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Anordnung zur Steuerung der Flughöhe eines Luftfahrzeuges Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Steuern der Höhe eines Luftfahrzeuges
und im besonderen darauf, daß diese Höhe verhältnismäßig klein ist, d. h. nur von
der Größenordnung von wenigen Metern. Der Ausdruck Luftfahrzeug, wie er hier gebraucht
wird, schließt dabei jede Art von Fahrzeug ein, das in der Luft manövriert werden
kann und das mindestens in einer niedrigen Höhe oberhalb des Bodens geflogen werden
kann.
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Es sind viele Systeme bekannt, um die Höhe eines Luftfahrzeuges zu
messen. Das am meisten verwendete System benutzt dabei die Messung einer Zeitverzögerung
zwischen ausgestrahlter und reflektierter Energie. Höhenmesser dieser Art sind genau
und zuverlässig unter normalen Bedingungen, obwohl sie verhältnismäßig kompliziert
sind, doch haben sie bei der Verwendung bei niedrig fliegenden Luftfahrzeugen die
Tendenz, in ihrer Wirkung abzunehmen, da sie mehr Information als erforderlich liefern
und weil sie einen verhältnismäßig großen Platzbedarf, großes Gewicht und einen
hohen Energiebedarf aufweisen.
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Ferner sind bereits Systeme bekannt, bei denen die Kapazität zwischen
Luftfahrzeug und Boden gemessen wird, aber diese haben den Nachteil, daß die Höhenmessung
nicht absolut ist, und sie sind außerdem schwierig einzustellen und zu steuern.
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Es ist auch bekannt, von einer auf einem Flugzeug angeordneten Antenne
Hochfrequenzenergie gegen die Erdoberfläche auszustrahlen und von den periodischen
Änderungen der Frequenz des die Antenne speisenden Oszillators auf die Höhe des
Flugzeuges zu schließen. Man hat hierbei aber nicht die Frequenz selbst oder ihre
Änderung als ein Maß für die Höhe genommen, sondern entweder die Anzahl der periodischen
Veränderungen gezählt, die bei dem Flug von einem Punkt mit bekannter Höhe zu einem
Punkt, dessen Höhe bestimmt werden soll, auftreten, oder die Amplitude der periodischen
Veränderung als Maß für die Höhe ausgewertet. Dabei hat man die Wellenlänge der
ausgesandten Welle im Verhältnis zu der zu bestimmenden Höhe klein gewählt.
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Dieses bekannte Verfahren zur Höhenmessung ist aber nicht ohne weiteres
als Grundlage für die Steuerung eines Flugzeuges in konstantem, nur wenige Meter
betragendem Abstand über der Erdoberfläche geeignet. Die unvermeidbaren kleineren
Änderungen der Flughöhe, beispielsweise verursacht durch Luftlöcher oder Unebenheiten
der Erdoberfläche, hätten dann nämlich bereits Frequenzänderungen zur Folge, die
nicht mehr im Bereich zwischen zwei Knotenpunkten liegen. Damit ist aber keine einw
deutige Steuerung auf konstante Höhe mehr möglich.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung eines Luftfahrzeuges,
auf dem eine Antenne angeordnet ist, die die von einem Oszillator erzeugten Hochfrequenzwellen
gegen die Erdoberfläche abstrahlt, wobei Änderungen der Oszillatorfrequenz bei Änderungen
der Höhe des Luftfahrzeuges über der Erdoberfläche auftreten, in konstanter, niedriger
Höhe mittels einer die Änderungen der Oszillatorfrequenz auswertenden Einrichtung,
wobei die Höhe ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der von der Antenne
abgestrahlten Energie ist.
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Die Erfindung wird darin gesehen, daß die Antenne und die diese speisenden
Übertragungsmittel derart fehlangepaßt sind, daß sie den frequenzändernden Einfluß
der Flughöhe verstärken.
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Als Fehlersignal, das nach Vorzeichen und Größe von der Richtung
und dem Betrag der Abweichung des Flugzeuges von dem vorgegebenen Abstand von der
Erdoberfläche abhängt, dient vorzugsweise eine von einem Frequenzdiskriminator gelieferte
Gleichstromgröße.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Anordnung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Darstellung einer Ausführungsform
der Anordnung, Fig. 2 und 3 erklärende Diagramme zur Darstellung der Anwendung der
Anordnung nach Fig. 1, F i g. 4 ein Stromkreisdiagramm einer Ausführungsform eines
Oszillators gemäß F i g. 1, F i g. 5 ein Stromkreisdiagramm einer Ausführungsform
eines Verstärkers, eines örtlichen Oszillators und eines Mischers gemäß Fig. 1,
F i g. 6 ein Stromkreisdiagramm einer Ausführungsform eines Diskriminators gemäß
Fig. 1, F i g. 7 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführunsgform der Anordnung.
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In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung
zur Steuerung der Höhe dargestellt.
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Das System weist einen Oszillator 1 auf, der Energie an eine Antenne
2 über eine tXbertragungsleitung 3 liefert. Ein kleiner Teil des Ausgangs des Oszillators
1 wird mit einer kleinen Belastung abgenommen und nach Verstärkung durch den Verstärker
4 zusammen mit dem Ausgang eines zweiten und stabilen Oszillators 5 einem Mischer
6 zugeführt, und die Differenzfrequenz aus diesem Mischer wird nach Verstärkung
im Verstärker 7 einem Frequenzdiskriminator 8 zugeführt.
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Dieser Diskriminator arbeitet in bekannter Weise und ergibt einen
Gleichstromausgang, dessen Größe und Vorzeichen proportional der Änderung der Frequenz
von einem mittleren Wert des dem Disknminator aufgedrückten Signals ist.
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Wenn nun die Apparatur von einem Luftfahrzeug getragen wird und die
Antenne 2 so angeordnet ist, daß sie Energie dem Boden zu ausstrahlt, so ändert
sich die Frequenz des Oszillators 1 periodisch um einen mittleren Wert, wenn die
Höhe des Luftfahrzeuges sich ändert, wobei die Frequenzabweichung Null ist, wenn
die Höhe des Luftfahrzeuges ein Vielfaches von 2 ist, wobei Ä die Wellenlänge der
erzeugten Schwingungen ist.
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Der Mischer 6 und der örtliche Oszillator S wandeln den Ausgang des
Oszillators 1 in Signale einer niedrigeren Frequenz um, die jedoch die gleiche proportionale
Abweichung zeigt, und der Diskriminatorausgang ist daher eine Funktion der Änderung
in der Höhe des Luftfahrzeuges um einen mittleren Wert entsprechend einem Vielfachen
von 2 Durch Zuführen des Diskriminatorausganges zum Betätigen entsprechender Höhensteuermittel
9 kann das Luftfahrzeug damit auf einer konstanten Höhe gehalten werden, die durch
eine geeignete Wahl der Wellenlänge der durch den Oszillator 1 erzeugten Signale
ausgewählt werden kann.
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Die Wirkungsweise des Systems wird in den F i g. 2 und 3 verdeutlicht,
die wechselnde Bedingungen zeigen, unter denen ein Luftfahrzeug 10 durch entsprechend
Steuerung auf einet konstanten-Höhe von 3 m liegt. Wie in F i g. 2 dargestellt,
kann die Wellenlänge des Oszillators 1 derart gewählt werden, daß L = 3 m ist, und
in die diesem Fall stellt die 2 Abweichung der Kurve 11 um ihre senkrechte-Achse
12 die Änderung in der Wellenlänge des Oszillators
dar, die eintritt, wenn die Höhe
des Luftfahrzeuges sich von 3m unterscheidet. Die Abweichung der Kurve 11 stellt
auch die Höhe und das Vorzeichen der Fehlersignale vom Diskriminator 8 dar, und
es ergibt sich so, daß, solange die Änderung der Höhe nicht ffi 2 übersteigt, die
Fehlersignale die Wirkung haben können, Steuerkräfte zu verursachen, um die Höhe
konstant auf dem Wert von 3 m zu halten.
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Wenn jedoch das System so aufgebaut ist, daß die automatische Steuerung
die Höhe des Luftfahrzeuges in Höhen stabilisiert, die gleich einem ungeraden Vielfachen
von 2 sind, stabilisiert dieses System nicht ohne eine Abwandlung die Höhe auf geraden
Vielfachen von I da in solchen Stellungen das Gleichstromfehlersignal sich in entgegengesetztem
Sinn ändert.
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Wenn die normale Frequenz des Oszillators bei 50 MHz ist, wie in
F i g. 2 dargestellt, so ist bei der gewünschten Höhe von 3 m die nächstgrößere
Höhe, auf der das Luftfahrzeug stabilisiert werden kann, 9 m, und es gibt keine
stabile Stellung unterhalb der gewünschten Höhe von 3 m. In manchen Fällen ist es
deshalb erwünscht, eine höhere Arbeitsfrequenz für den Oszillator, beispielsweise
150 MHz zu wählen, die eine Abweichungskurve 13 gemäß F i g. 3 erzeugt. Wie dargestellt,
ergibt eine solche Kurve eine stabilisierte Höhe auf dem gewünschten Betrag von
3 m und ferner noch an den Punkten, wie beispielsweise, die in Abständen von 2m
oberhalb und unterhalb dieser Höhe vorhanden sind. Wenn also aus irgendeinem Grund
die Höhe des Luftfahrzeuges sich über den Steuerbereich hinaus ändert, so wird es
in einer neuen Höhe, beispielsweise im Punkt A, stabilisiert. Es ist selbstverständlich,
daß die gesteuerte Höhe nicht notwendigerweise bei 3 m sein muß, und irgendeine
gewünschte Flughöhe kann durch geeignete Steuerung und Kontrolle der Frequenz des
Oszillators 1 der F i g. 1 ausgewählt werden.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Genauigkeit des Systems durch
die Drift der Frequenz der Oszillatoren 1 und 5 beeinflußt wird. In der Praxis kann
jedoch eine solche Drift viel kleiner gehalten werden als die durch die Änderung
in der Höhe erzeugte Abweichung, besonders wenn die Oszillatoren Festkörpervorrichtungen
sind, wodurch thermische Dritten vermieden werden, wie sie bei Verwendung von thermionischen
Vorrichtungen mit beheizten Kathoden eintreten.
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Fig. 4 zeigt ein Stromkreis diagramm eines Oszillators, das als Oszillator
1 der Fig. 1 verwendet werden kann. Wie in F i g. 4 dargestellt, weist der Oszillator
eine Doppeltetrode 15 auf, die für eine Gegentaktwirkungsweise angeordnet ist, und
zwar mit abgestimmter Anode und abgestimmten Gitterlecherleitungen 16 und 17. Die
normale Schwingungsfrequenz des Oszillators wurde mit 212,5 MHz ausgewählt, und
der Stromkreis wurde so ausgelegt, daß er mit diesen Frequenzen arbeiten kann. Die
Zuleitung 18 ist mit einer Seite der Anodenleitung 16 über eine veränderliche Kapazität
19 an einer Stelle in der Nähe des Röhrenanodenstiftes gekoppelt, wo die Spannung
in der Nähe des Maximum ist. Der Ausgang des Verstärkers 4 (F i g. 1) wird mit einer
Sonde 20 abgenommen die in der Nähe der anderen Seite
der Anodenleitung
16 angeordnet ist, um so eine bestimmte lose Kupplung zu ergeben. Im übrigen ist
die Anordnung in bekannter Weise getroffen, so daß sie nicht näher beschrieben zu
werden braucht.
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Die Antenne selbst kann von beliebiger Art sein und ist auf dem Luftfahrzeug
so angeordnet, daß sie die ausgestrahlte Energie dem Boden zu richtet, und da derartige
Antennen an sich bekannt sind, brauchen sie ebenfalls nicht näher beschrieben zu
werden.
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Infolge der vom Boden zurückgestrahlten Energie zeigt die Antenne
periodische Änderungen in ihrem Eingangsleitwert, wenn ihre Höhe sich ändert. Die
Antenne ist mit dem Oszillator über eine t)bertragungsleitung gekoppelt, und es
ist wichtig, daß sie mit dieser Leitung im Hinblick auf die Betriebsfrequenz nicht
angepaßt ist.
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Die Abhängigkeit der Oszillatorfrequenz von der Belastung und der
Kopplung ist in vielen Standardbüchern des näheren erklärt. Die Beziehung kann graphisch
in der Form eines Rieke-Diagramms für irgendeinen bestimmten Oszillator und irgendeine
Lastkombination dargestellt werden.
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In einem solchen Diagramm erscheinen die Formen von konstanter Frequenz
und Leistungsausgang als Funktionen der Belastung bei allen möglichen Kombinationen
einer komplexen Belastungsadmittanz. Außerdem kann die Oszillatormitziehkurve aus
diesem Diagramm abgeleitet werden.
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Die Wahl der Länge der Zuleitung ergibt sich aus zwei Überlegungen.
Die im freien Raum angeordnete Antenne hat irgendeinen bestimmten Wert ihrer Eingangsadmittanz
entsprechend der Geometrie der Antenne, derAntriebsfrequenz und der charakteristischen
Admittanz der Zuleitung. Es ergibt sich so im allgemeinen ein stehendes Wellenmuster
auf der Leitung. Die Admittanz ändert sich dann periodisch entlang der Leitung in
Abhängigkeit von dem Meßpunkt, wobei sich jedoch ihre Werte in Intervallen einer
halben Wellenlänge wiederholen. Damit muß die Zuleitung entsprechend irgendeiner
ganzen Zahl von halben Wellenlängen plus einem Bruchteil einer halben Wellenlänge
zugeschnitten werden, der durch den Unterschied zwischen der Admittanz der freien
Antenne bei der Arbeitsfrequenz und der Admittanz liegt, die an den Oszillatorklemmen
erforderlich ist, um diese Arbeitsfrequenz gemäß dem Rieke-Diagramm zu erzeugen.
Die ganze Zahl der halben Wellenlängen der Zuleitung wird im Hinblick auf verschiedene
Überlegungen ausgewählt. Es gibt eine sich gegenseitig wiederholende Beziehung zwischen
der elektrischen Zuführerlänge und der Frequenz in dem System, da irgendeine Störung
der Frequenz eine Änderung der elektrischen Zuführerlänge ergibt, was eine unterschiedliche
Admittanz des Oszillators und damit eine weitere Änderung in der Frequenz zur Folge
hat. Ob dies nun stabil ist oder nicht, hängt von der Änderungsgeschwindigkeit der
Oszillatorfrequenz mit der elektrischen Phase der Belastung ab, die an seinen Klemmen
auftritt, im Vergleich zu der reziproken Änderungsgeschwindigkeit der elektrischen
Phase mit der Frequenz auf der Leitung.
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Da die elektrische Phase auf einer tXbertragungsleitung durch folgende
Formel gegeben ist
wo f die Arbeitsfrequenz, 1 die Länge der Leitung
und c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
in dem Kabel ist, so ergibt sich als Änderungsgeschwindigkeit der Phase mit der
Frequenz:
| d 1 2z1 |
| df j Leitung CKabel |
Diese ist unmittelbar abhängig von der körperlichen Länge des Kabels. Zum Erreichen
eines maximalen Mitzieheffektes ohne Trennung ist es erwünscht, eine ganze Zahl
von halben Wellenlängen auszuwählen, um eine Steigung
zu erhalten, die gerade etwas größer als die der Oszillatormitziehkurve bei der
Arbeitsfrequenz ist, Das Ergebnis der Kopplung der Antenne, die als ein Übertrager
Höhe - Admittanz zu betrachten ist, mit dem Oszillator, der als ein Übertrager Admittanz
- Frequenz zu betrachten ist, über die richtig ausgewählte Zuleitung, die als ein
Vervielfacher der Admittanzänderung zu betrachten ist, ist daher eine Frequenzverschiebung,
die unmittelbar in Beziehung zu den Änderungen der Höhe der Antenne steht.
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F i g. 5 zeigt ein Schaltdiagramm des Verstärkers 4, des örtlichen
Oszillators 5 und des Mischers 6 der Fig. 1. Der Verstärker weist eine Röhre 25
auf, die einen an Masse gelegten Gitterstromkreis hat, der bei c seinen Eingang
von der Kupplungssonde 20 (Fig. 4) erhält, und die Röhre ist ferner mit Gitter-und
Anodenstromkreisen versehen, die bei der normalen Oszillatorfrequenz von 212,5 MIliz
in Resonanz sind.
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Der Verstärkerausgang und der Ausgang eines örtlichen Oszillators,
der eine mit einer Frequenz von 167,5 MIliz arbeitende Röhre 27 hat, werden einem
eine Diode 26 aufweisenden Mischer zugeführt, so daß der an Klemme A abnehmbare
Mischerausgang eine Frequenz von 45 MHz hat.
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F i g. 6 zeigt ein Stromkreisdiagramm des Verstärkers 7 und des Diskriminators
8 der Fig. 1. Der Verstärker weist eine Röhre 30 mit Gitter- und Anodenstromkreisen
auf, die in Resonanz mit der Arbeitsfrequenz von 45 MIliz sind. Bei B ist der Ausgang
A von F i g. 5 zugeführt. Der Diskriminator hat Röhren 31 und 32, die ihren Eingang
in paralleler Anordnung vom Verstärker erhalten und deren Anodenstromkreis auf 45
+ 2,5 MIliz abgestimmt und mit den Gleichrichtern 33 und 34 gekoppelt sind.
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Der Ausgang der beiden Gleichrichter wird einer Klemme D zugeführt,
an der nun ein Gleichstromfehlersignal auftritt, das in Größe und Vorzeichen mit
der Höhe des Luftfahrzeuges und damit mit den Frequenzänderungen des Oszillators
1 sich ändert.
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Die Betätigung und die Arbeitsweise des Diskriminators ist üblicher
Art und braucht daher nicht näher beschrieben zu werden.
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In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform des Systems dargestellt.
In diesem Fall wird ein Teil des Oszillatorausganges durch einen Verstärker 4 wie
oben beschrieben verstärkt, doch wird nun der Verstärkerausgang unmittelbar einem
Diskriminator 36
zugeführt, der damit mit der Frequenz des Oszillators
1 und nicht mit einer niedrigeren Frequenz wie in dem System nach F i g. 1 arbeitet.
In jeder anderen Hinsicht ist die Arbeitsweise des Systems nach Fig. 7 die gleiche
wie die gemäß Fig. 1.
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In beiden Systemen nach F i g. 1 und 7 wird das erzeugte Gleichstromfehlersignal
dazu verwendet, um in geeigneter Weise die Höhe des Luftfahrzeuges einzustellen.
Die Art dieser kinematischen Steuerung hängt von der Art des Luftfahrzeuges ab.
Da jedoch die Verwendung von Fehlersignalen zum Erreichen einer kinematischen Steuerung
eines Luftfahrzeuges an sich allgemein bekannt ist, ist es nicht notwendig, diesen
Teil des Systems näher zu beschreiben.
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Es ist einleuchtend, daß das System gemäß der Erfindung nunmehr das
Luftfahrzeug in Stand setzt, auf einer konstanten Höhe zu fliegen, die in sehr einfacher
Weise unter Steuerung der Frequenz der von der Antenne ausgestrahlten Energie ausgewählt
werden kann. Ferner ergibt das System die Möglichkeit, daß ein Bereich von Höhen
ausgewählt wird, in denen das Luftfahrzeug durch ein Steuersystem stabilisiert werden
kann.