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Anordnung zur Erzeugung einer boden- und reflexionsunabhängigen Gleitwegführung
für Instrumentenlandesysteme Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft eine
Anordnung zur Erzeugung einer Gleitwegführung, die ein unter Schlechtwetterbedingungen
zur Landung anfliegendes Flugzeug in geradlinigem Sinkflug an den Erdboden heranführt.
Der Erfindungsgegenstand umfaßt die Anordnung und Speisung eines Antennensystems,
das im Gegensatz zu den bisher bekannten Systemen eine sehr weitgehende Unabhängigkeit
vom Aufstellungsgelände besitzt und die Erzeugung einer einwandfreien Gleitwegführung
auch in den Fällen gestattet, in denen bisher die eingeführte Technik, z. B. des
Nullreferenzverfahrens, beim ILS-System versagt. Die Erfindung ist aber auch für
jedes andere instrumentelle Landeverfahren anwendbar.
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Das bisher international anerkannte und eingeführte Nullreferenzverfahren
für die Gleitwegführung im Instrumentenlandesystem (ILS) ist vom Aufstellungsort
der Antennen und der Geländebeschaffenheit des Vorgeländes im Abstrahlungsbereich
stark abhängig. Man bemüht sich daher seit langer Zeit, durch Wahl geeigneter Antennen
systeme und durch Änderung der räumlichen Modulationszustände von den bestehenden
Nachteilen freizukommen.
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Die grundlegende Schwierigkeit in den bisherigen Entwicklungen liegt
darin, daß das Antennensystem entsprechend dem theoretischen Spiegelbildsystem (Image-Prinzip)
wirksam ist und daher wegen der Höhe der Antennen über Grund sich die Strahlung
im Fernfeld aus einem direkten und aus einem am Boden reflektierten Strahl zusammensetzt.
Nach diesem Prinzip wird bei den heute bekannten Verfahren, dem »Äquisignalverfahren«,
dem »Nullreferenzverfahren« und bei den neuerlich entwickelten Antennen mit Unterdrückungseffekt
(capture-effect-Anlagen) die Bezugsebene gebildet.
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Auch das neuerlich entwickelte Phasenreferenzverfahren, das eine
Phasenverschiebung zwischen den Trägern und Seitenbändern benutzt und eine gewisse
Unabhängigkeit von Geländeeinflüssen besitzt, hat sich wegen der dabei auftretenden
Phasenmodulation, durch die die vorgeschriebenen Klirrfaktortoleranzen überschritten
werden, nicht bewährt.
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Bei den genannten Verfahren ändert sich im Laufe der Zeit durch den
veränderlichen Bewuchs an den Stellen der Erdreflexion oder durch Feuchtigkeitsänderungen,
Regen und Schneefall sowohl infolge der Höhenänderung der Reflexionsebene als auch
infolge Änderung des Reflexionszustandes der Erdoberfläche die Lage der Bezugsebene
(Kursführung) in nicht übersehbarer Weise. Im gesamten Gleitweg können daher örtlich
und zeitlich Schwankungen
gegenüber der Solleinstellung auftreten, die zu Kursverwerfungen
führen, so daß infolge der Anzeigeunruhe an Bord des Luftfahrzeuges ein Fliegen
nach einem solchen Gleitweg, besonders bei elektrischer Aufschaltung, nur begrenzt
möglich wird.
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Man hat ferner versucht, durch besondere Richtantennen, wie z. B.
ein Hohleiter-Schlitzsystem oder eine Vielelementenantenne, als Querstrahlergruppe
das Strahlungsdiagramm in der Vertikalebene so zu bündeln, daß die Strahlungsintensität
nur in einem bestimmten Sektor vorhanden ist und kleinere Nebenzipfel, die außerhalb
dieses Sektors liegen und am Boden reflektiert werden können, nur noch geringen
Einfluß auf die Gleitwegebene haben. Solche Diagramme sind nur mit Antennen großer
Apertur zu erreichen, die sich aber auf Grund ihrer Aufbauhöhe in der Nähe der Landebahn
wegen der notwendigen Hindernisfreiheit aus fliegerischen Gründen nicht eignen und
daher nicht eingeführt wurden.
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Man hat weiterhin vorgeschlagen, durch Anordnung von Längsstrahlern
mit großer Basis (Interferometerprinzip) in Richtung der Anfluggrundlinie, z. B
Yagiantennen oder in der Landebahn versenkte Schlitzantennen in Verbindung mit einem
Phasenreferenzverfahren zur Erzeugung der gewünschten räumlichen Modulationscharakteristik,
den Erdbodeneinfluß zu vermeiden. Dies gelingt aber nur für einen schmalen Anflugsektor
in der Horizontalen in größerer Entfernung und versagt in der letzten Flugphase
bei der Annäherung an die beiden Antennensysteme auf Grund der unterschiedlichen
Empfangsfeldstärken. Die in die Landebahn eingebaute überrollbare
Antennenanlage
ist obendrein durch Wasser und Schnee wetterabhängig. Die beiden letztgenannten
Verfahren weisen ferner den Nachteil auf, daß die zur Bildung der Gleitwegebene
erforderliche Phasenverschiebung rotationssymmetrisch um die Systemachse ist und
infolgedessen der Gleitwegwinkel bei Abweichung des Flugzeuges vom Anflugkurs sich
ändert, und zwar fliegerisch ungünstig, zu kleineren Werten.
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Die bereits eingeführten Gleitweganlagen nach dem Nullreferenzverfahren
mit ihrer Antennenkonstruktion und der Art ihrer Speisung haben noch den Nachteil,
daß etwa ab 200 Fuß Höhe über Grund die Fernfeldbedingungen nicht mehr erfüllt sind.
Außerdem wirkt sich bei allen Anlagen der sogenannte »Tüteneffekt« aus, weil das
Flugzeug nicht nach immer kleiner werdenden Ablagewerten vom Sollgleitweg gesteuert
werden kann. Hinzu kommt, daß durch die seitliche Absetzung der Antennen anlage
von der Landebahn der Gleitweg nicht, wie erwünscht, geradlinig, sondern zu früh
hyperbolisch verläuft. Dieser Tatsache kann man zwar durch Anbringen einer sogenannten
Korrekturantenne, die zusätzliche Seitenbandenergie entsprechender Phase ausstrahlt,
begegnen, doch hat sich eine solche Maßnahme in der Praxis wegen Einstellschwierigkeiten
und ihrer meteorologischen Abhängigkeit bisher nicht bewährt.
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Eine besondere allgemeine Schwierigkeit in der Verbesserung der Erzeugung
einer funktechnischen Gleitwegführung liegt in dem Umstand, daß man gezwungen ist,
die Weiterentwicklung nur in dem international eingeführten. Frequenzbereich von
328 bis 335 MHz im Interesse der vorhandenen Flugzeug-Bordempfangsanlagen zu betreiben,
weil die bisherige ILS-Technik bis 1975 international festgelegt ist und weil ferner
Horizontalpolarisation für das Antennensystem und Amplitudenmodulation für die Kennungsfrequenzen
von 90 Hz und 150 Hz vorgeschrieben ist und noch weitere Vorschriften für das Zustandekommen
des Gleitweges, z. B. bestimmte Werte der DDM an den Kurssektorgrenzen usw., bestehen
aCAO, Annex 10).
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Ein weiterer, betrieblich besonders ins Gewicht fallender Nachteil
der nur nach dem Imageprinzip arbeitenden Systeme ist, daß die aus fliegerischen
Sicherheitsgründen unvermeidlich notwendige Überwachung des Gleitwegwinkels und
seiner Kursbreite auf ihre einmal eingestellten Zustände nicht durch Kontrolle der
entsprechenden Werte der Amplituden und Phasen an den einzelnen Antennen möglich
ist.
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Da entsprechende Überwachungsgeräte im Fernfeld aus Hindernisgründen
nicht errichtet werden können, behilft man sich mit erdnahen, vom Antennensystem
etwa 60 bis 70 m entfernten Felddetektoren, die zwar die Strahlungsverhältnisse
imNahfeld zu überwachen gestatten, aber keine unmittelbare Aussage über den Zustand
des Gleitweges im Fernfeld machen können.
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Auch sind sie noch selbst von den topographischen und meteorologischen
Einflüssen ihrer Umgebung abhängig.
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Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, nicht nur die den vorgenannten
Entwicklungen anhaftenden Nachteile zu überwinden, sondern eine im Sinne der allgemeinen
Anwendbarkeit universelle Gleitwegführung zu schaffen,- die eine Rundumwirksamkeit
besitzt und z. B. auch für Drehflügler-Landeverfahren brauchbar ist, ganz allgemein
mit jedem Horizon-
talführungssystem kombiniert werden kann und besonders in Verbindung
mit dem jetzigen ILS-System mindestens für die Betriebskategorie II des Allwetterlandebetriebes
(Horizontalsicht t/4 nautische Meile und Wolkenuntergrenze 100 Fuß) geeignet ist.
Dies bedeutet noch im besonderen, daß bei Flugzuständen in der Nähe des Gleitwegsenders
oder bei geringen Flughöhen über Grund die Kursschärfe der Gleitwegführung vermindert
werden muß, um die Bodenempfangsanzeige oder -auswertung aus navigatorischen Gründen
unempfindlicher gegen die Ablagewerte zu machen.
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Die Erfindung sieht bei vertikaler Anordnung des gesamten Antennensystems
mit horizontaler Polarisation im zugelassenen Frequenzbereich von 328 bis 335 MHz
nun eine solche Speisung vor, daß der Spiegelungseffekt in der nach den ICAO-Vorschriften
zwingend zu bildenden Gleitwegführung nicht zur Auswirkung kommt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung einer boden- und reflexionsunabhängigen
Gleitwegführung mit senkrecht übereinander angeordneten Strahlern oder Strahlergruppen
und Speisung derselben über Brücken mit Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern ist
dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer aus wenigstens zwei Paaren von Antennen
(1, 6; 2, 5) bestehenden Antennengruppe ein Strahlungsdiagramm entsteht, das in
Richtung des Sollgleitweges eine Nullstelle hat, bei dem die Strahlung in einem
Bereich von - 6,6 bis + 0,6° unterdrückt ist und bei dem die Feldstärke von der
Horizontalen aus mit zunehmendem Elevationswinkel zunächst nur allmählich ansteigt
mit einem Wendepunkt im späteren Verlauf, und daß eine gleich aufgebaute zweite
Antennengruppe (3, 8; 4, 7) mit gleichem Strahlungsdiagramm, aber verschieden zugeordneten
Phasenlagen der beiden Seitenbandmodulationen gegenüber der ersten Gruppe verwendet
wird, wobei der Abstand beider Antennengruppen so gewählt und hinsichtlich einer
geringstmöglichen Bauhöhe der Antennen so optimiert ist, daß er groß genug ist,
um die erforderliche Phasenverschiebung der Träger mit ihren Seitenbandmodulationen
für eine vorgegebene Differenz der Modulationsgrade bzw. die nach ICAO vorgeschriebene
Modulationscharakteristik zu erreichen, aber klein genug bleibt, daß sich im interessierenden
Elevationsbereich nur eine einzige Strahlungskeule zum Zustandekommen der Gleitwegführung
bildet.
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Mit der vorgeschlagenen Anordnung erhält man eine sehr exakte und
einwandfreie Gleitwegführung gemäß ICAO, die leicht einstellbar, durch die Strom-und
Phasenwerte der einzelnen Antenne leicht überwachbar und im interessierenden Elevationsbereich
unabhängig von allen Bodeneinflüssen ist. Durch die angegebene Optimierung kann
man die geringstmögliche Bauhöhe der Antenne (Apertur) erzielen. Die Strahlungscharakteristik
ist rotationssymmetrisch zur Achse des Antennensystems.
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Infolge der bisher nur in Winkelgraden vorgeschriebenen Kursbreite
von etwa rot 0,60 nimmt etwa ab 200 Fuß Flughöhe abwärts wie bei allen anderen Verfahren
die Kursbreite räumlich so kleine Werte an, daß eine Steuerung des Flugzeuges in
der Vertikalführung nicht mehr möglich ist. Dies ist besonders deshalb nachteilig,
weil die Entwicklung der Allwetterlandetechnik eine möglichst automatische Vertikalführung
bis an den Aufsetzpunkt fordert.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird es aber trotzdem möglich,
die Fliegbarkeit der Gleitwegführung auch in dem bisher nicht ausnutzbaren Bereich
durch eine Vergrößerung der Kursbreite, die aber nur in diesem Bereich wirksam ist,
zu gewährleisten. Dies wird gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken dadurch erreicht,
daß in der Systemmitte (M) der beschriebenen Anordnung ein Richtstrahler oder eine
Strahlergruppe an sich bekannter Bauart angeordnet ist, der oder die in eine bestimmte
Richtung in der Horizontalen, bevorzugt in die Richtung der zur Gleitwegantenne
seitlich liegenden Landebahn, in der eine Kursverbreiterung auftreten soll, nur
Trägerenergie ohne Seitenbänder synchron zum ganzen System strahlt. Dadurch vergrößert
sich in dem bestrahlten Raum die Gesamtträgerenergie, wodurch sich der Modulationsgrad
der Kennungsfrequenzen verkleinert, was eine Kursverbreiterung hervorruft.
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Man kann aber nicht nur durch diese Maßnahme die notwendige Kursverbreiterung
ab 200 Fuß Flughöhe über Grund abwärts erwirken, sondern auch die Gleitwegführung,
die in dem gleichen Bereich einen hyperbolischen Verlauf hat, praktisch bis zum
Aufsetzpunkt, der mit etwa 20 Fuß Höhe über der Mittellinie der Landebahn festgelegt
ist, linearisieren. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß zwei der beschriebenen
Antennen anordnungen benutzt werden, die an der gleichen Stelle auf einem gemeinsamen
Antennenträger oder auf zwei getrennten, mit einem Abstand, der nur von der zulässigen
Dämpfung und Phasentoleranz der Speisekabel begrenzt ist, angeordnet sind. Eines
der beiden Systeme muß dabei eine Richtwirkung in der Horizontalen besitzen, die
so gelegt wird, daß sie in Richtung der zur Gleitwegantenne seitlich liegenden Landebahn,
über der eine Kursverbreiterung auftreten soll, strahlt. Beide Systeme können die
gleiche oder eine unterschiedliche Basis der Phasenzentren haben und werden mit
um etwa 10 kHz versetzten Trägerfrequenzen gespeist. Die Kursverbreiterung ergibt
sich bei verkleinerter Basis der Phasenzentren eines Systems von selbst, im Fall
gleicher Basis muß man die Modulationsgrade in den beiden Systemen verschieden machen.
Dabei wird gleichzeitig die Gleitwegführung linearisiert, so daß nicht nur der Sinkflug
mit konstanter Sinkgeschwindigkeit bis an den Aufsetzpunkt möglich ist, sondern
durch den Übergang von den Modulationskriterien des einen Systems auf das zweite
eine solche Kursverbreiterung auftritt, daß die jeweilige Kursbreite im Bereich
von 200 bis 20 Fuß Flughöhe praktisch konstant bleibt und eine sichere Führung gewährleistet.
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Man kann aber noch in anderer Weise vorgehen, wenn man eine Linearisierung
oder/und eine Kursverbreiterung der Gleitwegführung unter 200 Fuß Höhe über Grund
erzielen will. Man kann zwei gleiche Antennensysteme der erfindungsgemäßen Anordnung
benutzen, die auf dem gleichen Antennenträger und um die gleiche Systemmitte angeordnet
sind, wobei die Richtcharakteristik eines der beiden Systeme die gleiche ist, wie
beim vorigen Beispiel beschrieben. Jetzt können beide Systeme mit der gleichen Trägerfrequenz
gespeist werden, was unter Umständen Vorteile bietet. Die Strahler der beiden Systeme,
die alle jeweils an der gleichen Stelle liegen, werden dadurch entkoppelt, daß das
eine System elektrisch (Dipole) und das zweite magnetisch
(Schlitze) wirkende Strahler
hat. Bei beiden Systemen können gleiche oder unterschiedliche Modulationsgrade eingestellt
werden, wobei die Einstellung gleicher Modulationsgrade dann notwendig ist, wenn
die Basis der Phasenzentren der beiden Systeme verschieden gewählt ist. Mit Hilfe
der beiden Systeme können unabhängig voneinander zwei verschiedene Gleitwinkel eingestellt
werden.
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Die Anordnung der Antennen, ihre Speisung und gruppenmäßige Zusammenfassung
im Sinne der Erfindung ist beispielsweise in den Fig. 1 bis 4 angegeben.
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Fig. 1 zeigt schematisch die in der Vertikalen übereinander angeordneten
Antennen (Antennen 1 bis beispielsweise 8). Die Figur zeigt ferner für den als Beispiel
angegebenen Fall, dem ein Gleitwegwinkel von + 30 zugrunde gelegt ist, die aus einer
hier nicht wiedergegebenen Rechnung ermittelten Abstände der einzelnen Antennen
in elektrischen Graden zueinander und zu den beiden mit A und B bezeichneten Phasenzentren
des Systems, und zwar bei 100 0/obiger Modulation der beiden Kennnungsfrequenzen
von 90 Hz und 150 Hz. Für die Gesamtanordnung ergibt sich aus Symmetriegründen eine
Systemmitte, die in F i g. 1 mit M bezeichnet ist und die im Sinn der Erfindung
von vornherein keine feste Höhe über Grund haben soll, sondern je nach den gewählten
Verhältnissen bestimmt wird.
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In F i g. 2 sind die relative Stromverteilung und die relative Phasenlage
der Ströme in den einzelnen Antennen für das gewählte Beispiel der Erfindung dargestellt.
Fig.2 zeigt entsprechend der Fig. 1 die senkrechte Anordnung der Antennen 1 bis
8 übereinander. Die Speisung des Systems erfolgt über die Klemmen I und II. Die
eingezeichneten Verbindungsleitungen sind Koaxialkabel gleicher Impedanz. Dl und
D11 sind variable Dämpfungsglieder, P Phasenschieber oder Koaxialleitungen mit veränderlichen
Abgriffen, V675, V90 und V,35 Phasenschieber oder Verzögerungsleitungen. St sind
Blindleitungen zur Anpassung der Kabel an den Verzweigungspunkten.
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An den einzelnen Leitungen bzw. Antennen sind die relativen Stromwerte
und die zugehörigen relativen Phasenlagen in der bekannten Schreibweise eingetragen,
wobei die Zählung auf die Speisepunkte I und II mit der relativen Amplitude 100
und der relativen Phase Null bezogen ist.
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Das Strahlungsdiagramm einer aus zwei Paaren bestehenden, nach der
vorstehend beschriebenen Bemessung aufgebauten Gruppe zeigt Fig. 3 in kartesischen
Koordinaten. In der Abszisse sind die Elevationswinkel e aufgetragen, der Wert O
= 0° ist die Horizontalebene. Die Ordinate gibt die relative Feldstärke F an, wobei
zunächst zugrunde gelegt ist, daß sämtliche Antennen der F i g. 1 isotrope Strahler
sind.
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Die gestrichelte KurveF, stellt das Vertikaldiagramm des inneren
Paares, die strichpunktiere Kurve F2 das des äußeren Paares dar, wobei die Vorzeichen
» + « oder » - « die Phasenbeziehung der Diagrammteile zueinander ausdrücken. Das
Summendiagramm aus F, und F2 ist die voll ausgezogene Kurve F, die das erfindungsgemäße
Vertikalstrahlungsdiagramm einer Gruppe des gesamten Systems (bezogen auf ihr Phasenzentrum)
darstellt.
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Die punktierte Kurve Fx zeigt den nur noch schwachen, erfindungsgemäß
soweit wie möglich unterdrückten Strahlungsverlauf und -anteil des Spiegelbildes
von F innerhalb des interessierenden Elevationswinkels
zwischen
-etwa- - 0,6 und + 6,60. Die zweite Antennengruppe hat genau das gleiche Vertikalstrahlungsdiagramm,
wie es F i g. 3 ausweist.
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F i g. 4 zeigt die gleichen Diagramme wie in F i g. 3, jedoch in
Polarkoordinaten und über dem Erdboden (Reflexionsebene), wobei der Elevationswinkel
o zur besseren Anschaulichkeit um das Zehnfache überhöht ist. F1 (gestrichelte Kurve)
ist das Strahlungsdiagramm des jeweils inneren Strahlerpaares (in F i g. 2 Antennen
2- und S bzw. 4 und 7), F2 (strichpunktierte Kurve) ist das Strahlungsdiagramm des
äußeren Strahlerpaares (in F i g. 2 Antennen 1 und 6 bzw. 3 und 8). Das Summendiagramm
(ausgezogene Kurve) stellt ebenfalls die Addition der Diagramme F1 und F2 dar (F
= F1 + F2) und zeigt, daß fast die gesamte Strahlung nur im interessierenden Elevationsbereich
liegt und daß bei dem negativen Erhebungswinkel - 30 die Kurve F eine Nullstelle
hat (Fig. 3 und 4).
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In sehr guter Annäherung ist beim Zusammenwirken der beiden Gruppen
das resultierende Diagramm des ganzen Systems gleich der KurveF der F i g. 3 oder
4, weil beide Einzeldiagramme phasengleich für den Wert e = + 30 eingestellt sind.
Als Gesamtcharakteristik kann daher für die weitere Beschreibung des Erfindungsgedankens
zunächst die Kurve F nach Fig. 3 oder 4 zugrunde gelegt werden. Die Sollkurslinie
der Gleitwegführung ist in der F i g. 3 auf den Elevationswert 0,= = + 30, von dem
aus das Diagramm berechnet wurde, gelegt. Dadurch fällt die Nullstelle der Strahlung
FX in Richtung des Sollgleitwinkels (F i g. 3). Dabei ist das Amplitudenverhältnis
der Strahlung von F1 (innere Paare) zu der von (äußerte Paare) für die primäre Einstellung
des Systems erfindungsgemäß so gewählt, daß an der Stelle -des Erhebungswinkels
(;) = 0o (Punkt a in Fig. 3 und 4) gleiche Amplituden vorliegen, was einem Stromverhältnis
von F1 : F2 von 1: g entspricht, und daß Gegenphasigkeit vorliegt.
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Das Zustandekommen der Strahlung F = F1 + F2 ergibt sich erfindungsgemäß
aus der Art der Speisung, wie es in den Fig. 3 und 4 bereits dargestellt ist, wobei
die Strahlung der oberen Antennengruppe mit dem Phasenzentrum A (m F i g. 2) gegenüber
der der unteren Gruppe mit dem PhasenzentrumB (durch den Phasenschieber Es,75 SO
verzögert ist, daß die Strahlungen (Trägerenergien) beider Gruppen z. B. für einen
Elevationswinkel von 0- = + 30 phasengleich sind.
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Modulationsmäßig wird nun verfahren, wie die Fig. 5 und 6 zeigen.
In Fig. 5 stellen X und Y Brückenschaltungen bekannter Art dar, die zur Trennung
und entsprechenden Wiederzusammenschaltung von Träger und Seitenbandenergie mit
entsprechenden Phasenlagen dienen, was durch die Zeigerdiagramme dargestellt ist.
In den Verbindungsleitungen zwischen den beiden Brücken X und Y ist erfindungsgemäß
je ein Leistungsteiler an sich bekannter Bauart (Lt und L2 in F i g. 5) vorgesehen.
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An der Klemme a wird der mit 90 Hz (gestrichelt gezeichneter Vektor)
amplitudenmodulierte Träger (ausgezogen gezeichneter Vektor), an der Klemme b der
mit 150 Hz (punktiert gezeichneter Vektor) amplitudenmodulierte Träger eingespeist.
Durch die phasendrehenden Eigenschaften der beiden Brücken ( in jeweils eines Brückenzweig
jeder Brücke) und
durch die 900-Verzögerung des im Seitenbandzweig liegenden /4-Stuckes
erhält man an den Klemmen 1 und II, die mit den Eingangsklemmen der Fig. 2 identisch
sind, gleichphasige und amplitudengleiche Träger dergestalt, daß an der Klemme 1
das resultierende Seitenband, z. B. der 150-Hz-Modulation, dem Träger um 450 voreilt
und das resultierende Seitenband der 90-Hz-Modulation dem Träger um 450 nacheilt
und daß an der Klemme II Vor- und Nacheilung von 150 Hz und 90 Hz vertauscht sind.
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Dadurch ergibt sich für alle im vorliegenden Beispiel gewählten Aufpunkte
unter dem Winkel von +30 um die Systemachse ein gleich großer resultierender Modul
ations anteil von 90 Hz und 150 Hz, der in Phase mit dem Träger ist.
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Der LeistungsteilerL1 in der unteren Verbindungsleitung dient zur
Dämpfung der Träger- und halben Seitenbandleistung und somit für die Einstellung
einer kleineren Kursbreite, der Leistungsteiler L2 in der oberen Verbindungsleitung
wird zur Dämpfung der halben Seitenbandenergie benötigt, durch die die Einstellung
einer größeren Kursbreite ermöglicht wird.
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In F i g. 6 ist das erfindungsgemäße Zusammenwirken der Strahlungsdiagrammform
mit dem Modulationsinhalt der Strahlung nochmals dargestellt. Die Kurve (1) in Fig.
6 stellt das relative Vertikaldiagramm der oberen Antennengruppe mit dem Phasenzentrum
A und den Amplitudenwerten F' und die Kurve (2) das Vertikaldiagramm der unteren
Antennengruppe mit dem Phasenzentrum B und den Amplitudenwerten F" dar. Die Zeigerbilder
an den Kurven (1) und (2) entsprechen den Zeigerbildern an den Klemmen I und II
der F i g. 5 und zeigen die Phasenlagen der resultierenden Seitenbandenergien zum
Träger. Die Kurve (3) zeigt den relativen Amplitudenverlauf der NF-Spannungen -
150 Hz (punktiert) und 90 Hz (gestrichelt), während die ausgezogene Kurve die relative
Trägeramplitude darstellt. Die Kurve (4) gibt den Verlauf der Differenz der prozentualen
Modulationsgrade (DDM) unter Zugrundelegung einer 1000/oigen Modulation an den Klemmen
a und b der F i g. 5 an. Die Abszisse aller Kurven der F i g. 6 ist für einen Ausschnitt
der Elevation zwischen etwa -6 und etwa +120 gezeichnet. Wie die Kurve (4) in Fig.
6 ausweist, ist bei den oben beschriebenen Modulationsbedingungen unter dem Elevationswinkel
von + 30 die DDM = 0 bei gleicher Seitenbandamplitude beider Kennungsfrequenzen
[Kurven (3)J und bildet den Leitstrahl.
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Dieser kann nun mit Hilfe des Phasenschiebers V67 5 in F i g. 2 auf
und ab geschwenkt werden, was eine Rechts- und Linksverschiebung aller Kurven (3)
und (4) entspricht. Auf diese Weise wird angezeigt, an welcher Stelle in bezug auf
das Gesamtstrahlungsdiagramm der Leitstrahl gemäß der Kurve (1) oder (2) liegt.
Für einen Aufpunkt im Raum, der oberhalb von + 30 Elevation liegt, ändert sich infolge
der Phasenverschiebung der Träger mit ihren Seitenbandenergien (zufolge der Basis
der Phasenzentren A und B in F i g. 2) der Modulationszustand derart, daß sich die
Resultierende der Seitenbandenergie der 90-Hz-Modulationsfrequenz vergrößert, die
der 150-Hz-Modulationsfrequenz verkleinert und dadurch unterschiedliche Modulationsgrade
zustande kommen, wie es aus den Kurven (3) und (4) der Fig.6 hervorgeht. Für Elevationswinkel
unterhalb + 30 liegen die Verhältnisse umgekehrt.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Art der Speisung wird erreicht, daß
die resultierenden Seitenbandenergien beider Modulationsfrequenzen jeweils in Phase
mit den resultierenden Trägern sind und daher dem Flugzeugempfänger reine Amplitudenmodulation
angeboten wird.
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Zur Illustrierung der quantitativen Auswirkung des vorbeschriebenen
erfindungsgemäßen Modulationsprinzips und zum Verständnis der Funktionsweise des
gesamten Systems sind in den F i g. 3 und 6 beim Elevationswinkel Oo + 30 eine Hilfslinie,
die den Sollkurs darstellt, gezeichnet und parallel zu ihr in 2,40 und 3,60 zwei
weitere Hilfslinien, die den Vollausschlag des Zeigers der Gleitwegführung an Bord
(fünf Punkte) darstellen, was als »mittlere Kursbreite« von +0,60 international
vorgeschrieben ist.
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In F i g. 4 zeigen die entsprechenden Hilfslinien oberhalb und unterhalb
des Gleitwegwinkels von + 3° diese Werte als die der oberen und unteren » Gleitwegbreite«.
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Nach F i g. 3 ist nun mit dem zwischen den Punkten b und c liegenden
Verlauf der Feldstärke nach der resultierenden Kurve F die erfindungsgemäße bodenfreie
Gleitwegführung in jedem Fall für den Wert Oo = + 30 sichergestellt. Ein Reflexionseinfluß
vom Boden her kann nur noch in geringem Maße zu den Kurssektorgrenzen hin auftreten,
die von den Restwerten der Kurve Fx an den Stellen d und e herrühren.
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In Fig.4 stellen die kleinen Nebenzipfel diese Reststrahlung der
Kurve F dar, die zu beiden Seiten der negativen Gleitwegwinkel 60 = - 30 liegen.
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Diese Feldstärkewerte üben im allgemeinen infolge ihrer geringen Größe
keinen wesentlichen Einfluß auf das Gesamtstrahlungsdiagramm jeder einzelnen Gruppe
aus, um so mehr, wenn in Fortführung des Erfindungsgedankens die Strahler des Systems
(1 bis 8 in Fig. 1 und 2) keine isotropen Strahler sind, sondern Strahler mit bekannter
eigener Richtcharakteristik in der Vertikalen.
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Es kann aber im Sinn der Erfindung das System nach der beschriebenen
Ersteinstellung noch in sich weiter optimiert werden. Die Zusammensetzung der Strahlungen
von F und FX hängt von der Höhe der Systemmitten des oberen und unteren Antennensystems
(Phasenzentren A und B der Fig. 2) über Grund ab.
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Für das gewählte Beispiel eines Strahlungssystems mit einem Elevationswinkel
von +30 ergibt sich eine Systemmittenhöhe von 29050 über dem Erdboden nach Fig.
1, und zwar aus der Höhe der unteren Systemmitte B von 17200, der halben Basis AB
von 6450 und einem Abstandszuschlag der untersten Antenne vom Erdboden, der als
Vielfaches der halben Wellenlänge, im vorliegenden Fall zu 5400, gewählt ist. Für
diesen Wert der Systemmittenhöhe ist in Fig. 7 der relative Feldstärkeverlauf der
oberen (G') und unteren Antennengruppe (G") mit den Phasenzentren A und B sowie
das resultierende Gesamtdiagramm (g) für einen Ausschnitt aus dem Elevationsspektrum
gezeichnet. Die Kurven G' und G" ergeben sich aus den Kurven (1) und (2) der F i
g. 6 unter Berücksichtigung der Reststrahlungswerte der punktierten Kurve Fx der
Fig. 3. Für diesen beispielhaften Fall ist gemäß Fig.7 in der oberen Kursbreitenhälfte
zwischen 3 und 3,60 praktisch völlige Übereinstimmung beider relativen Feldstärken
vorhanden, während in der unteren Kurs-
breitenhälfte zwischen 2,4 und 30 von der
oberen Antennengruppe her eine etwas geringere Feldstärke vorherrscht. Dies hat
eine betrieblich nicht störende, kleine einseitige Kursverbreiterung zur Folge und
braucht im allgemeinen nicht kompensiert zu werden.
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Trotzdem ist es aber möglich, durch Verändern des Abstandes der Systemmitte
M vom Erdboden ein Optimum an relativ gleichem Feldstärkenverlauf beider Gruppen
zu erzielen und völlig symmetrische Kursbreiten oberhalb und unterhalb des Sollkurses
zu erhalten.
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An dieser Stelle soll noch auf einen weiteren wesentlichen Vorteil
des oben beschriebenen Systems hingewiesen werden. Wenn z. B. im Elevationswinkelbereich
zwischen 0 und + 10 in Richtung des Anflugsektors ein topographisches oder morphologisches
Hindernis stehen sollte, das von der Strahlung nach der Kurve F beaufschlagt wird,
was trotz der schon stark verminderten Strahlung im Bereich von 0 bis etwa 10 noch
störend in Erscheinung treten könnte, ist es möglich, durch Amplitudenänderung von
z. B. F2 mittels der erfindungsgemäß nach F i g. 2 vorgesehenen Dämpfungsglieder
D1 bzw. Dll die Nullstelle der resultierenden StrahlungF von der Horizontalebene
auf den in Frage kommenden Elevationswinkel zu verlegen. Dadurch erhält das störende
Hindernis keine Strahlung mehr und kann die Gleitwegführung nicht beeinflussen.
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Zur weiteren Anpassung des Systems an örtliche Gegebenheiten oder
bestimmte fliegerische Bedingungen kann man mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgesehenen
Phasenschieber P in Fig.2 das gesamte System der in F i g. 3 und 4 dargestellten
Strahlungsverteilung in bezug auf den Sollkurs (+30) anheben oder senken. In der
Ausdrucksweise der Darstellung nach F i g. 3 bedeutet dies, daß sämtliche Nullstellen
und Maxima der Strahlungsdiagramme FJ, F2 und F nach rechts oder links verschoben
werden können.
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Bezüglich der erfindungsgemäß klein zu haltenden Bauhöhe eines nach
dem vorher Beschriebenen gebauten Antennensystems, das fliegerisch auf äußerst ungünstigem
Gelände untersucht wurde und dabei alle gestellten Forderungen erfüllte, ergab sich
- ohne besondere weitere Optimierung des Systems - bereits eine maximale Höhe über
Grund von nur 13,02 m.
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Gegenüber der bisher angewendeten oder vorgeschlagenen Technik bietet
die erfindungsgemäße Anordnung folgende Vorteile: Das Gleitwegführungssystem hat
eine 3600-Bedeckung und kann mit jedem Navigationssystem, das eine horizontale Führung
liefert, kombiniert werden.
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Forderungen an das jeweilige Vorgelände der Gleitwegantennenanlage
hinsichtlich einer ansteigenden Neigung etwa bis zu den nach ICAO, Annex 10, Attachment
C zu Teil 1, Fig. C-7, angegebenen scharfen Begrenzungswerten oder einer abfallenden
Neigung ohne Begrenzung brauchen für den fliegerisch ausgenutzten Bereich der Gleitwegführung
nicht mehr gestellt zu werden.
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In Verbindung mit der heute verwendeten Horizontalführung nach dem
ILS-Kurssender kann für einen möglicherweise störenden Hinderniskomplex im Vorfeld
bis zu einigen Kilometern Entfernung das Strahlungsdiagramm so eingestellt werden,
daß dieser keine Strahlung von der Antenne her erhält und daher keinen Einfluß auf
die Gleitwegbildung mehr haben kann.
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Der Gleitwegwinkel kann bei einem einmal fertig eingestellten System
rein elektrisch und ohne geometrische Veränderung des Antennenaufbaus variiert werden.
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Im Vergleich zu der bisherigen ILS-Gleitwegtechnik weist das vorgeschlagene
System eine wesentlich vergrößerte Eindeutigkeit der Bordanzeige über einen größeren
Elevationsbereich auf, innerhalb dessen kein irreführender Flaggenalarm auftritt.
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Beim Aufbau eines neu zu installierenden Systems können alle Einstellungen
von Strömen und Phasen an den einzelnen Antennen vorgenommen und das Strahlungsfeld
des Systems in der Ebene der Systemachse vermessen werden, solange der die Antennen
tragende Mast noch nicht aufgestellt ist. Bei horizontaler Lage, in zugänglicher
Höhe aufgebockt, kann das Fernfeld des Antennensystems auf seine Strahlungs- und
Modulationscharakteristik durch einen am Boden bewegten Kontrollempfänger eingestellt
werden. Dadurch wird der bei der Justierung und Abnahme notwendige Aufwand bisheriger
Anlagen an Flugvermessungen erheblich reduziert.
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Der Gleitweg kann im Bereich der Bodennäherung so beeinflußt werden,
daß Gleitwegwinkel und Kursbreite im beliebigen Sinn zur Erzielung navigatorisch
brauchbarer Werte geändert und in verschiedener, den jeweiligen Verhältnissen anpaßbarer
Weise eingestellt werden, daß die Gleitwegführung praktisch bis zum Aufsetzpunkt
benutzbar bleibt.
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Die Überwachung der Gleitwegführung auf richtige Werte des Gleitweges
und der Kursbreite kann in einfacher, bisher nicht erzielbarer Weise durch Kontrolle
der Strom- und Phasenbelegung der einzelnen Antennen erfolgen. Die Meßwerte können
einer Regelanordnung zugeführt werden, die laufend eine automatische Nachstellung
auf die Sollwerte veranlaßt, so daß eine große Sicherheit hinsichtlich des tatsächlichen
Vorhandenseins der gewollten Gleitwegführung nicht nur für das landende Flugzeug,
sondern auch für die erforderliche Überwachung seitens der Bodenorganisation geschaffen
wird, die die heutigen Einrichtungen nicht liefern können, die aber im Hinblick
auf die Allwetterlandetechnik gefordert werden muß.