DE1187140B - Einrichtung zur Verhuetung der Kollisionsgefahr von Luftfahrzeugen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4057¥W PATENTAMT Int. Cl.:

B64d

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 62 c-25/08

Nummer: 1187 140

Aktenzeichen: 115883 XI/62 c

Anmeldetäg: 9. Januar 1959

Auslegetag: 11. Februar 1965

Die statistischen Erhebungen über Flugzeugzusammenstöße in der Luft haben gezeigt, daß als primäre Ursachen für eine unverhältnismäßig hohe Anzahl menschliches Versagen angenommen werden muß, während auf mechanische und Materialfehler nur ein geringer Prozentsatz entfällt.

Um von der physiologischen Beobachtungsfähigkeit des Piloten unabhängig zu werden, wurde bereits votgeschlagen, eine Registrierung anderer sich im in Betracht kommenden Luftraum befindlichen Objekte auf technischem Wege durchzuführen. Diese technische Beobachtung ist entweder mit Hilfe der Schallortung oder der Infrarotstrahlung oder durch Radar möglich. Die Radarbeobachtung bietet jedoch die erfolgversprechendste Methode und kann mit Hilfe des in vielen Flugzeugen bereits vorhandenen Wetter-Radargerätes durchgeführt werden.

Hierbei erfolgt die Registrierung und anschließende Auswertung der Radarsuche durch den Piloten auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre, wobei das Schirmbild entweder eine gewöhnliche Lageplandarstellung mit dem Beobachter in der Mitte des Bildes oder eine verbesserte Darstellung eines Schirmbildes, in dem auch die Eigenbewegung des Flugzeuges berücksichtigt ist (True Motion Radar), zeigt.

Diese Verfahren lassen jedoch dem Piloten zuviel Spielraum für subjektive, physiologische Beurteilungen des Schirmbildes, außerdem wird der Pilot durch diese Überwachungs- und gegebenenfalls Auswertetätigkeit zu stark in Anspruch genommen.

Eine Einrichtung zur Vermeidung von Zusammenstößen müßte daher Anordnungen enthalten, die den Piloten bei seiner Arbeit weitestgehend entlasten und die Erfassung und Warnung vor möglichen Kollosionen automatisieren.

Für diesen Indealfall müßte die Einrichtung folgende drei Funktionen ausführen können:

1. Ermittlung von Informationen über den augenblicklichen Standort und die Geschwindigkeit des nahenden Flugzeuges in bezug auf das eigene Flugzeug (Suchfunktion),

2. Extrapolation dieser Information für spätere Zeitpunkte (Berechnungsfunktion) und

3. Schaffung der Voraussetzungen für das günstigste Ausweichmanöver bei Kollosionsgefahr (Entscheidungsfunktion) .

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Einrichtung zur Verhütung der Kollisionsgefahr von Luftfahrzeugen zu schaffen, bei der mit Hilfe einer Radaranlage, beispielsweise mit einer in vielen Flugzeugen bereits vorhandenen Wetter-Radar-Einrichtung zur Verhütung der Kollisionsgefahr
von Luftfahrzeugen

Anmelder:

International Standard Electric Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:
Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,

Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Als Erfinder benannt:
Ben Alexander, Nutley, N. J.;
Martin Press, Englewood, N. J.;
Joseph Murgio, Clifton, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. Januar 1958 (728 505)

anlage, der Standort von anderen Objekten ermittelt wird. Die Einrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Speichermittel in logischer Verschaltung vorgesehen sind, die einen vor dem Flugzeug liegenden Sektor, z.B. einen 90°-Sektor, durch entsprechende Zuordnung in Teilbereiche (Zellen) aufschlüsseln und somit den Gesamtbereich in Gestalt einer Matrix elektrisch nachbilden, ferner daß mit der Radaranlage Analog-Digitalwandler und speichernde Vorrichtungen zusammenarbeiten, die eine Umwandlung der erhaltenen Radarinformationen digital darstellen und in die den Teilbereichen zugeordneten Speicher eingeben, und daß eine Auswerteeinrichtung für ein Sichtgerät und eine Warneinrichtung vorgesehen ist, die unter Einbeziehung des Zeitfaktors und unter Berücksichtigung von Bezugswerten für den Standort und für die Bewegungsdaten des sich sichernden Flugzeuges automatisch aus den durch eine fortlaufende logische Verknüpfung der Speichereinrichtungen gewonnenen Informationen die Kollisionsgefahr nach Teilbereichen auswerten.

Weiterhin sieht die Enrichtung als Ergebnis der logischen Verknüpfung eine Unterscheidung der Teilbereiche in verschiedene Grade der Kollisionsgefahr vor.

Außerdem ist die Radar-Empfangsanlage in bekannter Weise mit zwei Antennenpaaren für Grob- und Feinmessung auszurüsten, um die als Sinus- und Kosinuswerte empfangenen Azimutinformationen in

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digitale Signale umzuwandeln und diese Signale in ebenso bekannter Weise zu einem einzigen Signal zu vereinigen, das eine sehr genaue Aussage über die Peilung enthält.

Schließlich kann die Einrichtung noch dadurch vervollkommnet werden, daß zur Auswertung der Informationen über die Kollisionsgefahr eine Sichtanzeige mit einer Kathodenstrahlröhre vorgesehen ist, auf deren Schirm Lage und Richtung der eine Gefahr bedeutenden Objekte und der Grad der Gefahr durch Leuchtflecke erkennbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Kollisionsschutzeinrichtung ist in der Zeichnung dargestellt, darin zeigt

F i g. 1 ein Flugzeug in Seitenansicht mit Angabe des Radarstrahles,

F i g. 2 ein Flugzeug in Draufsicht mit dem Suchbereich für die Radaranlage,

Fig. 3 die Geometrie beim Auffinden eines fremden Flugzeuges,

Fig. 4 einen Suchsektor mit Zoneneinteilung,

F i g. 5 einen Suchsektor mit Unterzonen,

F i g. 6 ein Diagramm über die Geometrie des KoI-lisionsweges,

Fig. 7 ein Diagramm des aufgeteilten Raumes zur Darstellung der Kollisionskennmerkmale,

Fig. 8 eine mögliche Kollisionszone als Ergebnis der Kennmerkmale,

F i g. 9 eine Sichtanzeige auf der Anzeigebildröhre, F i g. 10 ein Blockdiagramm der Gesamtanlage,

Fig. 11 bis 19 Einzeldarstellungen von Fig. 10,

Fig. 20 die Zusammenschaltung der Fig. 11 bis 19,

F i g. 21 die Beziehung zwischen der elektrischen Phase und dem Winkelcode,

Fig. 22 eine Tafel für die Codierung des Winkels,

F i g. 23 ein Diagramm eines vollständig codierten Wortes,

F i g. 24 ein Diagramm der Kennmerkmale für die logische Schaltung.

Ein Flugzeug 1 (Fig. 1 und 2), das mit einer Wetterradaranlage zur Vermeidung von Zusammenstößen ausgerüstet ist, trägt an seiner Nase die Radarantenne 2, die den Radarstrahl 3 mit dem Winkel α von etwa 7° aussendet. Mit dieser Radaranlage werden 180° des Horizontes überstrichen, es werden jedoch für den vorliegenden Zweck nur 90° ausgenutzt, da in diesem Bereich die größte Kollisionsgefahr besteht, wobei der Suchsektor von 90° als eine Ebene angesehen wird. Da sich der Luftverkehr in abgesonderten, festgelegten Luftstraßen abspielt, besteht die größte Kollisionsgefahr in einer Ebene vor dem Flugzeug.

Die Antennen5 und 6 (Fig. 3) empfangen die von dem in der Entfernung R befindlichen fremden Flugzeug 4 zurückgeworfenen Wellen des Radarstrahles. Der Azimutwinkel θ zwischen der Flugrichtung des Flugzeuges 4 und der Antennenbasis 5, 6 wird vom Interferenzempfänger ermittelt.

Der Weg des iremden Flugzeuges wird aus den gemessenen einzelnen Positionen berechnet, wofür der 90°-Sektor in Zellen eingeteilt ist, die durch Azimut- und Entfernunpgrenzen (Fig.4) festgelegt sind. Die Lage des herannahenden Flugzeuges wird daher durch die Zelle bestimmt, in der es sich gerade befindet.

Eine andere Einteilung in einen Sektor von sechs Stufen, die in drei gleiche Untersektoren eingeteilt sind, zeigt Fig. 5.

Zur Darstellung der Geometrie des Kollisionsweges (Fig. 6) wird die Zelle 21 unter dem Winkel Δ θ und mit der Länge Δ R herangezogen. Im Mittelpunkt des Sicherheitskreises r₀ (Durchmesser normalerweise 300 m) befindet sich das Flugzeug 1, wobei R die Entfernung zu dem irgendwo in der Zelle 21 zu ermittelnden fremden Flugzeug 4 und Θ den Peilwinkel darstellt.
Die Kollisionskennmerkmale lassen sich (Fig. 7)

ίο aus der Einteilung der horizontalen Zellenebene um das fremde Flugzeug 4 entnehmen, und zwar aus den untersuchten Zellen 23. Während jeder der 2-Sekunden-Tastung der Antenne 2 wird das fremde Flugzeug 4 für etwa V₃₀ Sekunde angepeilt und dabei

seine neue Position gemessen sowie seine neue Zelle ermittelt. Die von der vorhergehenden Tastung bekannte Lage der Zelle 24 ist mit K bezeichnet, so daß sich das Flugzeug bei der nächsten Peilung in einer der angrenzenden Zellen befinden muß. Die Verlängerungen der Diagonalen 25 und 26 tangieren den Sicherheitskreis 22. Wenn die neuen Daten das fremde Flugzeug in einer der zwischen beiden Diagonalen gelegenen bzw. in einer von diesen Diagonalen durchschnittenen Zellen anzeigen, dann fliegt das Flugzeug 1 auf Kollisionskurs mit dem Flugzeug 4. Verfolgt das fremde Flugzeug 4 seinen augenblicklichen Kurs, der durch die Zelle K und irgendeine Zelle zwischen den Geraden 25 und 26 — außer der Zelle 27 — bestimmt ist, so dringt es in den Sicherheitskreis ein, was eine Kollisionsgefahr bedeutet. Liegt dagegen die zweite Position des Flugzeuges 4 in einer Zelle S, dann weicht das fremde Flugzeug vom Kollisionskurs ab. Trifft dagegen die zweite Position in eine Zelle P, dann muß eine wahrscheinliehe Kollision angenommen werden, da aus den wenigen Daten nicht zu ermitteln ist, ob der Kurs des fremden Flugzeuges sicher oder gefährdend ist.

Die Beziehung der Kollisionskennmerkmale zum Flugzeug 1 zeigt die Fig. 8, wobei zur Hervorhebung der Augenblicksbetrachtung den Bezugszeichen der kleine Buchstabe α (23 a, 24 a, 25 a, 26 a) hinzugefügt ist. Der mögliche Kollisionsbereich ist mit 27 bezeichnet, der jedoch nur für die erste ermittelte Position des Flugzeuges 4 gilt. Bei den nächsten ermittelten Daten wird die entsprechende neue Position bestimmt. Ergibt sich daraus eine Gefahr für das Flugzeug 1, wird eine neue Zellenanordnung 23 aufgebaut, wobei sich die letzte Information wieder in der Ausgangszelle K befindet und von wo aus die neue Gefahrenzone bestimmt wird. Dieses Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis sich das fremde Flugzeug aus dem Peilsektor bewegt.

Aus der geometrischen Darstellung der F i g. 6 ersieht man, daß die Zellen richtig markiert sind, wenn ΔΘ r₀

™ · 0)

AR

Δθ

Das Bildformatverhältnis --,-=■ der Zellen muß also

mit der Entfernung variieren. Wenn dieses beachtet wird, dann geben die neuen und die alten Zellenpositionen des fremden Kurses automatisch einen Hinweis, ob eine Gefahr besteht oder nicht. Beim ersten Erfassen eines fremden Flugzeuges wird dieses als in einer bekannten Zelle befindlich angenommen. Die Koordinaten dieser Zelle werden in einem Speicher eines digitalen Rechners gespeichert, und die folgenden Informationen betreffs Azimut und Ent-

fernung des fremden Flugzeuges werden mit den Anfangsinformationen verglichen, um die Winkel Δ θ und Δ R, bedingt durch die Zahl der Zellen, zu bestimmen, wobei Δ θ und Δ R die Änderungen der Koordinaten bedeuten. Die logischen Schaltkreise des Rechners ermitteln dann, ob das ursprünglich in der Zelle 24 fliegende'Flugzeug entsprechend den Kollisionskennmerkmalen sich auf einem sicheren, einem gefährdeten oder einem wahrscheinlich gefährdeten Kurs befindet.

Die Änderungen der Entfernung sind nur in Stufen von 300 m möglich wegen der Sendeimpulsfolge von 2 Mikrosekunden der Wetter-Radaranlage. Die Zellen mit 2,1 Milliradianten werden mittels des Inferferenzempfängers und der digitalen Datenverarbeitungstechnik ermittelt. Ein Interferometer mit im Abstand von 30 Wellenlängen angeordneten Antennen ergibt eine Antennencharakteristik mit Schleifen von 2° Breite im Zentrum der Keule. Um das Bildformverhältnis der Gleichung (1) zu erfüllen, ergibt sich für die Zellendimensionen, daß bei kleiner werdenden Δ Θ auch die Δ R kleiner werden müssen. Da Δ R nach unten wegen der Impulslänge begrenzt ist, ist es notwendig, J Θ an zwei Punkten des Schemas von F i g. 4 zu vergrößern. Die Vergrößerung von Δ Θ bei 7500 m wird durch einen zweiten Satz von Antennen erzielt, und zwar für herannahende Flugzeuge, die näher als 7500 m sind. Mit dem zweiten Satz von Antennen wird ein Schleifenmuster mit 6° Breite der einzelnen Schleifen im Zentrum erzeugt. Die Vergrößerung von Δ Θ bei 3600 m wird durch die Logik bewirkt. In diesem Falle wird die Position eines fremden Flugzeuges innerhalb von einem Achtel einer Schleife erfaßt. Der Sicherheitskreis r₀ muß jedoch variiert werden, da es nicht möglich ist, die Gleichung (1) zwischen etwa 230 und 380 m ohne weiteres zu erfüllen.

Die durch Schleifenstruktur bedingte Zweideutigkeit wird durch die Verwendung von Sektoren beseitigt. Die Lageinformation eines fremden Flugzeuges wird daher sektorweise gespeichert, indem der 90°-Sektor in fünfzehn 6°-Sektoren eingeteilt wird. Sobald der Radarstrahl einen Sektor für etwa V₃₀ Sekunde entsprechend der Tastgeschwindigkeit bestrahlt, wird die Information dieses Sektors verarbeitet.

Nachdem der Kurs des fremden Flugzeuges 4 ermittelt ist, wird er dem Piloten des Flugzeuges 1 optisch angezeigt, außerdem wird bei einer akuten Gefahr ein akustisches Signal ausgelöst. Die Sichtanzeige (Fig. 9) zeigt drei fremde Flugzeuge, die eine Kollisionsgefahr für das Flugzeug 1 bedeuten. Eine mögliche Kollision ist auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre als breiter Fleck 29, eine unmittelbare Gefahr durch die relativ lange Linie 30 und eine weniger akute Gefahr durch die relativ kurze Linie 31 dargestellt. Die Neigung der Linie zeigt den Kurs des fremden Flugzeuges an sowie auf welcher Seite des überwachten Flugzeuges bei Fortsetzen des augenblicklichen Kurses das Zusammentreffen stattfindet. Auf Grund der hörbaren und sichtbaren Warnungen kann der Pilot seine Entscheidungen für das Ausweichmanöver treffen.

Der Radarsender32 (Fig. 10) enthält im wesentlichen drei Teile, den Suchteil, den Datenverarbeitungsteil und den Anzeige- und Steuerteil. Die Aufgabe des ersten Teiles besteht darin, die von dem fremden Flugzeug zurückgeworfenen Rardarstrahlen zu empfangen, zu verstärken und zu untersuchen, wofür die Antennenpaare 5 α, 6 a und 35, 36 sowie der Interferenzempfänger 37 (Fig. 11) zuständig sind. An den Ausgängen des Empfängers 37 treten die in dem überwachten Sektor ermittelten Entfernungs- und Azimutinterformationen des fremden Flugzeuges auf. In der Datenverarbeitungsanlage werden diese Informationen empfangen und sofort von der analogen in die digitale Form durch den Digitalrechner 38 und 39 umgewandelt. Die Informationen gelangen nach Filterung in 40 und 41 und Codieren in 42 in den Entfernungsspeicher 43 bzw. den Winkelspeicher 44 und von dort über den Pufferspeicher 45 in den Hauptspeicher 46. In diesen Speicher werden auch die Kollisionskennmerkmale von der logischen Vergleichseinrichtung 47 zur Feststellung einer Gefahr gegeben. Die gespeicherte Information wird mittels eines Zuordners mit Ein- und Ausgabeeinrichtung 48 zu der logischen Schaltung 47 übertragen; der Zuordner 48 wird durch einen Servomechanismus 49 angetrieben, der seinerseits durch den Radarsender 32 gesteuert wird und von der Anordnung 50 Höheninformationen empfängt. Ein Bezugswertgeber 51, der mit dem Servomechanismus 49 gekuppelt ist, überträgt die den überprüften Untersektor betreffenden Informationen in analoger Form zu dem Oszillographen-Entschlüßler 52, der andererseits digitale Informationen von der logischen Schaltung 47 über den Zuordner 48 erhält und entschlüsselt. Wenn diese Informationen die Warnung für eine Gefahr oder eine wahrscheinliche Gefahr enthalten, werden sie zu einem Sichtgerät 53 übertragen und dem Piloten sichtbar gemacht. Gleichzeitig werden die Warninformationen zu der Warnanlage 54 geleitet. Der Taktgeber 33 steuert und synchronisiert die Operationen der verschiedenen Schaltungen der Einrichtung.

Die Bestimmung der Azimutposition des fremden Flugzeuges wird durch Anwendung des Interferenzprinzips durch den Empfänger37 erzielt (Fig. 11), wobei das Antennenpaar Sa, 6 a die Empfangscharakteristik 55 (F i g. 2) besitzt. Ein von dem fremden Flugzeug 4 zurückgeworfenes Signal legt daher den Weg R zur Antenne Sa und, da in erster Annäherung R bedeutend größer als D ist, den Weg R + E zur Antenne6a zurück (Fig. 3).

Aus der Fig. 3 lassen sich die folgenden Beziehungen ablesen:

E	= D sin	Θ =	sin Θ,	(2)
	_ E	D	(3)
φ	= 2πΚ	= -	(4)
= Kl,
sin Θ λ ;
2 τι D

worin

K = Zahl der Wellenlängen,
Φ = elektrische Phasenschiebung in Radianten, Θ = geometrischer Peilwinkel,
E = Differenz der beiden Weglängen,
D = Abstand der beiden Antennen und
λ = Wellenlänge des empfangenen Signals

bedeutet.

An den Antennen 5a und 6a (Fig. 11) treten zwei Spannungen auf, von denen die eine propor-

tional sin Φ und die andere proportional cos Φ ist. Das Signal an der Antenne 5 a ist E₁ sin ω _ct, und das an der Antenne 6a ist E_% · sin (ω^ί + Φ), wobei <o_c die Trägerfrequenz und Φ der Phasenwinkel auf Grund der beiden unterschiedlichen Weglängen ist. Das Signal an der Antenne 5 a kann durch den Hochfrequenz-Phasenschieber 56 in seiner Phase verschoben werden, um die Rotationsbewegung des überwachten Flugzeuges auszuschalten. Der Phasenschieber muß honenkorrigiert sein, wenn eine genaue Bestimmung der Daten in der horizontalen Flugebene durchgeführt werden soll. Das die Höhe berücksichtigende Signal wird von dem selbststeuernden Kreiselgerät zum Stellen cfes Servomechanismus 57 über den Servomechanismus 49 geliefert. Die Signale von den Antennen 5 a und 6 β werden mit der von dem Sender 32 gelieferten Frequenz in den Mischstufen 58 und 59 überlagert. Zur Eliminierung der Zeit dienen die Addierer 60 und 61, in denen die Signale vom Antennenpaar 35, 36 mit den Signalen vom Antennenpaar Se, 6 a kombiniert werden und nur die Signale vom zweiten Antennenpaar in Betracht gezogen Werden, die zu den Zwischenfrequenzverstärkern 62 und 63 geleitet werden. Nach Verstärkung gelangen die Signale einmal zu dem zweipoligen Synchrondetektor 64, wo sie miteinander multipliziert werden, so daS die Ausgangsspannung

K₁E₁

cos Φ -\ * -^Λ · cos (2 W₁ f t + Φ)

entsteht.

Das zweite Glied wird durch einen Tiefpaß eliminiert, so daß man

S₈₁ = X₂COS* (6)

erhält.

Das Aasgangssignal vom Verstärker 63 wird um 90° im Phasenschieber 65 phasenverschoben und zum zweiten zweipoligen Synchrondetektor 66 gegeben, ma dort mit dem Ausgangssignal des Verstärkers 62 kombiniert zu werden, so daß das Ausgangssignal

E₉₂ = K₂ cos Φ (7)

entsteht.

Da der InterferenzverstSrker zur Erzeugung einer scharfen Anadge des Peüwinkels θ dient, sind zwei Hochfrequenzteile mit zwei Antennenpaaren erforderlich.

Die im Abstand 1OA angeordneten Antennen 5 α und 6 a besitzen eine Charakteristik mit einer Schleifenweite von 6°. Die im Abstand 30 λ angeordneten Antennen 35 und 36 haben eine Charakteristik mit 2° Schleifenbreite. Das Signal der Antenne 35 gelangt zu der Mischstuf e 69, während das Signal der Antenne 36 über den veränderbaren Phasenschieber 70 zu der Mischstufe 71 kommt. Dort werden die Signale jeweils mit dem Signal des Oszillators 70 a überlagert. Das Ausgangssignal der Mischstufe 69 wird in dem Addierer 60" mit dem Signal der Mischstufe 58 zusammengesetzt, während das Ausgangssignal der Mischstufe 71 mit dem Signal der Mischstufe 59 in dem Addierer 61 kombiniert wird. Die Zuführung der Signale des Oszillators 70 a wird durch die Tore 72 und 73 gesteuert. Durch die Tore 72 und 73 wird der an das Antennenpaar Sa, 6 a angeschlossene Hochfrequenzteil für"die'ersten 50 Mikrosekunden,.-die der Aassendung der Radarimpulse folgen, und der an das Antennenpaar 35, 36 angeschlossene Hochfrequenzteil für die nächsten 30 Mikrosekunden angeschaltet. Die Schalter 74 α, 74 b und 74 c dienen zum Wicksammachen der beiden Hochfrequenzteile des Empfängers während der Abtastung des 90°- Sektors durch den Radarstrahl und zum Abschalten des Empfängers für den restlichen Bereich des Azimuts. Zu diesem Zwecke sind die mechanischen Schalter 74 bis 74 c mechanisch mit der Welle der

ίο Radarantenne unter Steuerung des Schalters 75 gekuppelt.

Die beiden Eingangssignale K · sin Φ und K · cos Φ (Fig. 12) geben die Information über das Ziel, und zwar die Entfernung des Zieles aus der Laufzeit des Radarimpulses und die Winkelposition aus dem Phasenwinkel Φ. Da bei der Radartastung auch Störimpulse auftreten, ist ein Filterprozeß vorgesehen. Die Größe der beiden analogen Spannungen K · sin Φ und K ■ cos Φ wird in sieben Stufen aufgeteilt und in einen dreistelligen binären Code umgewandelt, und zwar mittels der Digitalrechner 38 und 39. Das Signal K · sin Φ gelangt zum Eingang des Digitalrechners 38 über das passive Filter 77, durch welches eine vorläufige Glättung vorgenommen wird. Die Ausgangssignale des Filters 77 werden in Intervallen von 2 Mikrosekunden mittels des Und-Tores 78 im Takt des Taktgebers 33 abgenommen. Die Digitalisierung erfolgt durch die Spannungsvergleicher (79 bis 84), wobei jeder Block zwei Eingänge hat, von denen ein Eingang entweder eine positive oder eine negative Gleichspannung B+ bzw. B— empfängt und der andere Eingang den Ausgangsimpuls des Filters 77 aufnimmt. Die Spannung B+ an den Spannungsgleichern 79 bis 81 kann durch den Spannungsteilerwiderstand 85 und die Spannung B — an den Spanmmgsgleichern 82 bis 84 durch den Spannungsteilerwiderstand 86 variiert werden. Wenn der geprüfte Impuls breiter ist als die entsprechende Spannung an irgendeinem der Vergleicher, dann tritt ein Standardimpuls am Ausgang A des betreffenden Vergleichers auf; ist jedoch der Impuls kleiner, dann tritt der Standardimpuls am Ausgang B auf. Wenn der Prüfimpuls an die zweiten Eingänge der Vergleicher gegeben ist, gibt die Kombination der Ausgangsimpulse die digitale Stufe wieder. Eine richtige Kombination besteht dann, wenn ein B-Ausgang eines Vergleichers und ein A -Ausgang des benachbarten Vergleichers auftreten. Die Größe des Eingangssignals wird durch einen Impuls auf einer der drei Leitungen 85, 86 und 87 bzw. 88, 89 und 90 angezeigt. Diese Information wird dann durch die Oder-Tore 91 bis 95 in einen dreistelligen binären Code codiert.

Der gleiche Vorgang erfolgt für das Eingangssignal K · cos Φ im Enddigitalrechner 39, der die Vergleiche 79 a bis 84 a enthält.

Die drei Bits der binären Information, die in Intervallen von 2 Mikrosekunden aus dem Digitalrechner 38 kommen, gelangen zu dem digitalen Filter 40 (Fig. 13). Der digitale Filterprozeß ist im wesentliehen eine Interpolation, wobei im Filter 40 die empfangenen und digitalisierten Radarimpulse zu dem hier umlaufenden Rest synchron in dem Parallel-Addierer 96 addiert werden. Hierbei wird das Signal des Digitalrechners 38 und der zirkulierende Rest der Verzögerungsketten 97 und 98 über die Empfangsverstärker 99 und 100 zum Addierer 96 geführt und der Ausgang des Addierers über die Sendeverstärker 101 und 102 mit den beiden Verzögerungs-

ketten verbunden. Bei einem erfaßten Ziel wird ständig ein Impuls entsprechend der Entfernung beigesteuert, und die Resultate werden integriert. Während der Abtastung eines Subsektors von 6° werden zwölf Hauptimpulse vom Sender 32 ausgesendet. Durch die Addition entstehen Überläufe am Addierer 96, die nur von einem Ziel stammen können und in einem Register gespeichert werden, das aus einer Verzögerungskette besteht und ein Teil des Codierers ist. Die Überläufe werden auch zu den früheren Überläufen im Serien-Addierer 103 addiert und das Resultat in dem durch die Verzögerungskette 104 gebildeten Überlaufspeicher gespeichert.

Da ein gerader binärer Code verwendet wird, zeigt das Auftreten eines Überlaufs, wenn negative Zahlen, d.h. Zahlen mit einem Ausgangssignal am Oder-Tor 95, im Parallel-Addierer 96 addiert werden, an, daß die Summe aus dem Ausgangssignal des Digitalrechners 38 und dem Rest kleiner ist als die Spannungsstufe, so daß eine Überlaufeinheit von den summierten Überläufen abgezogen würde. Ein Überlauf bei einer negativen Zahl muß daher vernachlässigt werden; umgekehrt zeigt das Fehlen eines Überlaufs an, daß bei dieser Stufe eine Überlaufeinheit im Speicher abgezogen werden muß, was durch Addition der Binärzahl 1111 zu dem Speicherinhalt geschieht.

Ein Ausgangssignal am Oder-Tor 95 wird zum Sperreingang des Sperrtores 105 und dem Steuereingang des Und-Tores 106 gegeben. Das Überlaufsignal am Addierer 96 kann daher nicht zum Speicher 104 gelangen, wenn ein Signal vom Oder-Tor 95 vorhanden ist. Wenn nur das Signal des Tores 95 vorhanden ist, wird die bistabile Kippschaltung 107 in den 1-Zustand gesetzt und infolgedessen ein Impuls in die 3-Bit-Verzögerungskette 108 gesendet. Die Taktimpulse stellen die Kippschaltung 107 über das Und-Tor 109 zurück, dessen Ausgangssignal auch zum Oder-Tor 110 gelangt. Der Ausgang dieses Tores und der des Tores 105 dienen als Eingänge des Oder-Tores 111, dessen Ausgangssignal in den Serien-Addierer 103 gesendet wird. Das Sperrtor 112 befindet sich im Umlaufweg des Überlaufspeichers 104 zusammen mit den Verstärken 113, 114 und 115.

Das Filter 41 ist genauso aufgebaut wie das Filter 40 und arbeitet in gleicher Weise mit dem Digitalrechner 39 zusammen.

Der Taktgeber 33 besteht (Fig. 12) aus dem Kristalloszillator 116, dem Sperrschwinger 117, dem Impulsteiler 118 und dem programmgesteuerten Zähler 119. Der Oszillator 116 erzeugt Sinusschwingungen von 500 kHz, die im Sperrschwinger in eine Impulsfolge von 5 Mikrosekunden Impulsbreite umgewandelt werden. Der Impulsteiler erzeugt besondere Taktimpulse Tl... Γ13, die als Rückstellimpulse zum Synchronisieren des Radarsenders dienen. Zur Erzeugung der codierten Entfernung dient der Zähler 119, der Taktimpulse vom Sperrschwinger 117 und von bestimmten Ausgängen des Impulsteilers 118 erhält. Der Zähler 119 liefert ein aus vier Bits bestehendes binäres Wort, dessen Wert zu irgendeiner Taktzeit nach dem ausgesendeten Radarimpuls die Entfernung des Zieles anzeigt und dessen Ausgang Tn den Radarsender 32 steuert.

Während des Codierzyklus in der Codierschaltung 43 (Fig. 14 und 15) gelangt ein Codiersignal 120 vom Zuordner 48 zum Und-Tor 121. Die aus der Verzögerungskette 123, den Verstärkern 122 und 124 und dem Oder-Tor 124 a bestehende Verzögerungsschaltung wird auf das Vorhandensein von Impulsen untersucht. Wenn gleichzeitig mit einem Codiersignal 120 ein Impuls am Ausgang des Verstärkers 124 auftritt, entsteht am Und-Tor 121 ein Ausgangssignal.

Die vom Zähler 119 bestimmte Entfernung wird im Entfernungsspeicher 44 (F i g. 15) eingespeichert, und zwar durch Zuführung der SignaleRl.. .R4 zusammen mit dem Ausgang vom Und-Tor 121 den Und-Toren 125... 128, deren Ausgänge die einzelnen Stufen des Schieberegisters 129 setzen.

Gleichzeitig beginnt die Codierung des aus vier Bits bestehenden Wortes für das Azimut im Register 104 bzw. 104 a, wobei zuerst das Vorzeichen in beiden Registern bestimmt wird. Ein Bit in der vierten Stelle kennzeichnet ein negatives Vorzeichen, wobei in den Fig. 21 und 22 die Regem für die Winkelcodierung angegeben sind. An der Verzögerungskette 104 treten die Wörter für die F-Koordinate und an 104 a für die ^-Koordinate auf. Die Vorzeichen

ao von X und Y werden durch den Empfänger 113 bzw. 113 a ermittelt. Wenn ein Vorzeichenbit, das den F-Überlauf als negativ bezeichnet, vorhanden ist, wird die vierte Stufe im Schieberegister 130 des Winkelspeichers 43 (F i g. 14) gesetzt. Wenn kein Z-Bit vorhanden ist, wird die dritte Stufe des Registers gesetzt. Im umgekehrten Falle wird auch die dritte Stufe gesetzt, und zwar mittels der Tore 131, 132 und 133. Ist der Inhalt des Registers 104 a negativ, so werden die anderen drei Bits des Wortes umgekehrt. Für Y erfolgt die Umkehrung in der bistabilen Schaltung 134, dem Sperrtor 135, den Und-Toren 136 und 142 und dem Oder-Tor 137, für X in der bistabilen Schaltung 138 und den Toren 139, 140, 141 und 143.

Um das zweite Bit des Winkelwortes zu bilden, muß untersucht werden, ob X größe als Y ist. Dies erfolgt durch Vergleich der drei Bits des X- und des Y-Wortes in den Sperrtoren 144 und 145 und Absetzen des Resultates in der bistabilen Schaltung 146.

Das letzte Bit des Winkelwortes wird durch Vergleich des kleineren der beiden Wörter mit dem halben Wert des anderen Wortes gebildet. Hierzu wird Y in der Verzögerungskette 147 verzögert, daß eine Multiplikation mit 2 bedeutet, und wird dann mit X in der gleichen Weise wie vorher X und Y mittels der Sperrtore 148 und 149 und der bistabilen Schaltung 150 verglichen. Ferner wird das in der Kette 151 um ein Bit verzögerte X mit Y in den Sperrtoren 152 und 153 und der bistabilen Schaltung 154 verglichen.

Durch die Und-Tore 155 ... 158 und das Oder-Tor 159 wird dann schließlich das letzte Bit des Winkelwortes bestimmt. Die bistabile Schaltung 160, das Sperrtor 161, die Verzögerungskette 162 und das Und-Tor 164 erzeugen Löschimpulse für die Sperrtore 112, 112 α und 165. Ist der Winkel vollständig codiert, werden die Wörter in dem Winkelspeicher 130 und dem Entfernungsspeicher 329 über das Oder-Tor 166 in den Pufferspeicher 45 geschoben.

Das Diagramm eines vollständigen Codewortes ist

Go in Fig. 23 dargestellt, wobei T 13 ... JlO die Entfernung, Γ 9 ... T 6 den Winkel bezeichnen. Von der logischen Schaltung 47 werden die Informationen T5 ...Tl geliefert.
Die Servoanlage (Fig. 18) dient zur Erzeugung einer Drehwinkelstellung, die der Stellung der Sendeantenne der Radaranlage entspricht. Über die Welle 174 ist das nichtlineare Potentiometer 175 mit dem Positions-Servomechanismus 173 gekuppelt, wobei

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das Potentiometer 175 auch die Höhenlage berücksichtigt. Auf der Welle.174 sitzt der Verteiler 176, der die im Entschlüßler 52 der Sichtanzeige 53 erforderlichen analogen Spannungen erzeugt. Ferner ist der Zuordner 48 auf der Welle 174 gekuppelt, mit dessen Hilfe bestimmte Ausgänge des Hauptspeichers 46 ausgewählt werden. Die bistabile Schaltung 177 wird durch das Vergleichssignal der Zuordnerscheibe

178 in den 1-Zustand gesetzt, durch den die Tore

179 und 180 aktiviert werden. Über das Und-Tor 179 können die im Hauptspeicher 46 gespeicherten Wörter in die logische Schaltung 47 gelangen, während das Und-Tor 180 den Rückweg in den Hauptspeicher öffnet. Die Zuordnerscheibe 181 dient zur Auswahl derjenigen Wörter, die den Hauptspeicher verlassen sollen, wobei die Zuordnerscheibe 178 die Stelle auswählt, an der die zurücklaufenden Informationen gespeichert werden sollen. Die Zuordnerscheibe 182 dient zur Auswahl eines der fünfzehn Sperrtore, von denen drei Tore 183 ... 185 dargestellt sind. Die Zuordnerscheiben sind starr mit der Welle 174 verbunden, so daß sie jeweils sicher mit den Eingängen der gleichen Speicherabteilung verbunden sind. Der Hauptspeicher besitzt fünfzehn Abteilungen mit jeweils einer Verzögerungskette 186 für neununddreißig Bits und den beiden Verstärkern 187 und 188. Jede · Abteilung des Hauptspeichers entspricht einem Untersektor von 6° des untersuchten 90°-Sektors; in jedem Untersektor können gleichzeitig bis zu drei fremde Flugzeuge angepeilt werden.

Während der Codierung werden also eventuell drei Wörter gebildet und im Pufferspeicher45 (Fig. 16) gespeichert, der diese Wörter in der Verzögerungskette 167 wiederholt. Mit der Verzögerungskette 167 arbeiten die Verstärker 168 und 171, das Sperrtor 169 und das Oder-Tor 170 zusammen.

Die graphische Darstellung der Kennmerkmale für die logische Schaltung 47(Fi g. 24) zeigt den Raum 23 a um das fremde Flugzeug, wobei die mittlere A -Zelle als Ausgangszelle dient. Die horizontale Richtung zeigt die Veränderungen der Winkelkoordinate und die vertikale Richtung die Entfernungsänderungen an. Angenommen, die neue Position fällt in eine dieser Zellen, dann lassen sich aus F i g. 24 diejenigen Informationen ablesen, die in den Hauptspeicher eingespeichert werden müssen.

Man kann andererseits auch die Seite feststellen, von der die Gefahr droht, wobei zu beachten ist, daß die Zellen der Fi g. 24 nicht maßstabgerecht in bezug auf Azimut und Entfernung sind.

Nach Auswertung der Informationen werden sie wieder in den Hauptspeicher zurückgespeichert.

Die Eingangssignale für die in den F i g. 16 und 17 dargestellte logische Schaltung 47 kommen einerseits vom Pufferspeicher 45 und andererseits vom Hauptspeicher^ über den Zuordner 48. Die Worte des Pufferspeichers 45 werden vom Verstärker 172 empfangen und zum Serien-Addierer 189 geleitet. Die über die Zuordnerscheibe 181 kommenden Wörter des Hauptspeichers gelangen ebenfalls zum Addierer

189 sowie zu der Verzögerungskette 190. Der Ausgang des Addierers 189 ist mit den in Reihe liegenden Verzögerungsieirangen 191, 192 und 193, von denen vier Vergleichsimpulse abgenommen werden können, verbunden. Die Einwortverzögerungsleitung

190 ist über das Oder-Tor 194, das Sperrtor 195 und das Und-Tor 180 mit der Zuordnerscheibe 178 elektrisch verbunden. Das erste Bit des vom Hauptspeicher kommenden Wortes gelangt gleichzeitig mit Tl an das Und-Tor 196, dessen Ausgangssignale die bistabilen Kippschaltungen 197 und 198 steuern. Wenn am Und-Tor 196 ein Signal ausgelöst wird, so

'5 zeigt dies an, daß bei der vorhergehenden Prüfung die Lage des fremden Flugzeuges als »eventuell gefährlich« für das überwachte Flugzeug bezeichnet wurde. Die Und-Tore 199 ... 203 und das Oder-Tor 204, das Sperrtor 205 sowie Umkehrer 206 und 207

ίο dienen zur Bestimmung, ob die Differenz der codierten Koordinate positiv oder negativ ist und ob die Größe 0, 1, 2 oder 3 ist. Ein Ausgangssignal an einem der Und-Tore 200 ... 203 dient zur Steuerung der bistabilen Kippschaltungen 208, 209 bzw. 210. Das Ausgangssignal des Tores 203 steuert die Schaltung

209 über das Und-Tor 211 und das Oder-Tor 212. Beim Entfernungsvergleich wird das Ausgangssignal des Sperrtores 205 gleichzeitig mit Γ12 dem Tor 213 zugeführt, dessen Ausgangssignal eine positive Entfernung im betrachteten Raum 23 α anzeigt. In ähnlicher Weise, wie die Winkeldifferenz gemessen wird, wird mit den gleichen Komponenten die Entfernungsdifferenz bestimmt. Hierzu wird ein Ausgangsimpuls von einem der Tore 200 ... 203 dem jeweils zugeordneten Und-Tor 214 ... 217 zugeführt. Der Zustand der bistabilen Kippschaltungen 208 ...

210 steuert zusammen mit einem Impuls von einem der Und-Tore 214... 217 über die Und-Tore 218 ... 222 und die Oder-Tore 223 ... 225 die bistabilen Kippschaltungen 226 ... 229. Die bistabilen Kippschaltungen 197, 198, 226 ... 229 bezeichnen die bestehende Luftlage, ob sicher, ob eine wahrscheinliche Gefahr oder ob eine akute Gefahr besteht, sowie die Seite, von der die Gefahr droht. Die Und-Tore 230 ... 235 und die Oder-Tore 236... 240 dienen zusammen mit den Taktimpulsen Tl.. .T 5 zur Bildung der fünf Bits, die das Verhältnis des fremden Flugzeuges 4 zum überwachten Flugzeug 1 darlegen. Der Ausgang des Oder-Tores 239 öffnet das Und-Tor 241, so daß das in der Verzögerungsleitung 190 befindliche Wort zum Oder-Tor 170 gelangen kann. Das Füllsignal aktiviert das Und-Tor 242, so daß der Inhalt des Pufferspeichers in den Hauptspeicher eingespeichert werden kann.

Der Oszillographen-Entschlüßler 52 verwendet den Zuordner 48, um den Hauptspeicher 46 abteilungsweise abzufragen. Wenn eine Gefahr festgestellt worden ist, dann werden die entsprechenden Informationen in Spannungen für den Kathodenstrahl-Oszillographen 53 und für die Warnanlage 54 umgewandelt, wobei die Gefahrenart des fremden Flugzeuges den Fleck auf der Kathodenstrahlröhre (Fig. 9) steuert.

Der Entschlüßler 52 (Fig. 19) dient zum Empfang codierter Worte zur Kennzeichnung von Art und Entfernung des Zieles, die er von dem entsprechenden Abschnitt des Hauptspeichers 46 sowie analoger Spannungswerte vom Verteiler 176 erhält, um daraus die Ablenk- und Modulationsspannungen für die Kathodenstrahlröhre zu erzeugen.

Eine der Entfernung proportionale Analogspannung wird mit Hilfe des Oder-Tores 243, des Und-Tores 244, der Verzögerungsleitungen 245... 247, ferner mit Hilfe von Verstärkern 248... 251 mit ausgewogenem Verstärkungsgrad und des Summenverstärkers 242 bereitgestellt. Der Ausgang des Verstärkers 252 führt zum Modulator 253, dem die Ablenkspannung für die F-Richtung entnommen wird,

sowie zum Modulator 254 für die Ablenkspannung der ^-Richtung. Diesen Ablenkspannungen werden mittels der Summenverstärker 255 und 256, der Und-Tore 257... 259 und des Oder-Tores 260 Signale vom Sperrimpulsgenerator 261 überlagert.

Die bistabilen Kippschaltungen 262... 266 werden durch die Und-Tore 267... 271 gesetzt, deren Eingänge von den Taktimpulsen Tl.. .T5 und dem codierten Wort des Hauptspeichers 46 dargestellt werden. Die Und-Tore 272 und 273 bestimmen ein Intensitäts-Ausgangssignal.

Die Warnanlage 54 besteht zweckmäßigerweise aus einem Summer, der durch die Intensitäts-Ausgangsspannung erregt wird.

Obwohl bei dem beschriebenen automatischen System sowohl Radarsender als auch -empfänger in dem ausgerüsteten Flugzeug angeordnet sind, kann es dahingehend abgewandelt werden, daß das fremde Flugzeug mit einem Transponder ausgestattet wird. Hierdurch kann man den Entfernungsbereich vergrößern und eine zusätzliche Höhenbestimmung vornehmen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verhütung der Kollisionsgefahr von Luftfahrzeugen mit einer Radaranlage, z.B. einer Wetter-Radaranlage, die den relativen Standort anderer Objekte ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß Datenspei- 3< > eher (43, 44, 45, 46) in logischer Verknüpfung (47) vorgesehen sind, die einen vor dem Flugzeug liegenden Sektor, z.B. einen 90°-Sektor, durch entsprechende Zuordnung (48) in Teilbereiche (Zellen) aufschlüsseln und somit den Gesamtbereich in Gestalt einer Matrix elektrisch nachbilden, ferner daß mit der Radaranlage Analog-Digitalwandler (38, 39) und speichernde Vorrichtungen (46) zusammenarbeiten, die eine Umwandlung der erhaltenen Radarinformationen digital darstellen und in die den Teilbereichen zugeordneten Speicher eingeben, und daß eine Auswerteeinrichtung (52) für ein Sichtgerät (53) und eine Warneinrichtung (54) vorgesehen sind, die unter Einbeziehung des Zeitfaktors und unter Berücksichtigung von Bezugswerten (51) für den Standort und für die Bewegungsdaten des sich sichernden Flugzeuges automatisch aus den durch eine fortlaufende logische Verknüpfung der Speichereinrichtungen (46) gewonnenen Informationen die Kollisionsgefahr nach Teilbereichen auswerten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung (52) nach Teilbereichen mit Kollisionsgefahr auch der Grad der Kollisionsgefahr angezeigt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Radar-Empfangsanlage zwei Antennenpaare (5, 6 und 35, 36) für Grob- und Feinpeilung enthält, wobei die als Sinus- und Kosinuswerte empfangenen analogen

ao Azimutinformationen durch Analog-Digitalwandler (38, 39) in digitale Signale umgewandelt und beide Signale durch Vergleicher (79 bis 84) und elektronische Torschaltungen (mit den Ausgängen 86 bis 89, Fig. 12) sowie durch weitere Torschaltungen (91 bis 95) zu einem Signal vereinigt werden.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der Kollisionsgefahr Informationen auf der Sichtanzeige (53, Fig. 10) einer Kathodenstrahlröhre (28, F i g. 9) abgebildet werden, woraus sowohl die Lage als auch die Richtung und der Grad der Gefahr durch Lichtflecke verschiedener Form erkennbar sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Kollisionsschutz in der See- und Luftfahrt«, deutsche Ausgabe der Dreinationentagung in London vom 5. bis 7. Juni 1957, herausgegeben vom Ausschuß für Funkortung (jetzt: Deutsche Gesellschaft für Ortung und Navigation), Düsseldorf, Best.-Nr. (II).

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

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