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Flugüberwachungssystem mit Relais-Entfernungsmessung Es ist ein Funkortungssystem
bekannt (Radar), bei dem hochfrequente GHz-Impulse mit einer Folgefrequfenz von
etwa 1000 Hz ausgesandt, an Metallflächen der zu messenden Objekte reflektiert und
am Empfänger wieder empfangen werden. Aus der Laufzeit dieser Impulse wird die Entfernung
der Reflexionsfläche von der Impulsquelle ermittelt. Für die Flugüberwachung ist
dieses System wegen seiner Störempfindlichkeit und -- zuweilen - Meßungenauigkeit
oft nachteilig. So kann es vorkommen, daß einzelne Flugzeuge nicht angezeigt werden,
weil sich die Reflexionseigenschaften der Flugzeuge stark ändern. Außerdem erscheinen
die Flugzeuge als Lichtpunkte auf dem Bildschirm, so daß der Betrachter des Bildschirmes
nicht weiß, zu welchem Lichtpunkt welches Flugzeug gehört. Zur Zuordnung der einzelnen
Flugzeuge zu den Lichtpunkten ist es bekannt, in den Flugzeugen sogenannte Transponder
vorzusehen, die charakteristische Codesignale aussenden, wenn das Flugzeug von einem
Radargerät erfaßt wird. Diese Codesignale können im Radargerät zur Identifizierung
der Lichtpunkte ausgenutzt werden.
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Solche Transponder sind jedoch sehr teuer und arbeiten meist nicht
völlig zuverlässig.
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Es ist auch ein Flugüberwachungssystem bekannt, welches die Daten
über die Standorte einer großen Anzahl von Flugzeugen zusammen mit ihren Kennungen
liefert. Bei diesem bekannten System ist in jedem Flugzeug ein Sender und am Boden
ein ortsfester Empfänger vorgesehen, die auf einer gemeinsamen Frequenz arbeiten.
Außerdem werden Sender und Empfänger durch je ein Zeitnormal gesteuert, wobei die
Sender in den Flugzeugen zu ihren durch Vereinbarung zugeordneten Zeitpunkten ein
Signal ausstrahlen. Die Pausen sind so bemessen, daß die Signale in jedem Fall vor
dem Signal des nächstfolgend sendenden Flugzeuges beim ortsfesten Empfänger ankommen.
Für dieses bekannte System ist eine Genauigkeit der Zeitnormale von etwa 10-12 erforderlich.
Solche Genauigkeiten sind jedoch nur im stationären Betrieb erzielbar, so daß auch
diesem bekannten System eine gewisse Ungenauigkeit innewohnt.
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Es ist auch eine Entfernungsmessung nach dem Prinzip des Phasenvergleichs
bekannt. Voraussetzung für diese Meßmethode ist jedoch ein extrem genauer Oszillator
(<10-9), der sich nur schwer verwirklichen läßt. Außerdem ist die Angabe der
Entfernung von der Bodenstation dabei nur dem Piloten des Flugzeuges möglich. Mit
dieser bekannten Methode ist es daher der Bodenstation nicht möglich, eine Angabe
über Entfernung und Kennung der Flugzeuge zu erhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne Verwendung von Zeitnormalen
extremer Genauigkeit in den Flugzeugen eine Flugüberwachung zu ermöglichen, bei
der die Bodenstation die Entfernung, gegebenenfafis den Standort, des Flugzeuges
aus von dem Flugzeug nach Anruf selbst gesendeten Signalen bestimmt.
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Die Erfindung geht aus von einem Funksystem zur Flugüberwachung,
bei dem von den Flugzeugen nach Empfang eines von einer ortsfesten Station mit festgelegtem
Programm gesendeten Fragesignals aktiv ein Antwortsignal gesendet wird und in der
ortsfesten Station die Entfernung des Flugzeuges durch Vergleich der zeitlichen
Lage der Frage- und Antwortsignale zueinander bestimmbar ist.
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Die Erfindung besteht darin, daß jedem Flugzeug ein Zeitabschnitt
innerhalb eines Abfragezyklus zugeordnet ist und die Flugzeuge zeitlich nacheinander
angemessen werden, und daß ein das Antwortsignal auslösender Empfänger in jedem
Flugzeug nur in dem dem Flugzeug zugeordneten Zeitabschnitt eingeschaltet ist, indem
die Einschaltung des Empfängers durch ein Zeitnormal im Flugzeug und/oder durch
Zählung der von der Bodenstation gesendeten Fragesignale gesteuert wird.
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Bei einem bekannten System zur Entfernungs. bestimmung gibt zwar
ein Flugzeug ebenfalls erst dann ein Antwortsignal ab, wenn es von einer anderen
Station angerufen wird; dort ist aber nicht jedem Flugzeug ein besonderer Zeitabschnitt
zugeordnet, sondern dort ist jeder Höhenlage eine andere Frequenz zugeordnet.
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Die Erfindung wird im folgenden an einigen Ausführungsb eispielen
näher erläutert.
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In F i g. 1 ist eine Bodenstation B dargestellt, von der nacheinander
- äquidistante Frageimpulse F bis F4 gemäß Fig. 2 ausgesendet werden. In dem dargestellten
Beispiel sollen die Entfernungen von vier Flugobjekten Oj bis 04 bestimmt und die
Flugobjekte identifiziert werden können. Die mugobjekte Oi bis 04 sind nur in den
durch die Doppelpfeile 1 bis IV dargestellten Zeiten empfangsbereit. Der ausgesandte
Frageimpuls F1 wird nur von dem Flugobjekt Oj empfangen. Der Empfänger des Flugobjektes
O verarbeitet diesen Impuls und sendet mittels seines eingebauten Responders mit
einer konstanten, inneren, bekannten Verzögerung einen Antwortimpuis A1 zur Bodenstation
B zurück. Alle anderen Flugobjekte °2 bis 04 reagieren auf den Frageimpuls F1 nicht,
weil ihre Empfänger abgeschaltet sind. Der zeitliche Abstand t1 zwischen dem Aussenden
des Frageimpulses F1 und dem Eintreffen des Antwortimpulses ist nach Abzug der inneren
Verzögerung ein Maß für die Entfernung des gemessenen Flugobjektes 01. Nachdem diese
Messung beendet ist, wird in gleicher Weise das Flugobjekt °2 vermessen, das nun
als einziges während der Zeit II empfangsbereit ist. Die Flugobjekte werden also
nacheinander vermessen. Die Zeit zwischen zwei Frageimpnisen F1 und F9 ist so groß,
daß sie in jedem Fall etwas größer ist als die maximal auftretende Zeit t1 zwischen
zusammengehörendiem Frage-und Antwortimpuls. Sie ist also abhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Impulse, dem geforderten Erfassungsbereich, d. h. dem Maxinialabstand der Objekte
von der Bodenstation, und der Anzahl der zu vermessenden Fiugobjekte.
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Die Empfänger in den Flugobjekten werden z. B. durch Zeitnormale
an Bord selbsttätig nacheinander auf Empfang geschaltet. Entscheidend und vorteilhaft
ist dabei, daß die Einschaltgenauigkeit der Empfänger auf die Meßgenauigkeit nicht
eingeht.
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Die Toleranz für die Einschaltdauer muß nur so bemessen sein, daß
der Empfänger auf jeden Fall, d. h. für jede Entfernung des Flugobjektes von der
Bodenstation, empfangsbereit ist, wenn der für ihn bestimmte Frageimpuls eintrifft.
Andererseits darf der Empfänger nicht so lange empfangsbereit sein, daß er einen
für ein anderes Flugobjekt bestimmten Frageimpuls empfängt und beantwortet. Die
sich aus diesen Forderungen ergebenden Toleranzen lassen sich aber leicht einhalten.
Sie sind beträchtlich, d. h. um Größenordnungen geringer als bei solchen Systemen,
bei denen das Zeitnormal den Meßtakt bestimmt. Zu Beginn eines neuen Abfragezyklus,
d. h. beim oder vor dem Abfragen des Flugobjektes O, wird vorzugsweise ein zusätzlicher
Impuls Fl' oder ein gegenüber den übrigen Frageimpulsen verbreiterter Startimpuls
gesendet. Dieser soll dazu dienen, die Umschaltung der Empfangsbereitschaft 1 bis
IV zu synchronisieren. Der genannte Impuls gibt also die Information, daß ein neuer
Abfragezyklus beginnt und das Flugobjekt Ol empfangsbereit sein muß. Da auf diese
Weise in regelmäßigen; Zeitabständen, beispielsweise alle Sekunde, die Umsohaltung
synchronisiert ist, können niemals größere Abweichungen in der Umschaltung der Empfangsbereitschaft
auftreten. Es kann zweckmäßig sein, den ersten Bereich nach Beginn des neuen Zyklus
für die Abfrage ausfallen zu lassen. Die Identifizierung erfolgt also bei Verwendung
nur einer Frequenz durch Zuordnung eines bestimmten Zeitbereiches zu
einem Flugobjokt.
Die Antwortimpulse können ebenfalls auf einer gemeinsamen Trägerfrequenz gesendet
werden.
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Der im Flugzeug eingebaute Responder kann nach Fig. 3 von einem Frequenznormal
N und einem Zähler Z gesteuert werden, wobei das Frequenznormal einen Start-Stop-Oszillator,
einen Sinusgenerator oder einen Impulsgenerator enthalten kann, deren Schwingungsdauer
gleich der Dauer der einzelnen Bereiche (I bis IV) oder einem Bruchteil davon ist.
Zu einem Zeitpunkt t, werden die Zähler Zl aller beteiligten Flugzeuge durch den
Startimpuls F1 auf Null gestellt und von diesem Zeitpunkt an die Schwingungen des
Frequenznormals gezählt. Dadurch wird erreicht, daß sich Fehler in der Frequenz
nicht addieren können. Als Frequenznormal kann deshalb ein Typ relativ geringer
Genauigkeit verwendet werden. Spätestens beim Eintritt des Flugzeuges in den Überwachungsbereich
erhält das Flugzeug die Mitteilung, in welcher Zeiteinheit der Responder empfangsbereit
sein muß. Der Zähler wird so eingestellt, daß der Responder kurz vor dem Eintreffen
des Abfrageimpulses empfangsbereit ist. Dies geschieht beispielsweise so, daß der
Responder nach Zählung der letzten Schwingung vor der dem ein gestellten Bereich
entsprechenden Schwingung eingeschaltet wird. Auf den eigentlichen Meßimpuls erfolgt
dann der Antwortimpuls, vorzugsweise auf einer anderen Frequenz. An das Frequenznormal
werden auch kei:ne hohen Genauigkeitsanforderungen gestellt, weil der Einschaltzeitpunkt
des Responders selbst nicht in die Positionsmessung eingeht. Es kann aber zweckmäßig
sein, im Anschluß an den Startimpuls, der den Zähler auf Null stellt, einige Schwingungszüge
einer Frequenz zu übertragen, die der Dauer eines Bereiches (1 usw.) entspricht
und die Frequenz des Normals damit zu synchronisieren.
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Eine andere Möglichkeit, den Responder zu steuern, besteht darin,
alle Abfrageimpulse, also auch die für andere Flugzeuge bestimmten Impulse zu zählen
und durch den letzten Impuls vor Eintreffen des richtigen Abfrageimpulses den Responder
3 empfangsbereit zu schalten. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die durch die
Bewegung des Flugzeuges verursachten Laufzeitänderungen in der Weise ausgenutzt
werden können, daß die Belegungszahl erhöht werden kann. Eine solche Schaltung ist
in F i g. 4 dargestellt. Dort werden die empfangenen Signale über eine Antenne 1
einem Verstärker 2 zugeführt und von diesem einerseits einem Zählers, und andererseits
einem Responder 3. Sobald der Zählers, die Impulse gezählt hat, auf deren Zahl er
eingestellt ist, wird der Responder 3 empfangsbereit geschaltet. Dies kann z. B.
durch ein Relais oder einen elektronischen Schalter geschehen, der hier mit 4 bezeichnet
ist und in die Zuführungsleitung S zum Responder 3 eingefügt ist. Statt dessen kann
der Schalter 4 aber auch so angeordnet sein, daß durch ihn die Betriebsspannung
für den Responder durchgeschaltet wird. Bei Verwendung von Röhren kann es zweckmäßig
sein, die Röhren vorzuheizen und nur die Anodenspannung nachzuschalten.
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Da die zu messende Information, nämlich die Entfernung des Flugzeuges
von der Bodenstation B, allein durch die zeitliche Lage des Antwortimpulses gegeben
ist, können zusätzlich Antwortsiguale eine Höheninformation des Flugobjektes übermitteln
oder andere Angaben über Name, Nationalität,
Kurs, Geschwindigkeit
usw. enthalten. Beispielsweise können sämtliche Flugzeuge in der Welt mit einem
eigenen Codezeichen benannt sein, das hier übermittelt würde.
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Die Abstrahlung der Frageimpulse F und der Empfang der Antwortimpulse
A an der Bodenstation B kann mittels Richtantennen erfolgen, deren Keulen in die
Flugkanäle gerichtet sind. Dadurch wird Sendeenergie eingespart. Vorzugsweise wird
man aber Antennen mit Rundstrahlcharakteristik verwenden, damit auch solche Objekte
noch erfaßt werden können, die aus den vorgeschriebenen Flugkanälen abgeirrt sind
oder nicht in solchen Kanälen fliegen.
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Das bisher beschriebene Verfahren gestattet, die Entfernung und die
Höhe des Flugobjektes zu ermitteln. Der Azimut des Objektes ist in der Regel gegeben
durch den relativ schmalen Flugkanal, in dem sich das identifizierte Flugobjekt
gemäß einer Flugrorschrift befinden muß.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 5
wird zusätzlich der Azimut gemessen. Zu diesem Zweck ist neben der Mutterbodenstation
B, die ein Flugobjekt gemäß Fig. 1 bis 3 oder 4 ortet, eine passive Tochterbodenstation
TB vorgesehen, die lediglich Impulse empfängt, und zwar einmal von dem Flugobjekt
Oi die Antwortimpulse und zum anderen von der Mutterbodenstation die Frageimpulse.
Aus der zeitlichen Lage der zusammengehörenden Impulse, der bekannten Laufzeit und
Entfernung zwischen Mutter- und Tochterbodenstation kann, etwa mit Hilfe eines Rechners,
auf die Entfernung Tochterbodenstation-Flugobjekt und danach auf den Azimut geschlossen
werden. Mutter- und Tochterbodenstation sind zu diesem Zweck durch einen Nachrichtenkanal
Na verbunden. Um eine Anpassung des Systems an Wittenmgsverhältnisse, z. B. Wellenausbreitungsschwano
kungen, zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, in einer festgelegten Entfernung von
der Bodenstation einen Responder anzuordnen und im Zyklus mit abzufragen. Fehler
auf Grund von Wellenausbreitungsschwankungen können dadurch leicht eliminiert werden.
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Man muß nun jedem Flugsicherungsbereich eine Bodenstation dies Überwachungssystems
zuordnen.
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Dadurch kann es zu Uberschneidungen kommen.
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Zur Vermeidung von Fehlidentifizierungen kann man benachbarten Bodenstationen
verschiedene Abfragezyklen oder verschiedene Trägerfrequenzen zuordnen. Die Abfragezyklen
oder Trägerfrequenzen können dann jenseits einer erreichbaren Grenzentfernung erneut
vergeben und benutzt werden, wie in F i g. 6 dargestellt.
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Bemißt man jeden Zyklus mit 0,33 Sekunden (entsprechend 100 Flugzeugen
und je 3 Meter pro Sekunde Taktzeit bei Mittelbereichsanlagen von etwa 450 km Reichweite),
so ist eine Verringerung der Meßkontinuität kaum wahrnehmbar, wenn die Daten nur
etwa alle 2 Sekunden ergänzt werden. In gleicher Weise kann auch die Frequenzzuteilung
geschachtelt den einzelnen Bodenstationen zugeordnet werden. Ein Impulsplan für
ein solches Respondersystem bei Zugrundelegung fester Taktzeiten ist in F i g. 7
dargestellt.
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Im Anschluß an den vom Responder zurückgegebenen Meßimpuls, der nach
einer von der Entfern nung des Flugzeuges abhängigen Zeitdauer zur Bo-
denstation
zurückkehrt, wird eine Codierung gegeben, die die Erkennungszeichen des angesprochenen
Flugzeuges enthält. Im Anschluß daran folgen in codierter Form weitere Daten iiber
Höhe, Richtung, Nationalität usw.