DE1036332B - Niedrighoehenmesser - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf einen Niedrighöhenmesser, der nach dem Reflexionsprinzip wirksam ist. Sie bezweckt vornehmlich, ein solches Meßgerät zu schaffen, das Höhen in der Größenordnung von 1,5 bis 30 m mit großer Genauigkeit festzustellen erlaubt.

Ein bekannter, nach dem Reflexionsprinzip arbeitender Abstandsmesser weist im Empfängerkreis Vervielfacher auf, welche die Modulationsfrequenz der empfangenen Signale vervielfachen. Durch Phasenvergleich wird die Phasenabweichung ermittelt, aus welcher sich die Entfernung des Empfängers von der reflektierenden Stelle ergibt. Der Phasenvergleich erfolgt in verschiedenen Stufen, die mit Frequenzen arbeiten, welche sich jeweils um eine Zehnerpotenz unterscheiden. Die größte Genauigkeit erbringt die mit der größten Frequenz arbeitende Stufe, weil hier die absolute Phasenverschiebung am größten ist. Zur Bestimmung der Entfernung müssen anderseits die mit niedrigen Frequenzen arbeitenden Stufen mit herangezogen werden, damit Phasenverschiebungen, die über 360° liegen, die Anzeige nicht mehrdeutig machen.

Bei einer anderen bekannten Meßeinrichtung wird die ausgestrahlte Trägerwelle durch zwei oder mehr Modulationsschwingungen moduliert, wobei sich deren Frequenz um eine Zehnerpotenz unterscheidet. Aus der empfangenen Welle werden die Modulationsschwingungen wieder ausgefiltert und die Phasen dieser Schwingungen getrennt voneinander mit den Phasen der entsprechenden, den Sender modulierenden Schwingungen verglichen.

Hier greift nun die Erfindung ein, die ausgeht von einem Höhenmesser zur Bestimmung kleiner Höhen eines Flugzeuges über der Erde, vornehmlich über der Start- und Landebahn, mit einem Sender zum Ausstrahlen einer amplitudenmodulierten Frequenz, einem Empfänger zur Aufnahme der von der Erde reflektierten Strahlung und einer Einrichtung zum Phasenvergleich der Modulationsschwingung der Senderstrahlung und der reflektierten Strahlung sowie einer die Größe der Phasendifferenz anzeigenden Einrichtung.

In Anwendung auf einen solchen Höhenmesser besteht die Erfindung darin, daß dem Empfänger wenigstens ein die Modulationsfrequenz mit dem Faktor η multiplizierender Vervielfacher nachgeschaltct ist und ein Vervielfacher vorgesehen ist, der die Sender-Modulationsfrequenz um den Faktor κ—1 vervielfacht, daß den Vervielfachern eine Mischstufe nachgeschaltet ist und deren Ausgang über ein die Differenzfrequenz durchlassendes Filter mit einem Phasendetektor verbunden ist, dem die Modulationsfrequenz auch unmittelbar vom Sender zugeführt wird und der ein Signal erzeugt, das proportional der Niedrighöhenmesser

Anmelder:

Collins Radio Company,
Cedar Rapids, Ia. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. M. Schneider und Dr. A. Eitel,
Patentanwälte, Nürnberg, Hauptmarkt 29

Roger J. Pierce, Cedar Rapids, Ia. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

«-fachen Phasendifferenz der Modulationsfrequenzen der gesendeten und empfangenen Strahlen ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Gerät können, kleine Phasenwinkel, wie sie bei Höhen von 1,5 bis 15 m und einer Modulationsfrequenz von 25 kHz auftreten, mit größter Genauigkeit gemessen werden. Dies ist dadurch möglich, daß der Phasenwinkel zwischen der ausgestrahlten und der empfangenen Modulationsfrequenz vor dem Phasenvergleich vervielfacht wird, wobei der Phasenvergleich in einer mit der Modulationsfrequenz übereinstimmenden Frequenz erfolgt. Da im Endergebnis die zur Messung benutzte Frequenz sich nicht erhöht, kann eine beliebige Anzahl von Stufen hintereinandergeschaltet werden, die den Phasenwinkel vervielfachen, so daß dieser stets mit ein und demselben, an sich bekannten, üblichen Phasendetektor niedriger Betriebsfrequenz angezeigt werden kann.

Der Genauigkeitsgrad, mit welchem kleine Abstände unter Verwendung von bekannten Entfernungsmessern gemessen, werden können, die Gebrauch machen von der Phasenverschiebung zwischen einem ausgestrahlten und einem empfangenen Signal, nimmt mit steigender Frequenz zu. Dies deshalb, weil für eine gegebene Entfernung die Phasenverschiebung pro

4-5 Entfernungseinheit direkt proportional der Frequenz ist. Infolgedessen sind Systeme, welche die Phasenverschiebung zwischen den ausgesandten und den empfangenen Signalen unmittelbar vergleichen, in. ihrer Genauigkeit zwangläufig begrenzt. Dies rührt vornehmlich von den Schwierigkeiten her, die bei der Anwendung steigender Frequenzen auftauchen. Solche Schwierigkeiten können beispielsweise von der Verteilung des Spektrums des Trägerwellenfrequenzgebietes ebenso wie von der durch etwaige schaltungs-

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technische Ursachen bedingten Form der Filter in dem Sender- und Empfängerkreis herrühren. Auch sind der Frequenzerhöhung dadurch Grenzen gesetzt, daß die Instabilitäten in den hohen Frequenzbereichen groß sind. Es kann somit der Genauigkeitsgrad bei den l>ekannten Geräten nicht dadurch beliebig erhöht werden, daß etwa die Frequenz erhöht wird.

Der mit den bekannten Meßgeräten erreichbare Genauigkeitsstand befriedigt nicht, weil sehr kleine Phasenabweichungen sich nicht genau nachweisen to lassen. Kleine Entfernungen können deswegen mit den bekannten Geräten nicht mehr mit der gewünschten Genauigkeit ermittelt werden.

Im Gegensatz hierzu ermöglicht es der erfindungsgemäße Höhenmesser, winzige Phasenabweichungen festzustellen, die einem extrem kleinen Teil einer Wellenlänge der verwendeten Frequenz entsprechen. Infolgedessen erbringt die Erfindung den Vorteil, daß die bisher gegebene Grenze in der Genauigkeit der Messung kleiner Phasenabweichungen, wie diese bei Entfernungen auftreten, die sich dem Wert Null nähern, weit überschritten werden kann. Mit dem Höhenmesser nach der Erfindung können somit gerade kleine Entfernungen mit großer Genauigkeit gemessen werden. Hierdurch wiederum läßt sich eine beachtliehe Erhöhung der Betriebssicherheit herbeiführen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind in der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung erläutert, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Es zeigt Fig. 1 das Schaltbild des Höhenmessers,

Fig. 2 eine Ausführungsform des Anzeigeteils des Höhenmessers in Ansicht,

Fig. 3 den Anzeigeteil des Höhenmessers nach Fig. 2 schaubildlich.

Der Hochfrequenzoszillator 10 (Fig. 1) ist mit der Sendeantenne 11 verbunden. Der Modulator 12 erzeugt Schwingungen von beispielsweise 25 kHz, die dem Oszillator 10 zugeleitet werden und eine Amplitudenmodulation der Trägerwelle von beispielsweise 1 GHz l>ewirken.

Die Sendeantenne 11 kann unterhalb des Flugzeuges angebracht und der Erde zugekehrt sein. Eine Empfangsantenne 13 nimmt die zurückgestrahlte Energie der Sendeantenne 11 auf und leitet sie dem Empfänger 14 zu, der die 25-kHz-Komponente aufnimmt und sie dem Verstärker 15 weitergibt.

Die Phasendifferenz zwischen dem Ausgang des Verstärkers 15 und des Modulators 12 ist ein Kriterium der Höhenlage des Flugzeuges, vorausgesetzt, daß Phasenänderungen in den elektrischen Kreisen ausgeschaltet sind. Bei sehr niedrigen Höhenlagen, d. h. Höhenlagen unter 30 m, wird der Phasenwinkel so klein, daß er durch normale Phasenzeiger nicht mehr ermittelt werden kann.

Deshalb wird bei dem erfindungsgemäßen Höhenmesser der Ausgang des Verstärkers 15 einem Vervielfacher 16 zugeleitet, der die Ausgangsfrequenz um das Zehnfache vervielfacht, so daß sie 25OkHz beträgt.

Ein zweiter Vervielfacher 17 erhält vom Modulator 12 ebenfalls Schwingungen, deren Frequenz er mit 9 multipliziert, so daß die Frequenz am Abgang des Vervielfachers 225 kHz beträgt.

Die Abgänge der Vervielfacher werden der Mischstufe 18 zugeleitet. Das die Differenzfrequenz durchlassende Filter 19 nimmt den Ausgang der Mischstufe 18 auf und wählt die Differenzschwingung aus, die bei einer Verzehnfachung des Phasenwinkels des Ausgangsverstärkers 15 eine Frequenz von 25 kHz aufweist. Der Phasenwinkel ist also um den Faktor 10 vergrößert worden, während die ursprüngliche Frequenz von 25 kHz beibehalten wurde.

Der Ausgang des Filters 19 ist mit einem Phasen detektor 20 verbunden, welcher ebenfalls einen Eingang vom Modulator 12 erhält. Der Phasendetektor 20 kann einer der bekannten Typen sein und erzeugt einen Gleichstromausgang, der proportional der Phasendifferenz zwischen dem Signal vom Modulator 12 und dem Filter 19 ist. Der Gleichstromausgang des Phasendetektors 20 wird einem Relais 21 zugeleitet. Dieses ist so> eingestellt, daß es bei Höhenlagen über 30 m erregt wird. Sobald eine Höhenlage von 30 m erreicht oder unterschritten wird, erzeugt der Phasendetektor 20 einen Strom, der so schwach ist, daß das Relais 21 abfällt und eine durch das Relais 21 gesteuerte Fahne 22 freigegeben wird. Letztere kommt hierbei mit einem Kontakt 23 in Berührung, der ein an dem Anzeigegerät 25 vorgesehenes Schauzeichen 24 in Form eines Flugzeuges betätigt.

Bei einer Höhenlage über 30 m oder mehr erscheint die Fahne 22 in einem Fenster 26 (Fig. 2, 3) des Anzeigeinstruments, das infolge des bei 23 offenen Kreises unwirksam wird. Zweck des Phasendetektors 20 und des Relais 21 ist es, bei Höhenlagen über 30 m Mehrdeutigkeiten auszuschalten.

Ein dritter Vervielfacher 27 nimmt einen Ausgang vom Filter 19 auf, um die Frequenz mit 10 zu multiplizieren.

Eine zweite Mischstufe 28 nimmt Eingänge von den Vervielfachern 17 und 27 auf und leitet sie einem weiteren Filter 29 zu. welches die Differenzschwingungen von 25 kHz auswählt. Der Phasenwinkel zwischen dem Ausgang des Modulators 12 und dem des Verstärkers 15 ist beim Ausgang des Filters 29 mit 100 multipliziert worden. Dies ist deswegen der Fall, weil der Winkel zweimal mit 10 multipliziert worden ist.

Der Abgang des Filters 29 und Eingangsenergie von dem Modulator 12 werden einem zweiten Phasendetektor 30 zugeleitet, dessen Abgang dem Phasenwinkel zwischen den Signalen proportional ist. Da der Phasenwinkel mit 100 multipliziert worden ist, so können Höhenlagen bis herab zu 1,50 m erfaßt werden. Bei 1,50 m wird ein Signal der gleichen Größe erzeugt wie ohne Vervielfacher und Mischstufen bei 150 m.

Der Abgang des Phasendetektors 30 wird der Fahne 22 über die Leitung 31 zugeführt. Wenn das Relais nicht erregt ist und die Fahne den Kontakt 23 schließt, dann wird das Signal dem Meßinstrument 25 zugeleitet.

Wenn die Phasendrehung im Phasen detektor 20 eine volle Umdrehung beträgt, dann beträgt sie im Phasendetektor 20 zehn volle Umdrehungen. Der Kontakt des Relais 21 wird geschlossen, wenn der multiplizierte Phasenwinkel am Detektor 30 360° beträgt. Hierdurch werden Ungewißheiten ausgeschaltet und die Gewähr dafür geboten, daß das Meßinstrument 25 nicht in Funktion tritt, bevor die vorgesehene Entfernung von 30 m von der Erde erreicht wird.

Das Meßinstrument 25 ist in Fig. 2 und 3 gezeigt und besteht aus einem im allgemeinen zylindrischen Gehäuse 32, das mit einer Glasscheibe 33 versehen ist. Ein Schauzeichen 24 in Form eines Flugzeuges ist auf einem Schwenkarm angebracht, der in der Nähe des Gehäusebodens so gelagert ist, daß das Schauzeichen 24 sich in einem Kreisbogen senkrecht zur Instrumentenachse verschwenken kann. Hierzu ist die Scheibe 33 leicht gewölbt.

Am oberen Teil der Instrumentenscheibe ist ein Abdeckschiirm 35 vorgesehen, unter den sich das Schauzeichen 24 bewegt, wenn das Flugzeug sich in einer Höhenlage über 30 m befindet.

Am Unterteil der Instrumentenscheibe ist ein Abdecksegment 36 angebracht. Die obere Kante dieses Segments stellt die Erdebene dar. In dem Segment 36 ist das Fenster 26 vorgesehen, durch welches die Fahne 22 sichtbar wird.

Der das Flugzeugzeichen tragende Arm ragt durch einen Schlitz 39 in der Instrumeiitenvorderwand, und in die Scheibe 33 ist eine Skala 38 eingeätzt.

Wenn das Flugzeug sich der Erde nähert, dann wird der Ausgang des Phasendetektors 20 schließlich so schwach, daß das Relais 21 die Fahne 22 freigibt, die hierbei den Kontakt 23 schließt. Sobald das Flugzeug die Höhenlage von etwa 30 m unterschreitet, bewirkt der Abgang des Phasendetektors 30, das das Zeichen 24 anfängt, sich zu bewegen. Von etwa 12 m ab bis zum Aufsetzen der Laufräder am Boden steuert der Phasendetektor 30 das Zeichen 24 mit einer Genauigkeit von etwa 0,30 m. Der Pilot weiß daher genau, wann er das Flugzeug abfangen muß, um auf der Landebahn aufzusetzen.

Selbstverständlich wird zugleich ein übliches Ortungssystem verwendet, welches die seitliche Verlagerung zur Landebahn kontrolliert.

Durch genaue Beobachtung der Stellung des Zeichens 24 wird der Pilot seine Höhenlage immer wissen.

Obwohl die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführung-sformen beschrieben ist, ist sie nicht darauf beschränkt, da Änderungen und Abweichungen vorgenommen werden können, welche innerhalb des allgemeinen Erfindungsgedankens fallen.

Claims (4)

1. Patentanspruch ε-1. Höhenmesser zur Bestimmung kleiner Höhen eines Flugzeuges über der Erde, vornehmlich über der Start- und Landebahn, mit einem Sender zum Ausstrahlen einer amplitudenmodulierten Frequenz, einem Empfänger zur Aufnahme der von der Erde reflektierten Strahlung und einer Einrichtung zum Phasenvergleich der Modulationsschwingung der Senderstrahlung und der reflektierten Strahlung sowie einer die Größe der Phasendifferenz anzeigenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet.

   daß dem Empfänger wenigstens ein die Modulationsfrequenz mit dem Faktor η multiplizierender Vervielfacher (16) nachgeschaltet ist und ein Vervielfacher (17) vorgesehen ist, der die Sender-Modulationsfrequenz um den Faktor »—1 vervielfacht, daß den Vervielfachern (16,17) eine Mischstufe (18) nachgeschaltet ist und deren Ausgang über ein die Differenzfrequenz durchlassendes Filter (19) mit einem Phasendetektor (20) verbunden ist, dem die Modulationsfrequenz auch unmittelbar vom Sender (12) zugeführt wird und der ein Signal erzeugt, das proportional der w-fachen Phasendifferenz der Modulationsfrequenzen der gesendeten und empfangenen Strahlen ist.
2. 2. Höhenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine weitere die Modulationsfrequenz vervielfachende Stufe vorgesehen ist, die einen weiteren, mit dem Ausgang des ersten Filters (19) verbundenen, um den Faktor η vervielfachenden Vervielfacher (27), eine weitere, von dem zweiten Vervielfacher (17) und dem weiteren Vervielfacher (27) gespeiste weitere Mischstufe (28), ein an diese Mischstufe (28) angeschlossenes, die Differenzfrequenz durchlassendes weiteres Filter (29) und einen von diesem Filter (29) und der Modulationsfrequenz des Senders gespeisten zweiten Phasendetektor (30) aufweist.
3. 3. Höhenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem ersten Phasendetektor (20) ein Steuerrelais (21) verbunden ist, das bei einer 360° überschreitenden Phasendifferenz Elemente zum Sperren der Anzeigevorrichtung des Höhenmessers steuert, und daß der Ausgang des zweiten Phasendetektors (30) über vom Steuerrelais (21) gesteuerte Sperrmittel mit der Anzeigevorrichtung verbunden ist.
4. 4. Höhenmesser nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die vom Steuerrelais (21) gesteuerten Sperrelemente ein Schauzeichen und einen in die Verbindungsleitung zwischen dem Ausgang des zweiten Phasendetektors (30) und dem System der Anzeigevorrichtung eingeschalteten Kontakt (22, 23) enthalten, der bei abgefallenem Steuerrelais (21) geschlossen ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Britische Patentschrift Nr. 615 667;
   USA.-Patentschrift Nr. 2 665 420.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   ® 809 597/409 8.58