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Funkleitsystem in Luftfahrzeuglandeanlagen Die Erfindung betrifft
ein Funkleitsystem in Luftfahrzeuglandeanlagen mit zwei eine Abfragestation und
eine Anwortstation bildenden Schaltungsanordnungen, von denen sich die erste an
Bord des Luftfahrzeugs, die andere am Boden befindet, wobei die Bodenstation zwei
als Bezugssystem für das Luftfahrzeug dienende Antennengruppen aufweist, von denen
eine Antennengruppe der Bestimmung des Höhenwinkels des Luftfahrzeugs und die andere
Antennengruppe der Bestimmung von dessen Seitenlage dient, und die Bordstation die
einzelnen Antennen der Bodenstation zur Höhen- und Seitenwinkelbv stimmung mit Hilfe
verschiedener Unterträgerfrequenzen nacheinander abfragt und mittels einer weiteren
Modulationsfrequenz eine Entfernungsmessung vornimmt.
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Die Leitung von Flugzeugen mitteIs eines in Elevationsrichtung und
eines in Azimutrichtung umgetasteten Leitstrahles ist bereits bekannt (deutsche
Patentschrift 920729). Ebenso ist es bekannt, bei derartigen Landeanlagen die Entfernung
nach dem Rückstrahlprinzip zu messen (deutsche Patentschrift 921303). Schließlich
ist auch schon die Umkehrung dieses Prinzips, nämlich eine bordseitige Entfernungsmessung
unter Benutzung von Bodenantwortstationen bekanntgeworden (deutsche Patentschrift
920 493).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Funkleitsystem der
eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der Landehöhenwinkel bordseitig wählbar
ist, damit das Luftfahrzeug eine Landung in kurzen aufeinanderfolgenden Stufen vornehmen
kann, um hierbei mit einer im wesentlichen vertikalen Landung zu enden, wie dies
beim Hubschrauber der Fall ist. Es ist also ein Zweck der Erfindung, ein Funkleitsystem
vorzusehen, das sich vor allem für Flugzeuge eignet, die auf äußerst kurzen Strecken
landen können.
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Diese Aufgabe ist bei dem hier vorgeschlagenen Funkleitsystem vor
allem dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Frequenz der vom Bordsender ausgesandten
Trägerwelle wählbar und die Frequenz der vom Bodensender wieder ausgesandten Trägerwelle
aus der empfangenen durch Frequenzvervielfachung gewonnen ist und daß die Höhenwinkelantennen
derart beschaffen sind, daß ihre Strahlungsrichtung sich mit der Frequenz der von
ihr ausgesandten Trägerwelle ändert.
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Während also bei bisher bekannten Luftfahrzeuglandesystemen der vorgeschlagene
Landewinkel fest und konstant ist und das Flugzeug auf ihn keinen Einfluß hat, was
auch für übliche Radars zutrifft, läßt sich bei dem Funkleitsystem gemäß der Erfindung
auf Grund der Frequenzabhängigkeit der Strahlungsrichtung der bodenseitigen Höhenwinkelantennen
der LandehöhenwinkeI des Luftfahrzeugs bordseitig wählen. Während hierbei der Bordstation
die aktive Aufgabe der Wellen auss endung zufällt, spielt die Bodenstation nur eine
passive Rolle, die jedoch dem Flugzeug außer der Bestimmung seiner Lage gestattet,
gegenüber der Bodenstation in einer zuvor bestimmten Richtung zu fliegen.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des hier vorgeschlagenen
Systems erfolgt die Aussendung des Oberwellensignals durch die Bodenstation hintereinander,
wobei die Ausgangsstufe der Antwortschaltung nacheinander auf die Höhen- und Seitenwinkelantennen
geschaltet wird und diese Umschaltung von einer Modulation der Ausgangssignale durch
Unterträgerfrequenzen begleitet ist und so die Winkelabstände zwischen der Richtung
des jeweiligen Luftfahrzeugorts und den durch den Schnitt der verschiedenen Sendekeulen
der betreffenden Anten-
nen festgelegten Höhenwinkel- und Seitenwinkel-Bezugsebenen
bestimmt werden.
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Hierbei ist es von weiterem Vorteil, wenn erfindungsgemäß für den
gesamten für die Abfragung durch die Bordstation und für die Antwort durch die Bodenstation
vorbehaltenen Zyklus die Bordstation zum Zwecke der Modulation durch die Unterträgerfrequenzen
eine durch die Bodenstation erzeugte lineare Frequenzmodulation auslöst, wobei die
Messung der Schwebungsfrequenz zwischen der Sende-und der Empfangsfrequenz die Entfernung
des Luftfahrzeugs von der Bodenstation bestimmen läßt.
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Zweckmäßig wird dabei eine Frequenzmodulation mit symmetrischem--
Spektrum vorgenommen, welche die Dopplerfrequenz bestimmen läßt, die ihrerseits
dann die radiale Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs bestimmt.
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Schließlich ist es für das hier vorgeschlagene System vom Vorteil,
wenn sämtliche für Ortung und Leitung des Luftfahrzeugs notwendigen Informationen
in der Bordstation festgestellt werden können und in einem zugehörigen Rechenwerk
behandelt werden, um das Luftfahrzeug eine in der vertikalen Bezugsebene vorbestimmte
Strecke fliegen zu lassen.
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In der Zeichnung isttein System der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Art in einer beispielsweise gewählten Ausführungsform schaltbildmäßig veranschaulicht
und durch Diagramme erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des eine Bordstation und eine Bodenstation
umfassenden Systems gemäß der Erfindung; F i g. 2 bringt die Winkellage des Bezugskoordinatensystems
der Bodenstation; F i g. 3 stellt einen Kurvenzug dar, der gewisse Einzelheiten
der hier beschriebenen Ausführungsform besser verstehen läßt.
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Wie bereits eingangs erläutert wurde, bezieht sich die Erfindung
auf ein Funkleitsystem in Luftfahrzeuglandeanlagen, um ein Luftfahrzeug sich mit
möglichst hoher Genauigkeit gegenüber einer Bodenstation lagemäßig bestimmen zu
lassen und ebenfalls in einer gewissen Breite sich längs einer von ihm selbst festgelegten
Strecke auszurichten. Diese Aufgabe nötigt dazu, daß ein Teil des Systems sich in
der Bordstation, ein anderer Teil in der Bodenstation befindet. Wie ebenfalls bereits
gesagt, spielt die Bodenstation eine passive Rolle, die nur antwortet, wenn sie
abgefragt wird. Unter diesen Bedingungen sendet ein an Bord des betreffenden Flugzeugs
befindlicher Sender ein Signal bestimmter Frequenz aus, wobei die Sendeantenne ein
verhältnismäßig breites Strahlungsdiagramm besitzt. Das von dem Luftfahrzeug ausgesandte
Signal wird in der Bodenstation durch eine Antenne empfangen, deren Diagramm wie
das der Sendeantenne verhältnismäßig breit ist. Das empfangene Signal wird verstärkt,
und seine Frequenz wird derart vervielfacht, daß sich stets eine Oberwelle der Sendefrequenz
F ergibt. Dieses neue Signal mit der Frequenz nF wird durch Sendeantennen ausgestrahlt,
die in zwei Gruppen aufgeteilt sind, von denen eine erste Gruppe für die Bestimmung
des Höhenwinkels, eine zweite Gruppe für die Bestimmung des Seitenwinkels vorgesehen
ist, wobei sich die elektromagnetische Energie zwischen diesen beiden Antennengruppen
verteilt.
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Die Höhenwinkelantennengruppe besitzt zwei gegenüber der Horizontalen
geneigte Antennen, von denen jede aus einem ausstrahlenden Aufbau besteht,
dessen
Strahlungsquellen ein zerstreuendes Netzwerk bilden. Die Strahlungsrichtung ist
daher mit der Sendefrequenz nF der Bodenstation veränderlich.
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Die beiden in der Höhe verschobenen Antennen erzeugen zwei übereinander
liegende, verschiedene, in der Höhe schmale, jedoch seitlich breite Strahlenbündel,
die sich überschneiden und so die den Höhenwinkel des Flugzeugs festlegende Höhenebene
bestimmen, die in Abhängigkeit von der Frequenz nF um die Horizontalachse OX schwenkt.
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Wie die Höhenwinkelantennengruppe besitzt auch die Seitenwinkelantennengruppe
zwei Strahler, deren seitlich verschobene Strahlungsbündel mit einander identischem
Strahlungsdiagramm sich überschneiden und damit die Vertikalebene bestimmen, in
der sich das Flugzeug bewegt. Die Diagramme sind fest und unabhängig von der Frequenz.
Unter diesen Bedingungen wird der Höhenwinkel 0 durch das die Bodenstafion mit einer
vorbestimmten Frequenz abfragende Flugzeug gewählt, da die Höhenwinkeldiagramme
in Abhängigkeit von der Harmonischen der Abfragefrequenz schwenken. Diese Eigenschaft
läßt verstehen, wie erfindungsgemäß das Flugzeug sich auf einer Flugbahn verschieben
kann, die es selbst gewählt hat, da die verwendete Sendefrequenz den Höhenwinkel
bestimmen läßt.
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Da die in der Bodenstation befindlichen Sendeantennen zyklisch jeweils
eine Strahlungskeule aufweisen, erfolgt die Antwort der Bodenstation mit der Frequenz
nF hintereinander, d. h., die Ausgangsstufe der Bodenstation wird nacheinander auf
die Seitenwinkelantennen von links nach rechts und auf die Höhenwinkelantennen von
unten nach oben geschaltet, wobei diese Teilaussendungen während eines genau bestimmten
Zeitbruchteils vorgenommen werden. Hieraus folgt, daß entsprechend der Lage des
Flugzeugs die von ihm aufgenommene Energie verschieden von einer Keule zur anderen
ist, wobei diese Differenzen ein Maß für den Seiten- und Höhenwinkelabstand zwischen
der mittleren Strahlungsachse der Gesamtheit der durch ihren Schnitt definierten
beiden Keulen und die Achse geben, in der sich das Flugzeug befindet. Um die Keulen,
die nacheinander die zum Flugzeug hin abgestrahlte Energie aufnehmen, zu unterscheiden,
nimmt man eine Modulation des die Frequenz nF aufweisenden Signals mit bestimmten
Unterträgerfrequenzen vor, von denen jede jeweils einer vorbestimmten Keule entspricht.
Die Bordstation des Flugzeugs nimmt die Demodulation dieser Signale vor und kann
somit die Seitenwinkelabstände gegenüber dem durch die Lage der Seitenwinkelantennen
bestimmten und der Höhenwinkelabstände gegenüber dem durch die Abfragefrequenz bestimmten
feststellen.
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Die Lage des Luftfahrzeugs muß noch durch eine Berechnung seiner
Entfernung gegenüber der Bodenstation vervollständigt werden, die den Ursprung der
Bezugskoordinaten darstellt. Man bedient sich hierzu einer Entfernungsmessung durch
Messung der Schwebungsfrequenz zwischen der Sendefrequenz und der Empfangsfrequenz
nach Rücksendung durch die Bodenstation bei einer linearen Frequenzmodulation, die
durch die Bordstation ausgelöst und von der Bodenstation wiedergegeben wird, wobei
diese Auslösung nach der Modulation durch die Unterträgerfrequenzen erfolgt. Es
ist ferner möglich, die radiale Geschwindigkeit des Flugzeugs durch Verwendung einer
Frequenzmodulation symmetrischen
Spektrums und Bestimmung der Dopplerfrequenz
zu erhalten.
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Mit einem solchen System läßt sich mit hoher Genauigkeit die Lage
des Flugzeugs einerseits und ebenfalls seine Richtung bestimmen; man kann hierdurch
sowohl eine Ortung als auch eine Funkleitung des Flugzeugs vornehmen.
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Gemäß dem Blockschaltbild der F i g. 1 sendet der Bordsender 1, dessen
Frequenz von C aus gesteuert wird, ein Signal aus, dessen Wellen von der Sendeantenne
3 ausgestrahlt werden. Dieses Signal mit der Frequenz F wird in der Bodenstation
durch die Empfangsantenne 17 aufgenommen und nach Verstärkung in einem Verstärker
18, beispielsweise mit einer Lauffeldröhre, an für die Höhen- und Seitenwinkelberechnung
vorgesehenen Sendeantennen 23 und 24 übertragen, nachdem seine Frequenz durch beispielsweise
zwei Frequenzverdoppler 20 und 21 vervielfacht worden ist. Die Stromkreise 19 und
22 sind Steuerkreise zur Umschaltung der Höhenwinkelantenne 23 und Seitenwinkelantenne
24. Der Generator 25 erzeugt Unterträgerfrequenzen fl, 12, f, und 14, welche das
rückgesandte Signal während seiner nacheinander auf die linke und rechte Seitenwinkelantenne
und obere und untere Höhenwinkelantenne erfolgenden Übertragung modulieren. Die
Signale mit der Frequenz 2F werden durch die an der Bordstation des Flugzeugs befindliche
Empfangsantenne aufgenommen. Diese Antenne ist an eine Mischstufe 7 geschaltet,
die andererseits einen Teil des von der Bordstation ausgesandten, mit f umgesetzten
Signals aufnimmt, das von dem Oszillator 5 abgegeben und durch den Verstärker 4
verstärkt wird, worauf es durch den Frequenzverdoppler 6 verzweifacht wird.
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Das von der Mischstufe 7 abgegebene Signal wird im Zwischenfrequenzverstärker
9 verstärkt und darauf in den Höhenmesser 10, den Seitenmesser 11 und den Entfernungsmesser
12 eingegeben. Die Ausgänge 13, 14 und 15 dieser drei Meßkreise sind an den Verbraucherkreis
16 geschaltet.
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Fig. 2 gibt das dreidimensionale Bezugskoordinatenkreuz der Bodenstation
wieder, dessen Ebene ZOY die durch die beiden Seitenwinkelantennen bestimmte Vertikalebene
und die Achse OX die Horizontalgerade ist, um die sich die beiden Höhenwinkeldiagramme
in Abhängigkeit von der Frequenz 2 F drehen. Der Höhenwinkel 0 wird also vom Flugzeug
selbst bestimmt, das die SendefrequenzF auswählt.
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Die durch die in den Stromkreisen 10 und 11 erfolgende Demodulation
der durch die Unterträgerfrequenzen 11 bis 14 modulierten Signale bestimmten Winkelabstände
lassen sich der Fig.2 entnehmen; d G stellt den Seitenwinkelabstand gegenüber dem
durch die Lage der Seitenwinkelantennen der Bodenstation bestimmten und d 0- den
Höhenwinkelabstand gegenüber dem Höhenwinkel 0 dar, welcher der AbfragefrequenzF
des Flugzeugs entspricht. Das Segment OA stellt die Entfernung des Flugzeugs A zum
Koordinatenursprung 0 dar. Es ist also möglich, den Höhenwinkel des Flugzeugs, nämlich
e (F) + d () genau zu bestimmen. Die während der Demodulation der durch die Unterträgerfrequenzen
modulierten Signale bestimmten Spannungsabstände lassen sich selbstverständlich
auch in Winkeln eichen; man kann ferner unmittelbar die Spannungsabstände benutzen,
um auf die Frequenz F einzuwirken und sie so lange zu ändern, bis diese Differenz
verschwindet. Der erhaltene Höhenwinkelwert ist dann ein Absolutwert.
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Fig. 3 zeigt die Amplitude der mit den Frequenzen 11 bis 14 erhaltenen
Modulationssignale in Abhängigkeit von der Zeit. Die aus dieser Figur ersichtlichen
Amplitudendifferenzen lassen die Höhenwinkel- und Seitenwinkelabstände genau bestimmen;
diese Differenzen rühren daher, daß während der Aussendung der Signale durch die
verschiedenen Sendekeulen die Strahlungsachse der betreffenden Keule nicht mit der
Richtung zusammenfällt, in der sich das Flugzeug befindet. Die vom Flugzeug aufgenommene
Energie unterliegt daher Schwankungen entsprechend der Sendekeule der Bodenstation.