DE1237647B

DE1237647B - Allrichtungs-Funkortungsverfahren nach dem Dopplerprinzip

Info

Publication number: DE1237647B
Application number: DEST20387A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Fritz Steiner
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1963-03-09
Filing date: 1963-03-09
Publication date: 1967-03-30
Also published as: US3290685A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIs

Deutsche Kl.: 21 a4 - 48/11

Nummer: 1237 647

Aktenzeichen: St 20387IX d/21 a4

Anmeldetag: 9. März 1963

Auslegetag: 30. März 1967

Die Erfindung betrifft ein Funkortungsverfahren, das für Senkrechtstarter und Kurzhubflugzeuge besonders geeignet ist. Es ist so ausgebildet, daß der Erhebungswinkel (φ), der Azimut (0) und im Abfrageverfahren auch die Entfernung (ρ) in den Bordstationen von Flugzeugen, also ihre Position in Kugelkoordinaten in bezug auf den Aufstellungsort des Funkfeuers bzw. auf den Mittelpunkt des Flugplatzes ermittelbar sind. Zur Überwachung des Flugverkehrs auf einer zentralen Bodenstation werden diese Werte zweckmäßigerweise mittels eines der bekannten Verfahren von den Flugzeugen zur Bodenstation übertragen. Der einfacheren Auswertung wegen werden die in Kugelkoordinaten gemessenen Positionswerte vor der Übertragung zur Bodenstation in kartesische Koordinaten umgewandelt. Die apparatemäßige Umwandlung der Koordinaten ist an sich bekannt und gehört nicht zum Schutzumfang des Erfindungsgegenstandes.

Die Erfindung bezieht sich also auf ein sende- und empfangsseitig anwendbares Allrichtungs-Doppler-Funkortungsverfahren, insbesondere für die Blindlandung von senkrecht startenden und landenden Flugzeugen. Die Erfindung besteht darin, daß die Erzeugung von Leitlinien, die im Räume nach Azimut und Erhebungswinkel unterscheidbar sind, durch die Kombination einer wirklichen oder simulierten Vertikalbewegung einer Einzelantenne über mehrere Wellenlängen mit einer wirklichen oder simulierten, mit einer von der ersten verschiedenen Frequenz erfolgenden Bewegung einer Einzelantenne auf einem mehrere Wellenlängen im Durchmesser betragenden Kreise erreicht wird, so daß die abgestrahlte bzw. empfangene Energie von den beiden Antennensystemen infolge der wirklichen oder simulierten Bewegung der Einzelantennen mit zwei verschiedenen Frequenzen frequenzmoduliert ist; der Azimut ist dann in an sich bekannter Weise durch die Phasenlage der aus der Frequenzmodulation der Rotationsbewegung abgeleiteten Richtspannung gegenüber einer Bezugsspannung, die im Falle eines Funkfeuers von diesem gesondert übertragen wird, bestimmbar, und der Höhenwinkel ergibt sich durch das Verhältnis der beiden Frequenzhübe der beiden verschiedenen Frequenzen, mit denen die wirklichen oder simulierten Bewegungen der Einzelantennen ausgeführt werden.

Die außer Azimut und Erhebungswinkel zur Bestimmung eines Punktes im Raum benötigte Entfernung (sogenannte Schrägentfernung) ρ wird in bekannter Weise im Abfrageverfahren entweder vom Boden aus — was normalerweise geschieht — oder AlMchtungs-Funkortungsverfahren nach dem
Dopplerprinzip

Anmelder:

Standard Elektrik Lorenz Aktiengesellschaft,

Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Fritz Steiner, Pforzheim

auch von Bord aus vorgenommen. Zweckmäßigerweise wird dabei ein bereits vorgeschlagenes Verfahren angewendet, bei dem die Entfernungsmessung gleichzeitig zur Datenübertragung benutzt werden kann (Patent 1174 375). Das betreffende Flugzeug

zo wird bei diesem Vorschlag vom Boden aus mit seinem Rufzeichen abgefragt und sendet das Zeichen zurück. Die Zeit zwischen Aussenden und Wiedereintreffen dieses Zeichens am Boden beinhaltet in bekannter Weise die Entfernung.

Die Richtung Θ kann z. B. mit einem Doppler- VOR (Fig. 5) bestimmt werden. Das Doppler-VOR gibt noch zusätzlich zu Θ durch die Größe des ermittelten Frequenzhubes eine grobe Information über den Erhebungswinkel φ. Der Frequenzhub nimmt bekanntlich mit dem Cosinus des Erhebungswinkels ab. Man erhält also durch Messung des Frequenzhubes beim Doppler-VOR eine grobe Information über den Erhebungswinkel φ. Zur genauen Messung ist eine Vertikalkomponente notwendig, die dem Sinus des Winkels φ proportional ist. Das kann z. B. durch Abtastung einer vertikalen Zeile (F i g. 5) ermöglicht werden. Unter der Annahme, daß der Erdboden zunächst keine Rolle spielt, ergibt die Abtastung einer vertikalen Zeile einen Hub, der sich mit dem Sinus des Erhebungswinkels ändert. Wenn man also in einem Diagramm den Hub als Funktion des Erhebungswinkels aufträgt (F i g. 1), so erhält man vom Doppler-VOR die Kurve A der Fi g. 1 und von der vertikalen Zeile die KurveB der Fig. 1.

Aus dem Verhältnis der beiden Werte erhält man mit genügender Genauigkeit den Erhebungswinkel φ. Die Auswertung kann mittels eines durch einen Servomotor angetriebenen Resolvers erfolgen, dessen beide festen Spulen mit Wechselspannungen mit den Amplituden gemäß Kurve A bzw. B gespeist werden. Der Rotor stellt sich dann so ein, daß die Spannung an der Rotorwicklung Null wird. Der eingestellte

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Winkel ist der Erhebungswinkel φ. Eine weitgehende Ausscheidung der Bodeneinflüsse kann man durch verschiedene Maßnahmen oder deren Kombination erreichen:

1. Durch Vertikalpolarisation der ausgestrahlten Wellen unter Ausnutzung des Brewsterschen Winkels (Fig. 2). In Fig. 2 ist der Reflexionsfaktor über dem Erhebungswinkel aufgetragen. Der Reflexionsfaktor geht bei kleinen Winkeln sehr stark zurück, bei etwa 10° (frequenzabhängig) ist er ein Minimum und steigt dann wieder an.

2. Durch Ausstrahlung der Hochfrequenzwellen in einem Strahlungsdiagramm in Form einer Kardioide (F i g. 3), die z. B. durch gleichzeitige Speisung von je zwei vertikal übereinander aufgebauten Dipolen mit um 90° versetzten Strömen erzeugt wird.

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Durch Kombination (Multiplikation) der beiden Methoden zur Verringerung der Einflüsse des Erdbodens auf die Abstrahlung der Wellen von den Antennen erhält man eine Reflexionscharakteristik gemäß F i g. 4. Man sieht, daß bei Abstrahlungswinkeln, die größer als etwa 10° sind, der Reflexionsfaktor immer kleiner als 0,5 gehalten werden kann. Durch Ausnutzung des bekannten Capture-Effektes mit einer Großbasisanlage, bei der das Verhältnis von Durchmesser des Antennensystems (D) zur Wellenlänge (λ) etwa 10 beträgt, kann, wie bekannt, der Fehler kleiner als 1° gehalten werden. Das Verfahren kann in der Praxis auf verschiedene Weise und mit verschiedenen Konfigurationen von Antennensystemen realisiert werden:

1. Mittels eines kreisförmigen Antennensystems, wie es von Doppler-Drehfunkfeuern her bekannt ist, und eines vertikalen linearen Antennensystems (Antennenzeile), das in der Mitte der kreisförmigen Anordnung aufgestellt sein kann (Fig.5). Beide Antennensysteme haben beispielsweise vertikale, geknickte Dipole, so daß die ausgestrahlten Wellen im wesentlichen vertikal polarisiert sind und trotzdem aber auch eine Strahlung senkrecht nach oben erfolgt. Das kreisförmige Antennensystem wird, wie von Doppler-Funkfeuern her bekannt, zyklisch mit einer Hochfrequenzwelle der Frequenz^ gespeist und mit einer Frequenz ω₂ abgetastet; das lineare Antennensystem wird mit einer Hochfrequenzwelle (F_h+Af) gespeist und mit einer Frequenz Cy₁ abgetastet.

Ein Empfangsgerät, das diese beiden Hochfrequenzwellen empfängt, liefert nach einer Amplitudendemodulation eine Schwebung der Frequenz A f, die mit O)₁ und ω₂ gleichzeitig frequenzmoduliert ist. Der Modulationshub von O₁ nimmt mit dem Sinus des Erhebungswinkels zu, während derjenige von ω₂ mit dem Cosinus des Erhebungswinkels φ abnimmt. Nach einer Frequenzdemodulation der Frequenz Af und anschließender Filterung erhält man Spannungen der Frequenz O)₁ und <w₂ getrennt. Das Verhältnis dieser beiden Spannungsgrößen ergibt den Erhebungswinkel φ. Die Phase der Spannung der Frequenz ω₂ gegenüber einer in bekannter Weise übertragenen Bezugsspannung der gleichen Frequenz ω₂ ergibt die Richtung Θ.

2. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Antennensystem derart ausgebildet, daß eine Kreisbewegung und eine Auf- und Abwärtsbewegung eines Einzelstrahlers kombiniert wird (F i g. 6). Zu diesem Zweck sind auf einer Ellipse, die durch den Schnitt eines Zylinders mit einer zu seiner Achse schrägen Ebene entsteht, eine Anzahl von geknickten, vertikalen Dipolen angeordnet. Die Abtastung dieser Dipole erfolgt mit einer Frequenz von ω₃, und der Zylinder rotiert mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit, die einer Frequenz ω₄ entspricht. Dann entspricht die Abtastfrequenz ω₂ aus dem ersten Beispiel der Summe von ω₃ und co₄, wenn Abtastung und Rotation gleichsinnig erfolgen. Für die Auf- und Abwärtsbewegung ist nur die Abtastfrequenz ω₃ maßgebend. Diese entspricht der Frequenz W₁ des ersten Beispieles. Bei Verwendung eines derartigen Antennensystems, das mit der Frequenz .F_A gespeist und in der beschriebenen Weise abgetastet und in Rotation versetzt wird, ist es zur empfangsseitigen Auswertung günstig, aber prinzipiell nicht notwendig, eine Frequenz (F_h+Af) von einer weiteren, aber feststehenden Antenne auszustrahlen. Dann kann der Empfang genau wie im ersten Beispiel erfolgen.

3. Bei einer weiteren Ausgestaltung des Antennensystems sind drei Ellipsen auf einer Zylinderwand mit je einem aus einer Anzahl von geknickten, vertikalen Dipolen bestehenden Antennensystem vorgesehen (Fig. 7). Diese Ellipsen stehen zur vertikalen Achse des Zylinders jeweils unter dem gleichen Schnittwinkel, die großen Achsen der Ellipsen haben jedoch in der Projektion auf eine Horizontalebene einen gegenseitigen Winkelabstand von 120°. Der Zylinder selbst steht, im Gegensatz zum zweiten Beispiel, fest. Die drei Antennensysteme werden, jedes einzelne in der beschriebenen Weise, zeitlich nacheinander abgetastet, so daß sich eine ruckweise Drehung um jeweils 120° ergibt, wenn der Übergang von einem Antennensystem zum nächsten erfolgt.

Zur Übertragung der zur Phasenmessung (Θ) notwendigen Bezugsfrequenz und zu deren empfangsseitigen Aufbereitung können die bekannten Methoden benutzt werden, bei denen die Bezugsfrequenz einem vorhandenen bzw. weiteren Träger aufmoduliert und empfangsseitig entsprechend demoduliert und gefiltert wird. Die Phasenmessung erfolgt mit ebenfalls bekannten Mitteln.

Die mit einem derartig ausgebildeten Funkfeuer zusammenarbeitenden Empfangsanlagen sind relativ einfach aufgebaut. Die von einer Antenne aufgenommenen Signale werden in üblicher Weise frequenzmäßig umgesetzt, verstärkt und einer Amplitudendemodulation unterzogen. Die sich dadurch bildende Schwebungsfrequenz Af wird begrenzt, frequenzdemoduliert, und das Ausgangsprodukt gefiltert. Dadurch erhält man die Frequenz Cu₁ mit der Amplitude

A = ρ ■ sin φ
und die Frequenz w_% mit der Amplitude

B = <
Mit der Beziehung

A ρ

ergibt sich der Höhenwinkel φ. Die Phase der Spannung der Frequenz ω₂ ergibt gegen die in bekannter Weise übertragene und empfangsseitig in ebenso

Claims

bekannter Weise aufbereitete Bezugsfrequenz der gleichen Frequenz ω2 den Azimutwinkel Θ. Die Prinzipien des hier bisher für die Sendeseite beschriebenen Funkortungsverfahrens können, wie es von allen anderen Navigationsverfahren her bekannt ist, sinngemäß auf die Empfangsseite, also auf eine Peilstation, angewendet werden. Für die Peilstation ergeben sich unter Benutzung der oben beschriebenen Antennensysteme ebenfalls drei Varianten in der Ausgestaltung.

1. Gemäß Fig. 8 werden die vom Kreisantennensystem, das mit der Frequenz ω abgetastet wird, aufgenommenen Wellen der Frequenz F₀ in einem Einseitenbandmodulator 10 mit einer Niederfrequenzspannung /₀, die ein Schwingungserzeuger 11 liefert (etwa 10 kHz), in eine Frequenz F₀ + /„ umgesetzt und dem Eingang eines Empfängers 12 zugeführt, während die vom linearen Antennensystem, das mit der Frequenz ω abgetastet wird, aufgenommenen Wellen dem Empfänger 12 direkt eingegeben werden, ao Im Empfänger 12 werden die beiden Frequenzen F₀ und F₀ + f₀ verstärkt, gegebenenfalls als Zwischenfrequenz, und dann in einem Demodulator 13 amplitudendemoduliert. Dadurch entsteht die Frequenz /₀, die gleichzeitig mit den beiden Abtastfrequenzen ω as und ω der Antennensysteme frequenzmoduliert ist. Nach einer Frequenzdemodulation und anschließender Filterung ergeben sich die Abtastfrequenzen ω und ω. Das Verhältnis ihrer Amplituden ergibt den Höhenwinkel φ. Ein Phasenvergleich der Spannung der Frequenz ω mit einer aus der Antennenrotation in bekannter Weise gewonnenen Bezugsspannung der gleichen Frequenz ergibt den Azimut Θ.

2. Die Spannung des Kreisantennensystems wird, (vgl. Fig.9) in einem Gegentaktmodulator 14 mit einer Niederfrequenz f₀ (etwa 10 kHz) eines Schwingungserzeugers 15 umgesetzt und dem Eingang des Empfängers 16 zugeführt. Die vom linearen Antennensystem empfangenen Wellen werden dem Eingang des Empfängers 16 direkt zugeführt. Die Ausgangsspannung des Empfängers 16 wird in einem Geräteteil 17 amplituden- und in einem Geräteteil 18 f requenzdemoduliert; die durch die Amplitudendemodulation gewonnene Spannung ist gegenüber der durch die Frequenzdemodulation erhaltenen um 90° phasenverschoben. Vor der Zusammenführung wird daher die amplitudendemodulrerte Spannung in einem Phasenschieber 19 um 90° in der Phase gedreht. Das Ergebnis der Zusammenführung ist wie beim Beispiel 1 eine Spannung der Frequenz/₀, die mit ω so und ω frequenzmoduliert ist. Diese wird in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 weiterverarbeitet, um den Höhenwinkel φ und den Azirmitwmkel Θ zu erhalten.

3. Die beiden von den Antennensystemen auf genommenen Spannungen werden gemäß Fig. 10 getrennten Empfängern 20 bzw. 21 zugeleitet und mit einem gemeinsamen ersten Oszillator 22 frequenzmäßig umgesetzt. Die frequenzgleichen Ausgangsspannungen der beiden Empfänger werden weiterhin mit zwei getrennten Oszillatoren 23 bzw. 24, deren Frequenzen sich um einen Betrag/₀ unterscheiden, in um f₀ verschiedene Frequenzen umgesetzt und diese in einer Mischstufe 25 gemischt. Das Ergebnis der Mischung ist eine Spannung der Frequenz /₀, die wiederum mit ω und ω frequenzmoduliert ist. Die Weiterverarbeitung dieser Spannung erfolgt in der gleichen Weise wie im Beispiel 1.

Patentansprüche:

1. Sende- und empfangsseitig anwendbares AU-richtungs-Doppler-Funkortungsverfahren, insbesondere für die Blindlandung von senkrecht startenden und landenden Flugzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung von Leitlinien, die im Räume nach Azimut (Θ) und Erhebungswinkel (φ) unterscheidbar sind, durch die Kombination einer wirklichen oder simulierten Vertikalbewegung einer Einzelantenne über mehrere Wellenlängen mit einer wirklichen oder simulierten, mit einer von der ersten verschiedenen Frequenz erfolgenden Bewegung einer Einzelantenne auf einem mehrere Wellenlängen im Durchmesser betragenden Kreise erreicht wird, so daß die abgestrahlte bzw. empfangene Energie von den beiden Antennensystemen infolge der wirklichen oder simulierten Bewegung der Einzelantennen mit zwei verschiedenen Frequenzen frequenzmoduliert ist und daß der Azimut in an sich bekannter Weise durch die Phasenlage der aus der Frequenzmodulation der Rotationsbewegung abgeleiteten Richtspannung gegenüber einer Bezugsspannung, die im Falle eines Funkfeuers von diesem gesondert übertragen wird, und der Höhenwinkel durch das Verhältnis der beiden Frequenzhübe der beiden verschiedenen Frequenzen bestimmbar ist.

2. Funkortungsverfahren nach Anspruch 1 bei Anwendung auf der Senderseite, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei verschiedenen Frequenzen, mit denen die zwei Antennensysteme gespeist werden, um einen solchen Betrag sich unterscheiden, daß sie innerhalb der Bandbreite des Empfängers liegen.

3. Funkortungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Hochfrequenzen von einer feststehenden Antenne abgestrahlt wird und daß die andere Hochfrequenz einem solchen Antennensystem zugeführt wird, das eine Auf- und Abwärtsbewegung und eine rotierende Bewegung dadurch kombiniert, daß die Antennen des Antennensystems längs einer Ellipse angeordnet sind, die durch Schnittbildung eines vertikal stehenden Kreiszylinders und einer zu seiner Achse schrägen Ebene entsteht, daß die Einzelantennen durch nacheinander erfolgendes Anschalten wirksam gemacht werden, und zwar mit einer Frequenz, die der Vertikalbewegung der Einzelantenne entspricht, und daß dieser Kreiszylinder um seine (vertikale) Achse rotiert, wodurch die resultierende Rotationsfrequenz gleich der Summe der mechanischen und der elektrischen Rotation ist.

4. Funkortungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elliptische Antennensysteme verwendet werden, die auf Schnittellipsen liegen, die durch Schnittebenen gleicher Neigung zur Zylinderachse entstehen, daß die Ellipsen in gleichmäßigen Winkelabständen um den Zylinder verteilt sind und daß diese Antennensysteme nacheinander gespeist werden, wobei die Einzelantennen eines jeden Antennensystems für sich zyklisch erregt werden.

5. Funkortungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Durchführung des Verfahrens mit einem elliptischen schrägen An-