher gut bündelbaren Hochfrequenz (Wellenlänge z.B. 0,97 cm, 1 cm oder 3 cm) direkt auf die fliegende Plattform über die Aufwärtsstrecke 30 mit ausreichender Leistung eingestrahlt werden. Eine Verwendung von optischer Laser-Strahlung ist möglich. Elektromagnetische Signale außerhalb des sichtbaren optischen Bereichs kann allerdings Vorteile haben bezüglich der Dämpfung durch die Atmosphäre und allgemein die Wetterabhängigkeit durch Wolken und Nebel über der See.
2 zeigt eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten und in dem Luftfahrzeug 1 angeordneten Systems 10. Über die Aufwärtsstrecke wird ein elektromagnetisches Signal (kann auch als HF-Leistungssignal bezeichnet werden) an das Luftfahrzeug übertragen. Die Abwärtsstrecke überträgt ein elektromagnetisches Signal (kann auch als Rück-Signal bezeichnet werden) in die Gegenrichtung, also zu der Gegenstelle 20. Über die Abwärtsstrecke 40 wird ein Signal an die Gegenstelle 20 zur weiteren Verarbeitung und Nutzung gesendet. Die Frequenz der Abwärtsstrecke ist in der Regel niedriger als die Frequenz des Signals auf der Aufwärtsstrecke, solange auf der Abwärtsstrecke keine sehr hohe Bündelung verlangt wird.
Das System 10 weist eine erste Antennenanordnung 200 auf. Die erste Antennenanordnung 200 ist ausgeführt, um das elektromagnetische Signal der Aufwärtsstrecke 30 zu empfangen und das elektromagnetische Signal der Abwärtsstrecke 40 zu senden. Die erste Antennenanordnung 200 kann eine oder mehrere Antennen enthalten, auch für weit auseinander liegende Frequenzen.
Die erste Antennenanordnung 200 ist mit der Verarbeitungseinheit 100 verbunden, um empfangene elektromagnetische Signale an die Verarbeitungseinheit 100 zu übertragen und zu sendende elektromagnetische Signale von der Verarbeitungseinheit 100 zu erhalten.
Das System 10 weist eine Nutzlast 300 auf, welche das erste modulierte Signal als Arbeitssignal verwendet. Die Nutzlast 300 kann in einem Beispiel eine Abstrahleinheit und Empfangseinheit für eine RADAR-Anlage sein.
In einem Beispiel kann die Nutzlast eine Antennenanlage für eine RADAR-Anlage sein, wobei die Antennenanlage der RADAR-Anlage eine Abstrahleinheit und eine Empfangseinheit aufweist. Es kann auch eine andere Nutzlast verwendet werden. Das Signal 315 wird dann allgemein als Nutzlast-Sendesignal und das Signal 325 allgemein als Nutzlast-Empfangssignal bezeichnet.
Auf dem Luftfahrzeug 1 wird die fokussierte und über die Aufwärtsstrecke 30 eingestrahlte Hochfrequenzleistung von verteilten Empfangsantennen als Bestandteil der ersten Antennenanordnung 200 gerichtet aufgenommen und mittels aktiver Leistungsmodulatoren in dem System 10 direkt von der hohen eingestrahlten Frequenz zu einer niedrigeren Frequenzen für die Ortung oder Kommunikation moduliert und über geeignete Antennen (z.B. Abstrahleinheit 310) wieder abgestrahlt. Ebenso werden die Nutzlast-Empfangssignale 325 auf dem Luftfahrzeug nur minimal vorverarbeitet und komprimiert und erneut mittels der Mikrowellen Leistungs-Versorgung in dem System 10 moduliert und wenig gebündelt über die Abwärtsstrecke 40 in Richtung der Gegenstelle(n) 20 abgestrahlt, wo sie von mehreren Gegenstellen empfangen und weiterverarbeitet werden können. Für die Auswahl der Ortungs- oder Kommunikationsfrequenzen sowie die Leistungsübertragung ist die atmosphärischen Dämpfung sowie übliche Verfahren in der Schifffahrt maßgebend.
3 beschreibt in einem höheren Detaillierungsgrad den Aufbau der Verarbeitungseinheit 100 des Systems 10 aus 2.
Die Verarbeitungseinheit 100 ist einerseits mit einer Empfangsantenne 210 und einer Sendeantenne 220 der ersten Antennenanordnung 200 verbunden. Die Empfangsantenne 210 empfängt elektromagnetische Signale der Aufwärtsstrecke 30, die Sendeantenne 220 überträgt elektromagnetische Signale der Abwärtsstrecke 40.
Die Verarbeitungseinheit weist einen ersten Modulator 110 auf. Der erste Modulator 110, gesteuert durch den ersten Oszillator 115, moduliert das Signal der Aufwärtsstrecke 30, um das Nutzsignal für einen weiteren Modulator 130 und die Abstrahleinheit 310 der Nutzlast 300 zu erhalten. Dieses Nutzsignal wird direkt und ohne Umweg über eine Gleichrichtung auf die Abstrahleinheit 310 (oder eine Sendeeinheit einer Kommunikationsverbindung) gegeben. In dem in 3 gezeigten Beispiel befindet sich ein weiterer Modulator 130, welcher eine Signalbearbeitungseinheit sein kann, z.B. für die Synchronisation und Phasenschwenkung, zwischen dem ersten Modulator 110 und der Abstrahleinheit 310.
Weiterhin weist die Verarbeitungseinheit 100 einen zweiten Modulator 120 auf. Der zweite Modulator erhält und verwendet das Empfangssignal von der Nutzlast 300 und moduliert dies so, dass es über die Abwärtsstrecke 40 übertragen werden kann. Zwischen dem zweiten Modulator 120 und der Empfangsantenneneinheit 320 der Nutzlast 300 ist eine optionale Empfangs- und Signalverarbeitungseinheit 140 angeordnet. Zwischen dem zweiten Modulator 120 und der Sendeantenne 220 der ersten Antennenanordnung 200 ist ein optionaler Datenkompressor 150 angeordnet. Mit dem ersten Modulator 110 ist ein erster Mischoszillator 115 verbunden und mit dem zweiten Modulator 120 ist ein zweiter Mischoszillator 125 verbunden. Die Mischoszillatoren 115, 125 mit den Modulatoren 110 und 120 haben auch die Aufgabe, bei Antennenanordnungen bestehend aus mehreren Sende- und Empfangsantennen eine Phasenkohärenz herzustellen, so dass die Signale phasenrichtig kombiniert werden können.
In dem Zweig des ersten Modulators 110 und dem Zweig des zweiten Modulators 120 erfolgt eine direkte Signalumwandlung bzw. Frequenzänderung. Der erste Modulator 110 moduliert das Signal der Aufwärtsstrecke 30 so, dass dieses modulierte Signal direkt als RADAR--Sendersignal genutzt werden kann. Der zweite Modulator 120 moduliert das ggf. vorverarbeitete Empfangssignal so, dass es direkt als Signal der Abwärtsstrecke genutzt werden kann.
Die Verarbeitungseinheit 100 weist zwei Modulatoren 110, 120 zur Remodulation der empfangenen Mikrowellenleistung mit der Aufwärtsstrecken-Frequenz (Frequenz des Signals der Aufwärtsstrecke 30) fup zur niedrigeren RADAR-Sendefrequenz f_RADAR und der RADAR-Empfangsfrequenz f_RADAR zur niedrigeren Abwärtsstrecken-Frequenz (Frequenz des Signals der Abwärtsstrecke 40) f_Down. Die Leistungsmischer verwenden wie gewöhnlich aktive Bauelemente wie Dioden, Transistoren oder Röhren oder passive Bauelemente wie parametrisch veränderbare Induktivitäten oder Kapazitäten. Anders als andere Mischer verwenden sie keine Gleichspannungs-Betriebsspannungsversorgung, sondern ausschließlich Mikrowellen-Spannungen, ähnlich wie AC-AC Konverter in der Leistungselektronik. Nur ein kleiner Teil der Mikrowellenleistung wird gleichgerichtet und für einige Steuerschaltungen wie die Oszillatoren 115, 125 und eine Steuereinheit 400.
Dabei stehen die Frequenzen der Mischoszillatoren 115 und 125 in festen oder variablen Zahlenverhältnissen, f₁ = I/k fup und f₂ = m/n f₁, um so eine niedrigere RADAR-Sende- und Empfangsfrequenz f_RADAR = fup - f₁ zu erzeugen sowie eine davon verschiedene Abwärtsstrecken-Frequenz f_down = f_RADAR + f₂. Eine einfache Kohärenz aller Frequenzen wird dabei durch die Gegenstelle 20 (auch: Bodenstation) erreicht, die einen hochpräzisen Oszillator für die Aufwärtsstrecken-Frequenz fup hat. Bei einer Signalverarbeitung durch den Datenkompressor 150 an Bord des Luftfahrzeugs kann diese Bedingung abgeschwächt werden, nur die beiden lokalen Mischoszillatoren 115 mit f₁ und 125 mit f₂ müssen für eine kohärente Signalverarbeitung in Phase sein, z.B. durch eine gemeinsame hochkonstante Frequenzquelle.
Zwischen dem ersten Modulator 110 und der Abstrahleinheit 310 ist ein weiterer Modulator 130 angeordnet, um eine Synchronisation zur Erkennung der RADAR-Reflektionen, Phasenschiebung zur aktiven Strahlschwenkung sowie Entfernungsmessung zu ermöglichen.
Der Sende-Empfangskanal bestehend aus Aufwärtsstrecke 30 und Abwärtsstrecke 40 kann entsprechend der Antennencharakteristik mehrfach vorhanden sein, um ein breite Abstrahlung sowie eine Winkelauflösung aus der Phasenverschiebung in mehreren Empfangskanälen zu errechnen, wie üblich in Antennen mit elektronischer Strahlschwenkung. Dieser Schritt wird jedoch in der Gegenstelle 20 ausgeführt.
Da die drahtlose Leistungsübertragung der Aufwärtsstrecke 30 am günstigsten für eine optimale Auslegung der Sendeendstufen in der Gegenstelle 20 stetig und gleichmäßig erfolgt, muss das RADAR-Signal diese Leistung vorteilhafterweise stetig und gleichmäßig als Nutzsignal 315 wieder abstrahlen, da keine Speicherung der Mikrowellenleistung im Luftfahrzeug möglich und sinnvoll ist. Diese Abstrahlung der RADAR-Sendeleistung mittels des RADAR-Sendesignals 315 kann in zwei Arten erfolgen: als umlaufender fokussierter Strahl, wobei jeder einzelne Leistungsmodulator 110 die volle Leistung der Aufwärtsstrecke umsetzen können muss und wobei eine Phasensteuerung die elektronische Strahlschwenkung macht (hierbei erfolgt auch nur ein Empfangen des Empfangssignals 325 aus diesem engen Strahl. Aufgrund der stärker gebündelten Sendeleistung ist eine geringere Anzahl von Integrationen des Empfangssignals 325 nötig, das Gesamtbild wird nur mit jedem Strahlumlauf aktualisiert) oder rundum als kontinuierliche kreisförmige Abstrahlung oder soweit es die Antenne ermöglicht, wobei alle einzelnen Leistungsmodulatoren 110 zusammen die drahtlose Leistung der Aufwärtsstrecke übernehmen müssen, womit jeder Leistungsmodulator 110 mit einer geringeren Leistung ausgestaltet sein kann. Eine Strahlschwenkung kann über eine umlaufende Phasenmodulation über den ersten Modulator 110 und/oder den weiteren Modulator 130 erfolgen oder bei dauernder ungerichteter kohärenter Rundum-Abstrahlung durch eine Phasenauswertung im Empfangskanal des zweiten Modulators 120 erfolgen.
Die Steuerung der Nutzlast 300 mit Abstrahleinheit 310 und Empfangseinheit 320 erfolgt durch auf das Signal der Aufwärtsstrecke 30 mit sehr geringem Modulationsindex (AM, FM, PM, PCM) aufmodulierte Steuersignale. Auch eine zentrale Synchronisation kann aufmoduliert werden, die so allen empfangenden Bodenstationen oder Schiffen im Empfangsbereich der abgestrahlten komprimierten RADAR-Empfangssignalen eine eigenständige Auswertung und Darstellung ermöglicht. Genauso können durch Modulation der Aufwärtsstrecke 30 mit sehr geringem Modulationsindex die nötigen Steuer- und Kommandosignale für die zentrale Steuereinheit 400, die über Steuer- und Synchronisations-Signalleitungen mit allen Blöcken (nicht gezeigt) in der Verarbeitungseinheit 100 in Verbindung steht, übertragen werden.
Für die drahtlose Signalübertragung auf den Übertragungsstrecken 30, 40 von der Gegenstelle 20 zum hoch fliegenden Luftfahrzeug 1 wird ein hoch fokussierter Mikrowellenstrahl verwendet. Für eine hohe Bündelung muss der Durchmesser D_TX der Sendeantenne der Gegenstelle 20 erheblich größer als die Wellenlänge λ_TX sein, DTX > 100 λ_TX oder auch D_TX > 300 λ_TX, oder auch DTX > 1000 λ_TX. Da die Abstrahlung weitgehend vertikal erfolgt, können auch kürzere Wellenlängen wie λ = 3 cm oder λ = 0,97 cm verwendet werden, die in der Atmosphäre zwar eine höhere Dämpfung erfahren, die hoch dämpfenden Wolken aber vertikal, d.h. auf dem kürzesten Wege, durchqueren und so das Ausmaß der Dämpfung begrenzt bleibt. Weiter erlauben kurze Wellenlängen eine hohe Fokussierung mit Antennenflächen, die auch für mobile Bodenstation oder auf Schiffen möglich sind. Wegen der hohen Fokussierung und damit engen Begrenzung der Mikrowellenenergie muss dabei die Sendeantenne in der Gegenstelle mechanisch schwenkbar sein oder durch Phasenverschiebung im Senderantennenfeld der drahtlose Aufwärtsstrahl 30 elektronisch geschwenkt werden und so den genauen Flugbewegungen des hoch fliegenden Luftfahrzeugs folgen kann. Wegen der hohen Bündelung muss auch die Empfangsantenne 210 der Sendeantenne der Gegenstelle durch elektronische Strahlschwenkung, d.h. Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Elementen der Empfangsantenne, folgen, da eine mechanische Schwenkung ein zu hohes Gewicht haben würde. Eine starke Fokussierung ist für eine hohe Übertragungsökonomie vorteilhaft, da ein Großteil der über die Sendeantennenfläche A_TX abgestrahlte Mikrowellenleistung mit der Empfangsantennenfläche A_RX der Empfangsantenne 210 am Luftfahrzeug 1 in etwa 20 km Höhe oder auch nur in einer Höhe von 1 km bis 2 km empfangen werden soll.
Dabei bilden die Leistung sendende Gegenstelle 20 und das empfangende System 10 in dem Luftfahrzeug 1 ein kooperatives System, das wechselweise die Sende- und Empfangscharakteristik für eine optimale Leistungsübertragung aneinander angleicht.
Die Abwärtsstrecke 40 nutzt eine weit geringere Frequenz als die Aufwärtsstrecke 30, was eine deutlich breitere Abstrahlung durch die Sendeantenne 220 im Luftfahrzeug 1 ergibt. Dies hat den Vorteil, dass mehrere voneinander unabhängige Gegenstellen 20 das RADAR-Empfangssignal auf der Abwärtsstrecke 40 für ihre Zwecke auswerten und darstellen können.
Die RADAR-Abstrahlung kann rundstrahlend, um das Luftfahrzeug 1 herum erfolgen, wenn eine solche rundstrahlende Antenne eingebaut werden kann. Dies ermöglicht eine permanente Rundumsicht auch bei einem geradlinigen Kurs des Luftfahrzeugs. Alternativ kann eine längliche Antenne, die nur zwei Halbräume, vorne und hinten oder rechts und links zum kreisenden Flugweg des Luftfahrzeuges ausleuchten kann, verwendet werden. Um ein volles Bild zu erhalten, muss das Luftfahrzeug in diesem Fall über einer wenig veränderlichen Aufklärungsposition über Land kreisen, oder der Bewegung eines Flottenverbandes über See kreisend folgen. So eine längliche Antenne kann die Bauausführung des Luftfahrzeugs 1 erheblich vereinfachen.
Um mit der verfügbaren Sendeenergie möglichst effektiv ein Suchgebiet auszustrahlen, kann das Antennendiagramm vertikal schwenkbar sein, um dadurch Schieflagen des Luftfahrzeuges und der Antennen auszugleichen.
Die Verarbeitungseinheit 100 weist eine Steuereinheit 400 auf, welche die einzelnen Komponenten steuert.
Bezugnehmend auf 3 zeigt 4 eine alternative Ausgestaltung des Systems 10 für ein Luftfahrzeug 1. In dieser Ausgestaltung ist eine kombinierte Antennenanlage 330 bereitgestellt, welche die Funktionen der Abstrahleinheit 310 und der Empfangseinheit 320 aus 3 kombiniert. Die Antennenanlage 330 sendet ein RADAR-Sendesignal 315 aus. Die Antennenanlage 330 empfängt auch ein RADAR-Empfangssignal 325. Das RADAR-Sendesignal 315 wird von der Verarbeitungseinheit 100 erzeugt, indem das elektromagnetische Signal der Aufwärtsstrecke 30 moduliert (d.h. in seiner Frequenz verändert) wird. Das modulierte Signal wird an die Antennenanlage 330 weitergegeben und von ihr als RADAR-Sendesignal 315 abgestrahlt. Beide Signale von und zu der Antennenanlage 330 werden in der Verarbeitungseinheit 100 durch einen Zirkulator oder Diplexer 160 je nach Signalrichtung oder Signalfrequenz aufgeteilt.
Bezugnehmend auf 3 und 4 zeigt 5 eine weitere alternative Ausgestaltung des elektronischen Systems 10 für ein Luftfahrzeug 1. Hier ist eine beliebige Kommunikations- oder Messeinrichtung 330, die über eine beliebige Verbindung 335 mit der Umgebung in Verbindung steht, gezeigt. Die anderen Komponenten 110, 115, 120, 125, 150, 400 haben die gleiche Funktionen wie schon für die 3 und 4 beschrieben.
Die Verarbeitungseinheit 100 weist eine zwischen den Modulatoren 110, 120 angeordnete universelle Datenverarbeitungseinheit 170, wie z.B. einen Computer, auf. Die Datenverarbeitungseinheit wird mit einer hochfrequenten Spannungs- oder Stromversorgung, gewonnen aus dem ersten Modulator 110, betrieben, und nicht wie in allgemein üblichen Ausführungen mit einer oder mehreren Gleichspannungen, was einen Leistungsgleichrichter in bekannter Ausführung erfordern würde. Dies ist möglich, wenn die Schaltelemente in der Datenverarbeitungseinheit 170 nicht allgemein übliche Schaltungen mit Gleichspannungs- oder Stromversorgung sind, sondern parametrisch veränderliche Hochfrequenz-Wechselstrom Schaltungen, wie z.B. Parametrons oder parametrische Verstärker oder Mischer.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ oder „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Luftfahrzeug
2: Bodeneinheit
10: elektronisches System
20: Gegenstelle
30: Aufwärtsstrecke
40: Abwärtsstrecke
100: Verarbeitungseinheit
110: erster Modulator
115: erster Mischoszillator
120: zweiter Modulator
125: zweiter Mischoszillator
130: Modulator, Signalkonditionierung
140: Empfangs- und Signalverarbeitungseinheit
150: Datenkompressor
160: Zirkulator, Diplexer
170: Datenverarbeitungseinheit
200: erste Antennenanordnung
210: Empfangsantenne
220: Sendeantenne
300: Nutzlast
310: Abstrahleinheit
315: Nutzlast-Sendesignal
320: Empfangseinheit
325: Nutzlast-Empfangssignal
330: kombinierte Sende- und Empfangsantennenanlage
335: Verbindung zur Umwelt
400: Steuereinheit

Claims

Luftfahrzeug (1) aufweisend: eine erste Antennenanordnung (200), welche ausgestaltet ist, elektromagnetische Signale drahtlos zu empfangen; eine Nutzlast (300); eine Verarbeitungseinheit (100), welche mit der ersten Antennenanordnung (200) einerseits und mit der Nutzlast (300) andererseits gekoppelt ist; wobei die Verarbeitungseinheit (100) ausgestaltet ist, ein von der ersten Antennenanordnung (200) empfangenes elektromagnetisches Signal (30) zu modulieren und dadurch ein erstes moduliertes Signal zu erzeugen und an die Nutzlast (300) weiterzuleiten; wobei die Nutzlast (300) ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Arbeitssignal zu verwenden.
Luftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, wobei die Nutzlast (300) eine zweite Antennenanordnung ist, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Nutzlast-Sendesignal (315) zu verwenden; oder; wobei die Nutzlast (300) eine Kommunikationsanlage ist, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Trägersignal einer drahtlosen Kommunikationsverbindung zu verwenden; oder wobei die Nutzlast (300) eine Aufklärungsanlage ist, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Sendersignal zu verwenden; oder wobei die Nutzlast (300) eine Datenverarbeitungseinheit (170) ist, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Spannungs- und Stromversorgung zu verwenden.
Luftfahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verarbeitungseinheit (100) einen ersten Modulator (110) aufweist; wobei der erste Modulator (110) ausgestaltet ist, das empfangene elektromagnetische Signal (30) auf eine niedrigere Frequenz abwärts zu modulieren, um das erste modulierte Signal zu erzeugen.
Luftfahrzeug (1) nach Anspruch 3, wobei der erste Modulator (110) ausgestaltet ist, eine kohärente Modulation anzuwenden, um das erste modulierte Signal zu erzeugen.
Luftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit ausgestaltet ist, einen Teil des empfangenen elektromagnetischen Signals (30) in ein Gleichstromsignal zu wandeln und das Gleichstromsignal als Energieversorgung von Komponenten des Luftfahrzeugs zu verwenden.
Luftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit (100) einen zweiten Modulator (120) aufweist; wobei der zweite Modulator (120) ausgestaltet ist, ein Ausgabesignal der Nutzlast (300) auf eine höhere oder niedrigere Frequenz zu modulieren und dadurch ein zweites moduliertes Signal zu erzeugen.
Luftfahrzeug (1) nach Anspruch 6, wobei die Verarbeitungseinheit (100) einen Datenkompressor (150) aufweist, welcher ausgestaltet ist, das zweite modulierte Signal zu verarbeiten.
Luftfahrzeug (1) nach Anspruch 6 oder 7, weiterhin aufweisend eine Abstrahleinheit (310) und eine Empfangseinheit (320); wobei die Abstrahleinheit (310) ausgestaltet ist, das Arbeitssignal als Nutzlast-Sendesignal (315) auszusenden; wobei die Empfangseinheit (320) ausgestaltet ist, ein Nutzlast-Empfangssignal (325) zu empfangen; wobei die Verarbeitungseinheit (100) ausgestaltet ist, das Nutzlast-Empfangssignal an die erste Antennenanordnung (200) zu übertragen, um eine Übertragung an eine Gegenstelle (20) mittels des auszusendenden elektromagnetischen Signals zu ermöglichen.
System, aufweisend ein Luftfahrzeug (1) und eine Bodeneinheit (2); wobei das Luftfahrzeug (1) ein Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist; wobei die Bodeneinheit (2) außerhalb des Luftfahrzeugs (1) angeordnet ist; wobei die Bodeneinheit (2) ausgestaltet ist, ein elektromagnetisches Signal drahtlos über eine Aufwärtsstrecke (30) an das Luftfahrzeug (1) zu übertragen und Signale von dem Luftfahrzeug (1) über eine Abwärtsstrecke (40) zu empfangen.
System nach Anspruch 9, wobei die Bodeneinheit (2) auf der Erdoberfläche angeordnet ist.