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Verfahren zur bildlichen Darstellung von beweglichen Objekten nach
Höhe und Entfernung bei einem System zur Ortung der beweglichen Objekte mit Hilfe
von Drehfunkfeuern Zusatz zum Patent: 1 140 243 Die Erfindung betrifft die Bereitstellung
von Höhen- und Entfernungsangaben in Verbindung mit einem Drehfunkfeuer und deren
bildliche Darstellung mittels einer Kathodenstrahlröhre in einer Bodenkontrollstation
von solchen Flugzeugen, die mit dem Drehfunkfeuer, dem die Bodenkontrollstation
zugeordnet ist, zusammenarbeiten und mit einer antwortenden Sende-Empfangs-Einrichtung
(Transponder) ausgerüstet sind.
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Im Hauptpatent 1140 243 ist ein Überwachungs system für den Flugverkehr
beschrieben worden, bei dem einem Drehfunkfeuer (VOR- oder Tacan-Drehfunkfeuer)
eine Kontrollstation mit einem Lageplananzeiger zugeordnet ist, mit dessen Hilfe
auf Grund der Ausstrahlungen des Drehfunkfeuers entsprechend ausgerüstete Flugzeuge
innerhalb eines bestimmten Bereiches bildlich dargestellt werden können, und zwar
in Polarkoordinaten nach Azimut und Entfernung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, darüber hinaus eine an sich bekannte
bildliche Darstellung der Flugzeuge nach Höhe und Entfernung (sogenannter E-Typus
der bildlichen Darstellung) mittels einer weiteren Bildröhre auf Grund der Ausstrahlungen
des Drehfunkfeuers vorzunehmen.
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Zu diesem Zweck werden zwei Niederfrequenzspannungen verschiedener
Frequenz gleichzeitig von der Bodenstation ausgesendet. In den Flugzeugen wird einer
dieser beiden Spannungen eine der Flughöhe proportionale Phasenverschiebung erteilt
und ein Antwortsignal ausgesendet, wenn eine bestimmte Phasenbeziehung zwischen
der ersten und zweiten Spannung besteht. Die erste Spannung versinnbildlicht eine
zyklische vertikale Abtastung des Raumes durch eine horizontale Scheibe von gewisser
Stärke, und die zweite Spannung dient zur Synchronisierung zwischen Boden- und Bordstation.
Die Synchronisierspannung kann entweder aus Impulsen bestimmter Wiederholungsfrequenz
bestehen, sie kann aber auch als sinusförmige Modulation eines Trägers mit der zweiten
Spannung ausgesendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine sehr hohe Frequenz
mit zwei Niederfrequenzen fa und fa moduliert und von der Bodenstation ausgesendet.
Die Frequenzen f1 und f2 stehen in der Beziehung f. = n fl ' E, wobei n = 2, 3...
m und e = 2, 3 4, 5 oder eine solche beliebige Zahl ist, daß f.v keine Harmonische
zu f1 ist.
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Um Störungen zu vermeiden und ein Band von 300 bis 3000 Hz zur gleichzeitigen
Sprachübertragung zur Verfügung zu haben, ist es günstig, daß die Hochfrequenz mit
einem Subträger F amplitudenmoduliert
ist und daß der Subträger selbst mit J1 und
f2 frequenzmoduliert ist.
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Die Bordstationen sind so eingerichtet, daß sie die Frequenzen f1
und f, empfangen und der ersten Spannung f1 einen Phasenwinkel erteilen, der ihrer
Flughöhe entspricht. Aus der phasenverschobenen Spannung fi und aus der Spannung
fS werden Impulsreihen der Wiederholungsfrequenz f1 bzw. j gebildet, die natürlich
gegeneinander phasenverschoben sind.
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Eine Antwort wird zu der Zeit ausgesendet, wenn zwischen zweien der
Impulse der Impulsreihen Koinzidenz besteht.
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Auf der Bodenstation werden die Antwortimpulse empfangen und zur
Hellsteuerung einer Kathodenstrahlröhre benutzt, die eine entsprechende Zeitablenkung
für ein kartesisches Koordinatensystem hat. Die Zeitablenkung wird einerseits von
einer Sägezahnspannung der Frequenz f2, andererseits von einer Sägezahnspannung
der Frequenz f1, die mit einer stufenförmigen Spannung moduliert ist, gesteuert.
Die Anzahl der Stufen ist gleich der Frequenz f,,. Man erhält so eine bildliche
Darstellung
der Flugzeuge gemäß ihrer Höhe in Abhängigkeit von der
Entfernung von der Bodenstation.
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Diese Darstellung (Höhe über Entfernung) kann dem Lageplananzeiger,
bei dem Azimut und Entfernung in Polarkoordinaten dargestellt werden, räumlich zugeordnet
werden.
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Im Zusammenhang mit dem im Hauptpatent geschilderten System werden
die Frequenzen fl (Bezugsfrequenz) und 2 (zusätzliche Frequenz), mit denen der Subträger
frequenzmoduliert ist und die vom Drehfunkfeuer ausgestrahlt werden, benutzt. Es
ist jedoch Voraussetzung, daß zusätzliche Mittel vorgesehen sind, um Antwortimpulse,
die Höhen- und Entfernungsangaben enthalten, und solche, die Azimut- und Entfernungsangaben
enthalten, unterscheiden zu können. In diesem Falle ist es überdies zur fortlaufenden
Darstellung in zwei verschiedenen Koordinatensystemen günstig, die Signale abwechselnd
für das eine und das andere System zu benutzen.
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Die Erfindung bezieht sich also auf ein Verfahren zur bildlichen
Darstellung'der Lage von beweglichen Objekten nach Höhe und Entfernung bei einem
System zur Ortung der beweglichen Objekte nach Richtung und Entfernung in einer
einem Drehfunkfeuer räumlich und elektrisch zugeordneten Bodenstation unter Darstellung
der Meßwerte in einem Lageplananzeiger und unter Beibehaltung der üblichen Apparatur
des Drehfunkfeuers, bei der Richtungssignale in Form eines mit einer Frequenz fl
rotierenden Richtdiagramms und Bezugssignale der Frequenzfl als Modulation des ausgestrahlten
Trägers phasenstarr ausgesendet werden, ferner unter Verwendung der in den beweglichen
Objekten eingebauten, zum Empfang der Drehfunkfeuer bestimmten Empfänger, mittels
deren durch Phasenvergleich der Richtungs- und Bezugssignale der Frequenz 1 der
Azimut des beweglichen Objektes in bezug auf das Drehfunkfeuer bzw. magnetisch Nord
ermittelt wird, zur Rückmeldung, und zwar derart, daß der Sender des Drehfunkfeuers
zusätzlich mit einer aus der Bezugsfrequenz fl abgeleiteten Frequenz 12 k moduliert
wird, wobei k einen unechten Bruch bedeutet, daß in den beweglichen Objekten diese
Modulation 12 von der der Bestimmung des Azimuts dienenden Frequenz Ii getrennt,
in Impulse umgewandelt und mit dem ebenfalls in Impulse umgewandelten Richtungssignal
der Frequenz fl in einer Koinzidenzschaltung verglichen wird, deren Ausgangsspannung
dem Sender aufmoduliert und ausgestrahlt wird, daß diese Impulse von der Bodenstation
empfangen und zur Helligkeitssteuerung des Lageplananzeigers herangezogen werden,
dessen in an sich bekannter Weise erfolgende Zeitablenkung hinsichtlich der sägezahnförmigen
Spannung für die Radialablenkung von der in Impulse umgewandelten, am Ort erzeugten
Spannung der Frequenz, und hinsichtlich der sinusförmigen Spannung für die Winkelablenkung
von der am Ort erzeugten Bezugsfrequenz ft frequenzgleich gesteuert wird, nach Hauptpatent
1140243. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Bodenstation eine
weitere Kathodenstrahlröhre vorgesehen ist, deren Zeitablenkung in der Abszissenachse
durch eine Sägezahnspannung der Frequenz 12 erfolgt und deren Zeitablenkung in der
Ordinatenachse durch eine treppenförmige Spannung mit der Folgefrequenz fl und der
Treppenstufenbreite 1/fs erfolgt, und daß die Helligkeitssteuerung der Kathodenstrahlröhre
durch eine Impulsspannung erfolgt,
die an Bord durch Koinzidenz eines aus der empfangenen
Bezugsspannung der Frequenz f,, der eine der Flughöhe proportionale Phasenverschiebung
erteilt ist, abgeleiteten Impulses und eines aus der Frequenz 12 abgeleiteten Impulses
aufbereitet, mittels einer Sendeeinrichtung ausgestrahlt und am Boden empfangen
wird.
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Die Erfindung wird an Hand von Figuren näher erläutert. In F i g.
1 ist eine Bordstation und in Fig. 2 eine Bodenstation dargestellt; Fig.3 zeigt
eine Anordnung gemäß Fig. 1, die im Zusammenhang mit dem im Hauptpatent geschilderten
Bordgerät verwendet wird.
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Die in F i g. 1 dargestellte Bordstation enthält eine Antenne 8,
einen UKW-Empfänger 9, ein Bandfilter 10 für den HilfsträgerF und einen Frequenzdiskriminator
11. Seine Ausgangsspannung wird einem Filter 12 zur Aussiebung der Frequenz Ii und
einem Filter 13 zur Bereitstellung der Frequenz 12 zugeführt.
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Die sinusförmige Ausgangsspannung des Filters 12 wird einem vom Höhenmesser
15 gesteuerten Phasenschieber 14 zugeleitet, in dem die Spannung der Frequenzf,
eine der gemessenen Höhe proportionale Phasenverschiebung, z. B. für je 1000 m 240,
erteilt wird. Die Ausgangsspannung des Phasenschiebers 14 steuert einen Impulsgenerator
16, der jedesmal dann einen Impuls der Länge r1 erzeugt, wenn die mit der Phase
ç (h) behaftete Spannung der Frequenz1 in positiver Richtung durch Null geht.
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Die Ausgangsspannung des Filters 13 steuert einen Impulsgenerator
17, der einen Impuls der Länge t, erzeugt, wenn die Spannung der Frequenz 12 in
positiver Richtung durch Null geht. Die Ausgangsspannungen der Impulsgeneratoren
16 und 17 werden je einer Eingangsklemme einer »Und«-Schaltung 18 zugeführt; ihre
Ausgangsspannung ist ein Steuerimpuls, der nur bei Koinzidenz der Eingangsspannungen
auftritt. Dieser Steuerimpuls tastet einen Sender 19, dessen Leistung über eine
Antenne 20 ausgestrahlt wird. Dieser Impuls wird in der Bodenstation (F i g. 2)
empfangen.
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Eine Antenne 21 der Bodenstation (F i g. 2) strahlt ein mittels des
Senders 22 erzeugtes Signal aus, das mit einer im Generator 23 erzeugten Spannung
der Frequenz, und einer im Generator 24 erzeugten Spannung der Frequenz 12 moduliert
ist. Wenn Bordstationen, die mit der in Fig. 1 gezeichneten Empfangs-Sende-Einrichtung
ausgerüstet sind, die Ausstrahlungen der Bodenstation empfangen, werden Antwortsignale
in der oben beschriebenen Weise ausgesendet.
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Diese Antwortsignale werden am Boden mittels einer Antenne 37 aufgenommen,
in einem Empfänger 36 verarbeitet und der Hellsteuerelektrode 35 einer Kathodenstrahlröhre
30 zugeleitet. Die Zeitablenkung der Kathodenstrahlröhre in kartesischen Koordinaten
wird in der Horizontalen von einer Sägezahnspannung der Frequenz 2, in der Vertikalen
von einer solchen der Frequenz bewerkstelligt, die Stufen gemäß dem Reziprokwert
der Frequenz 12 aufweist. Zu diesem Zweck steuern die sinusförmigen Ausgangsspannungen
der Generatoren 23 und 24 Impulsgeneratoren 25 bzw. 26, die an den Stellen der Nulldurchgänge
der Sinusspannungen Impulsreihen entsprechender Wiederholungsfrequenz erzeugen.
Der Impulsgenerator 26 steuert einen Generator 28 für Sägezahnspannungen der Frequenz
12, die den
horizontalen Ablenkplatten 33/34 der Kathodenstrahlröhre
30 zugeführt werden. Der Impulsgenerator 25 steuert einen Generator 27 für Sägezahnspannungen
der Frequenz ft. Diese Sägezahnspannungen haben zur gleichen Zeit ihren Einsatzpunkt
wie die im Generator 26 erzeugten Impulse der Frequenz 12.
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Die Sägezahnspannung des Generators 27 wird einem Generator 29 für
die Zeitablenkungsspannung zugeführt, der auch von den Impulsen des Generators 26
gesteuert wird. Dadurch entsteht eine mit 12 stufenförmige Sägezahnspannung der
Frequenzfl, die an die vertikalen Ablenkplatten 31/32 der Kathodenstrahlröhr 30
gelegt wird.
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In dem hierdurch auf dem Bildschirm entstehenden kartesischen Koordinatensystem
ist die Abszissenachse die Entfernung und die Ordinatenachse der Höhenbereich; durch
Hellsteuerung entsteht eine Abbildung der Flugzeuge hinsichtlich ihrer Höhe in Abhängigkeit
von ihrer Entfernung von der Bodenstation.
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Die Laufzeit des Signals der Frequenz definiert also die Raumabtastung
um die Bodenstation herum, und die in den Flugzeugen daraus abgeleiteten Impulse
der Länge r2 definieren die kreisringförmigen Schichten im Raum, deren Entfernung
von der Bodenstation # und deren Dicke in Kilometern ausgedrückt 300 000 T2 2 ist.
Die Laufzeit des Signals der Frequenz 1i definiert eine zweite Raumabtastung, und
die Impulse der Länge #1, die in den Flugzeugen aus dem gemäß ihrer Höhe phasenverschobenen
Signal abgeleitet werden, entsprechen den horizontal liegenden Höhenschichten der
Dickedh. Durch die Koinzidenz von Impulsen der Länge z, und r2, die aus den Frequenzen
Ii bzw. fS abgeleitet werden, sind also jeweils die Koordinaten o (Entfernung) und
h (Höhe) bestimmt.
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Wenn 12 ein ganzes Vielfaches von 11 ist, so ist die Anzahl der Höhenschichten,
die aufeinanderfolgend f2 600Hz abgetastet werden, mit , beispielsweise = 20, 30
Hz festgelegt. Daraus resultiert eine Höhenauflösung in der Größenordnung von 1000
m, was nur für eine grobe Überwachung des Luftverkehrs genügt. Man wählt daher 12.
etwas verschieden von einer Harmonischen von ft, um Höhenschichten abtasten zu können,
die in ihrer Aufeinanderfolge etwas voneinander verschieden sind, Daraus aber folgt,
daß die vollständige Raumabtastung eine gewisse Anzahl von Schwingungen der Frequenz
fl, erforderlich macht Wenn also beispielsweise zwischen 0 und 15 000 m eine Auflösung
von 50 m bei einer Frequenz, von 30 Hz verlanglt ist, wird 1 = 602 Hz, d.h. f2 =
20 f1 f1 + 15 gewählt, und die Zeit für eine vollständige Raumabtastung ist 15 fl
= 0,5 Sekunden.
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Die entsprechende errechnete Länge r1 des Impulses, der in den Flugzeugen
aus dem Signal der Frequenz f1 abgeleitet wird, würde in der Größenordnung von 10
Mikrosekunden liegen, in der Praxis ist er aber etwas länger, um eine genügende
Überlappung aufeinanderfolgender Schichten zu gewährleisten.
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In F i g. 3 ist eine Bordanlage gemäß Hauptpatent mit den Maßnahmen
der Erfindung gezeichnet.
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Die im Hauptpatent beschriebene Bodenstation strahlt ungerichtet
einen hochfrequenten, mit einem Subträger der Frequenz F amplitudenmodulierten
Träger
aus. Die Frequenz F ist mit einer Frequenz 1 (30 Hz) und einer höheren Frequenz
12 (z. B. 602 Hz) frequenzmoduliert. Zur Azimutmessung in den einzelnen Flugzeugen
wird ein mit f1 Umdrehungen pro Sekunde rotierendes Richtdiagramm vom Drehfunkfeuer
ausgestrahlt. Die Frequenz 12 ist von Bodenstation zu Bodenstation verschieden.
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Die Bordstation, die in Fig. 3 dargestellt ist, enthält eine Antenne
51 und einen Empfänger52, an den sich folgende drei Kanäle anschließen: a) Der erste
enthält ein Bandfilter 53 mit der Mittenfrequenz F mit nachgeschaltetem Frequenzdiskriminator
54, dessen Ausgangsspannung die Bezugsspannung der Frequenz mit der Phase #0 ist;
b) der Kanal zur Messung des Azimuts enthält ein Tiefpaßfilter 55, an dem eine mit
der Phase #(A) behaftete Spannung der Frequenzfl, die durch die Rotation des Strahlungsdiagrammes
entstanden ist, abgenommen wird; c) der Kanal für die Entfernunsgmessung enthält
ein Bandfilter 58, dessen Mittenfrequenz ein Mittelwert der verschiedenen Frequenzen
f., für die einzelnen Bodenstationen ist. Das Bezugssignal ei wird mittels eines
von einem Motor 73 angetriebenen Phasenschiebers 71 bis zur Phasengleichheit mit
der Richtspannung der Frequenz f1 phasenverschoben. Der Phasenwinkel kann an einem
Komparator 72 abgelesen bzw. angezeigt werden.
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Die am Phasenschieber 71 abgenommene Spannung derFrequenzf, wird
einer »UND«-Schaltung 91 eingegeben, der auch die Ausgangsspannung 95 A eines bistabilen
Multivibrators 95 zugeführt wird. An dem Ausgang des Frequenzdiskriminators 54 ist
ein weiterer Phasenschieber 74 angeschlossen, der von einer Höhenmeßeinrichtung
75 gesteuert wird, so daß eine der Höhe proportionale Phasenverschiebung zustande
kommt, beispielsweise für 1000 m 240 Phasenverschiebung, so daß mit 3600 Phasenverschiebung
ein Höhenbereich von 0 bis 15 000 m überstrichen werden kann. Die mit der Phase
0 (h) behaftete Spannung am Phasenschieber 74 wird einer »UND«-Schaltung92 eingegeben,
deren zweite Eingangsspannung eine Spannung 95 h des bistabilen Multivibrators 95
ist.
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Die »Und«-Schaltungen 91 und 92 arbeiten also abwechselnd; wenn die
eine offen ist, ist die andere geschlossen, und umgekehrt. Die Ausgangsspannungen
der »Und«-Schaltungen 91 und 92 werden den Eingangsklemmen einer »Oder«-Schaltung
93, deren Ausgangsspannung einen Impulsgenerator 57 anstößt, zugeführt. Dieser erzeugt
Impulse der Frequenzft, die abwechselnd entsprechend dem Azimut und der Entfernung,
d. h. entsprechend der jeweiligen Arbeitsstellung des bistabilen Multivibrators
95, phasenverschoben sind. Der Impulsgenerator 57 erzeugt jedesmal dann einen Impuls
102, wenn die ihn steuernde Spannung der Frequenz in positiver Richtung durch Null
geht. Der Impuls 102 wird über eine »Oder«-Schaltung67 einer »Und«-Schaltung 60
eingegeben, deren zweite Eingangsspannung im Impulsgenerator 59 erzeugte Impulse
104 sind. Impulse 104 werden im Impulsgenerator 59 immer dann erzeugt, wenn die
diesen steuernde Spannung der Frequenz 12 in positiver Richtung durch Null geht.
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Wenn Impulse 102 und 104 koinzidieren, wird durch
die
»Und«-Schaltung 60 ein Impuls 114 bereitgestellt, und der nächstfolgende Impuls
104 erzeugt als Wiederholung einen Impuls 114'. Die »Und«-Schaltung 60 bleibt auf
Grund einer aus einem vom Impuls 114 gesteuerten, monostabilen Multivibrator 68
abgenommenen Spannung, die als zweite Steuerspannung der >Oder«-Schaltung 67
dient, eine Zeitlang geöffnet.
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Der monostabile Multivibrator hat dadurch eine genügend große Einsatzverzögerung,
daß er erst durch die hintere Flanke des Impulses angestoßen wird.
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Von den Impulsen 114 und 114' hat bekanntermaßen der Impuls 114'
auf den monostabilen Multivibrator keine Wirkung.
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Die Impulse 114 und 114' werden drei »Und« Schaltungen 94 bzw. 96
bzw. 97 eingegeben; die »Und«-Scheltung 94 wird von einer Spannung des monostabilen
Multivibrators geöffnet, wenn dieser in seiner stabilen Ausgangslage ist. Dadurch
werden die Impulse 114 durchgelassen, die Impulse 114' dagegen nicht. Die von der
>Und«-Schaltung 94 hindurchgelassenen Impulse 114 werden dem bistabilen Multivibrator
95 als Steuerspannung zugeführt, wodurch dieser in seine zweite stabile Lage umschlägt.
Dadurch wird abwechselnd eine Steuerspannung 95A für die »Unda-Schaltungen 91 und
97 bzw. eine Steuerspannung 95h für die >Und«-Schaltungen 92 und 96 bereitgestellt.
Auf diese Weise passieren Impulse 114114', die aus der Koinzidenz von Impulsen 104
und 102 mittels des Impulsgenerators 57 (Wiederholungsfrequenz'1) erzeugt und dann
entsprechend dem Azimut des Flugzeuges zur Bodenstation um den Phasenwinkel ç (A)
phasenverschoben werden, die sUnd«-Schaltung 97, wohingegen Impulse 114114', die
aus der Koinzidenz von Impulsen 104 und 102 mittels des Impulsgenerators 57 (Wiederholungsfrequenz
fl) erzeugt und dann um einen der Flughöhe proportionalen Phasenwinkel ç (h) verschoben
wurden, die »Und«-Schaltung 96 passieren.
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Jeder der Impulse 114 und 114', die die »Und«-Schaltung 97 passieren,
wird in einem Code 65 in ein Impulspaar mit einem Abstand T (A) der Einzelimpulse
umgewandelt; der Abstand z (A) der Einzelimpulse ist ein Kennzeichen für den Azimut.
In gleicher Weise werden die Impulse 114 und 114', die die »Und«-Schaltung 96 passieren,
in einem Coder 64 in Impulspaare mit einem Abstand t (h) der Einzelimpulse umgewandelt;
der Abstand r (h) der Einzelimpulse ist für die Flughöhe kennzeichnend. Diese Impulspaare
steuern abwechselnd einen Sender 61 und werden mittels einer Anntenne 62 ausgestrahlt.
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Jedes Flugzeug strahlt also abwechselnd folgende Signale aus: 1.
Zwei Signale, die den Azimut des Flugzeuges in bezug auf die Bodenstation beinhalten
und einen zeitlichen Abstand von f, der für jede Bodenstation charakteristisch ist,
haben.
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2. Zwei Signale, die den Standort des Flugzeuges hinsichtlich seiner
Entfernung von der Bodenstation und hinsichtlich der Flughöhe charakterisieren.
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Das Zeitintervall -1- entspricht einer Periode der zusätzlichen Modulationsfrequenz'2
einer Bodenstation. Die Frequenz'2 ist, wie bereits ausgeführt
wurde, für jede Bodenstation
charakteristisch und wechselt von Station zu Station, damit eine Verwechslung der
einzelnen Stationen vermieden werden kann. In den Bodenstationen werden überdies
die von den Flugzeugen ausgesendeten und am Boden empfangenen Impulspaare mit dem
Abstand T (A) zur Hellsteuerung der Kathodenstrahlröhre für die Panoramadarstellung
der Flugzeuge verwendet, während die Impulse mit dem Abstand r (h) zur Hellsteuerung
der in F i g. 2 gezeichneten Kathodenstrahlröhre 30 verwendet werden.
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Obwohl die Spannungen für die Zeitablenkung für die beiden Typen
der bildlichen Darstellung (Panoramadarstellung) nach Azimut und Entfernung und
Darstellung in kartesischen Koordinaten nach Entfernung und Höhe an sich verschieden
sind, kann man zur Erleichterung der Bilderkennung eine Entfernungsmarkierung einführen,
die für beide Typen gleich ist.