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Fahrzeug- Leit- und Kontrollsystem zur Blindlenkung von Kraftfahrzeugen,
insbesondere Luftfahrzeugen.
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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug Leit-und Kontrollsystem zur Blindlenkung
von Kraftfahrzeugen, inabesondere Luftfahrzeugen.
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Sie stellt die weitere Ausbildung des Systems und der Einrichtungen
nach dem früheren Patent 1 009 503 dar.
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Die Erfindung bezweckt, die durch schlechte Wetter-und Sichtverhältnisse
erschwerte oder verhinderte Landung oder den Start von Luftfahrzeugen mittels besonderer
Einrichtungen ebenso sicher oder sicherer durchführen zu kdnnen wie bei guter Sicht
und günstigen Verhältnissen. Sie bezweckt ferner, selbsttätig ablaufende, steuerungetechnische
Vorgänge, sowie das gesamte Verhalten des Luftfahrzeuges im Raum durch besondere,
unabhängige Sicherheits-Kontrolleinrichtungen vom Luftfahrzeug aus Uberwachen zu
können, ohne irgendeine manuelle Mitwirkung vom Boden her.
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Es sind für den gleichen Zweck Verfahren und Einrichtungen bekannt,
jedoch in bicher keines allgemein eingeführt, noch sind unter ihrer BerUcksichtigung
die strengen Mindestbedingungen fUr die stets erforderliche Landeerlaubnis in der
Zivilluftfahrt-60 m Wolkenhöhe, 800 m Sicht-durch die internationale Sioherheitsbehdrde
gehindert oder fUr AusnshmefClle aufgehoben.
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Zudem sind these Verfahren an sich ungemein aufwendig und kostspielig,
sowohl hinsichtlich der Bordausrüstung als auch der erforderlichen Bodeneinrichtungen.
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Vielfach erfordern solche Einrichtungen auch die Mitwirkung höchstspezialisierter
Fachkräfte am Boden und treten durch Sprachschwierigkeiten angesichts der bei schnellen
Maschinen ungemein kurzen Veranlassungsseitrdume u. U. kritische Situationen ein.
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Andere Verfahren stellen die Kombination und Modifikation linger bekannter
Einrichtungen dar und haben vollautomatische Landungen sum Ziel. Hierbei sind nicht
nur sehr umfangreiche, teuere Bordeinrichtungen mit Flektronenrechnern, sondern
auch mehrere Leitstrahlsender mit Spezial-Richtantennen am Boden notwendig.
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Erfindungsgemäß wird daher ein relativ einfaches Lelt-und Kontrollsystem
vorgeschlagen, das den Gesamtkomplex der zum steuernden Handeln bei der Landung
von Luftfahrzeugen erforderlichen Informationen und Kriterien : c'en genauen Kurs
zur, über und auf der Landebahn, die jeweilige Höhe über Grund, den Gleitwinkel,
die stetige Annäherung anden Aufsetzpunkt und an das Ende der Landebahn, in llorm
entsprechender, elektrischerRegelgrößenerbringtund' das gesamte Verhalten des Luftfahrzeuges
im Raum während Start und Landung in drei Dimensionen, Kurs, Höhe, Weg, die jeweilige
Entfernung zu Aufsetzpunkt und rollbahn-Ende und die Horizontallage des Luftfahrzeuges
fortlaufend und unverzögert in der Pilotenkanzel sichtbar anzeigto Aufgrund der
komplexen Information und entsprechenden Regelgrößen können durch Beaufschlagung
selbsttätiger Steuereinrichtungen automatische Landungen durchgeführt werden. Andererseits
sind die Piloten eureh die unabhängigen Kontrollinformationen nicht nur in der Lage
das Geschehen laufend su überwachen, sondern auch jederzeit handelnd etnzufrelfen.
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Mach der Erfindung sollen jeweils mindestens vier Photo-oder Selenzellen
oder jeweils eine, in mindestens vier getrennte Sektoren unterteilte Flachen-Selen-odr
Photozelle in um zwei Achsen schwenkbaren Gehäusen - jeweils zwei für horizontale
und vertikale Kahrzeugbewegungen - angeordnet sein, die sich mit ihren optischen
Achsen, welche auch mittels um zwei Achsen echwenkbarer Spiegel umgelenkt sein können,
unabhängig von der jeweiligen Stellung des Fahrzeuges mit Hilfe besonderer, jeweils
aus zwei ständig, gegenläufig rotierenden, mittels Differentiale betriebe fekoppelter
Motoren bestehender Stelloygane, welche : Teil einer Werstärker-Brückenanordnung
sind, selbsttätig auf besondere, scharf biindelnde Leitstrahler, vorzugsweise Gas-,
Flüssigkeits-oder Feststoff-Laser am oder/und im Boden einstellen und eine
besondere,
unabhängige Kontroll-Sicherheitseinrichtung mit mindestens vier, durch Motoren synchron
rotierenden Planspiegeln oder/ und Planspiegelprismen, Photozellen oder-dioden,
Verstärkern, Mehrstrahl-Cszillograf, das jeweilige Bewgunsverhalten des Fahrzeuges
in drei Limensionen,-Kurs, Höhe, Weg-ständig selbsttätig definieren und unverzögert-in
Längenmaßen eichbaranzeigen.
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Weiter sollen automatische Einstellvorrichtungen die Such-und Einstellorgane
die Leitstrahler selbständig suchen lassen und unbeschadet der. jeweiligen Fahrzeugstellung
diese dann ständig auf die Leitstrahler eingestellt halten.
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Nach der Erfindung sollen ferner die Such una Einstellorgane durch
Kontrolle des jeweiligen Einfallswinkels der Leitstrahlen und fortlaufende Triangulation,
sowie Übertragung entsprechender Impulse auf den Sichtschirm der Oszillografenröhre
den Sollkurs, Kursabweichungen, Fmhenabweichungen, die absolute Föhe über Grund,
die Horizontallage des Fahrzeuges, mit ausreichender Überlappung weitere, folgende
Leitstrahler und die fortschreitende Annäherung an Aufsetzpunkt und Landebahnende
sichtbar und verzögerungsfrei anzeigen.
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Die Abbildungen zeigen einige Ausführungsbeispiels von Einrichtungen
nach der Erfindung, die zur Darlegung der Verfahren dienen sollen. Es zeigen : Abb.
la ein Such-und Einstellorgan mit Stellsystem Abb. lb-d Such-und Einstellorgane
im Schnitt Abb. le eine sektorengeteilte Flächen-Photozelle Abb. lf eine Verstärker-Brückenanordnung
mit Stellmotoren Abb. 2 ein Schema des Kontroll-Systems Abb. 3 Schirmbild-Phasen
des Kontroll-Systems Abb. 4 ein Anordnungs-Schema mit Landephasen.
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GemäB AYb. la-b sind in das Gehäuse G jeweils vier Photozellen 1-4
eingebaut. Das Gehäuse G ist in bekannter Weise in dem Ring Lr kardanisch aufgehängt
und um zwei Achsen, A1 und A2 schwenkbar.
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Nach vorn sind an dem Gehäuse G die Blenden F angebracht.
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An jeder der Achsen AI und A2 ist ein besonderes Stellsystem angeordnet.
Diese Stellsysteme bestehen jeweils aus zwei standig, gegenlaufig rotierenden Motoren
M1 und M2, die über ein Differentialgetriebe Diff. gekoppelt sind. Lie Motoren Ml
und M2 sind elektrisch gesehen, Teile einer Verstärker-Brückenanord nung Abb. lf,
mit Verstärkern V1 und V2, Transistoren Tl und T2 und Nullregler R. Am Eingang der
Verstärker liegt jeweils eine Photozelle Phl, resp. Ph2 oder jeweils ein Sektor
sl-4 der Flächenzelle Abb. le. Es wir'cen jeweils eine photoze) le cder ein Sektorenteil
auf einen Verstdrker und aieser auf eine Hälfte der Brückenanordnung, Zelle oder
Sektor 1 und 2 auf das Stellsystem an Achse A2, 7. elle oder Sektor v und 4 hingegen
auf das Stellsystem an Achse AI ein. Funktionen besteht in der Brückenanordnung
Abb. lf Gleichgewicht und Symmetrie, wenn die vorgeschalteten Zellen 1-2 gleiche
Anteile der Leitstrahlung LS empfangen. In dieser, Fall rotieren die Motoren MI
und M2 mit gleicher Drehzahl, wenn auch entgegengesetzt und es entsteht an der Achse
Al des Differentialgetriebes Diff. kein Drehmoment. Ändern sich jedoch infolge Änderung
des Einfallswinkels der Leitstrahlen LS die auf die Zellen entfallenden Strahlungsantelle,
so führt das zu entsprechenden Drehzahländerungen der Motoren und zu entsprechenden
Drehmomenten an Achsen Al oder/und A2. Irn Zusammenwirken werden unterschiedliche
Leitstrahlenanteile auf den Photozellen solange und in richtiger Richtung in Gehäusebewegungen
umgesetzt, bis die Zellen wieder gleiche Strahlenanteile erhalten und mit ihren
optischen Achsen auf die Leitstrahler weisen. Der Begriff der optischen Achsen mul3
hier sinngemäß gelten, auch wenn es sich bei den verwendeten Strahlen um keine optischen
Strahlen im Sinne des Wortes handelt.
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LTm-die bewegten Massen der schwenkbaren Organe kleiner und trägheitsloser
zu gestalten, können die Leitstrahlen wie nach Abb. lc auch mittels um zwei Achsen
schwenkbarer, sonst wie Gehäuse G bewegter Spiegel Sp umgelenkt und auf fest angeordnete
Photozellen geworfen werden.
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Solange die Such-und Einstellorgane die Leitstrahlen noch nicht aufgefaßt
oder sie verloren haben, sollen sie nach der Erfindung durch entsprechende Einrichtungen
solange in weitem Winkel oszillierend suchen bis die Leitstrahlung wieder aufgefaßt
ist, wobei jedoch Sorge getragen ist, daL3 die Suchbewegungen nicht auf die Steuerorgane
übertragen werden.
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Auf den Achsen Al und A2 der einzelnen, zu paaren für horizontale
und verticale Bewegungsrichtungen in gewisser Entfernung voneinander installierten
Such-und Einstellorgane sind jeweils noch mindestens zwei Rerelorpane, z. B. Regelwiderstande,
angeordnet, welche die Abweichungen dieser Achsen von bestimmten Null-oder Winkelstellungen
in elektrische Regelspannungen entsprechender Grole umformen. Hierbei sollen durch
zwischengeschaltete tubersetzungen, z. B. Zahnradgetriebe, die kleinen Drehwinkeländerungen
der Achsen in größere Drehwinkeländerungen der Regler gewandelt werden. Lurch die
Anordnung von mindestens zwei Regelorganen auf jeder Achse und geeignete Schaltungsanordnungen
können somit die jeweiligen Winkeländerungen der Such-und Einstellorganpaare sowohl
hinsichtlich der effektiven Winkelöffnung als auch von Win-. keldifferenzen ausgewertet
werden. Aus den effektiven Winkelöffnungen lassen sich dann bei bekanntem Abstand
der Einstellorgane voneinander nach dem Prinzip der Triangulation die jeweiligen
Entfernungen zum Leitstrahler mit zum Strahler hin größer werdender Genauigkeit
ableiten und an den Regelorganen entsprechende Regelspannungen gewinnen.
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Winkeldifferenzen zwischen den Einstellorganen hingegen, verursacht
durch Abweichungen von Sollkurs oder Sollhöhe, lassen sich mit den erlangten Regelspannungen
derart auf die Steuerorgane für Seiten-und Höhenleitung übertragen, daß im Ergebnis
Sollkurs und Sollhöhe selbsttätig eingehalten werden. Auf diese Weise ist es möglich
durch einen scharf gebündelten, schräg aufwärts gerichteten Leitstrahl Landekurs
und Gleitwinkel in engen Toleranzwerten, leicht und d selbsttätig reproduzierbar,
festzulegen. Die der fortlaufenden Annäherung des Fahrzeuges an den leitstrahler
I, Abb. 4 entsprechenden Regelwerte können bei der Landung zu erforderlichen, selbsttatlg
ablaufenden Manipulationen, z. B. der Droaselung der Triebwerke ausgenutzt werden.
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Das Vorhandensein aller für Landemanöver erforderlichen Informationen
und Kriterien in komplexem Umfang und als elektrische Regelwerte ergeben auch die
Möglichkeit, alle diese Werte bei einer Musterlandung unter günstigen Bedingungen
in ihrem zeitlich richtigen Verlauf mittels an sich bekannter Einrichtungen, z.
B. Magnetbandgeräten, zu speichern. Bei späteren, automatischen Landungen am gleichen
Ort wären die gespeicherten Informationen als Soll-Werte reproduzierbar und nach
selbsttätig erfolgendem Vergleich und ebensolcher Auswertung mit gegenwärtigen Ist-Werten
zu entsprechenden Korrekturen geeignet und verwendbar.
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Während oder nach dem Ausrollen können die Fahrzeuge auch mit Leitmitteln
und Einrichtungen nach dem Patent 1 009 503, direkt oder indirekt, mittels Filfsfahrzeugen
auch in Kurven bis zum Endhaltepunkt an der Rampe geleitet werden.
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Als extrem scharf bündelnde Leitstrahler sollen nach der Erfindung
Gas-, Fliissigkeits-oder Feststoff-Laser mit gegenüber der Tröpfchengröße von Nebel
oder Dunst günstigsten Wellenlänge, etwa zwischen den Grenzbereichen der Dicht-
oder Radarwellenlangen, verwendet werden. Die Arordnung der Strahler tann etwa nach
Abb. 4 am oder/und im Boden ergol. motel Strahler I im Anfang der Landebahn LB,
Strahler II hingegen am Ende derselben angeordnet, den Kurs während des Ausrollens
korrigiert.
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Zur leichteren Auffindung der Leitstrahlen beim Anflug können die
Leitstrahler aufgefächert sein und die beigeordneten Hilfsstrahler zur Unterscheidung
vom Hauptstrahler in verschieden langen Kurzimpulsen ausgetastet oder abgeblendet
werden.
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Das Gleiche gilt für die dem Strahler II beigeordneten, später noch
erwähnten Hilfsstrahler.
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Da Laserstrahlen bekanntlich auch modulierbar sind, können sie vorteilhaft
auch zur Übermittlung von Nachrichten oder/und impulsen an das landende Fahrzeug
ausgenutzt, ihre aufmodulierten Schwingungen im Fahrzeug z. B. rückgewonnen und
auch zur akustischen Auffindung der Leitstrahlen herangezogen werden.
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Die Kontroll-Sicherheitseinrichtung ist in Abb. 2 schematisch dargestellt.
Danach sind in den Gehäusen S1-S4 (nur zwei davon gezelchnet) jeweils ein Synchron-Motor
mit selbsttätigem Anlauf M mit verstellbarem Stator, an seiner Achse montiertem,
rotierenden Spiegel Sp und Photozelle Ph untergebracht. Zusätzlich enthält jedes
Gehäuse noch eine Hilfslichtquelle L.
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Die Photozellen Ph sind jeweils auf den Eingang der Verstärker Vol-4
geschaltet, die andererseits mit dem Oszillografen Osz. und dieser mit der Braunschen
Röhre BR verbunden sind. Je zwei der Organe S1 bis S4 wirken jeweils fAr horizontale
und vertikale Bewegungsvorgänge zusammen und sind in bestimmtem Abstand voneinander
neben-bezw. übereinander installiert. Der Oszillograf Osz. enthält in seiner Röhre
BR zwei Elektronen-Strahlsysteme mit jeweils vertikalen und horizontalen Ablenkorganen.
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Mit einer Wechselspannung - z. B. technischem Wechselstrom von 50
Hz-beaufschlagt, fthren die Ablenkorgane den Elektronenstrahl jeweils in einer horizontalen
und einer vertikalen Linie, die eich im Mittelpunkt rechtwinklig kreuzen, über den
Sichtschirm der Röhre BR. Beide Elektronenstrahlen sind jedoch zunächst durch entsprechende
Vorspannungen dunkelgesteuert.
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Die Drehzahl der Motoren M ist derart festgelegt, daß sie in einem
bestimmten Verhältnis zur Ablenkfrequenz der R6hre BR steht. Betriebsmäßig ist Sorge
getragen, dab die rotierenden Spiegel Sp der zusammenwirkenden Organe stets um 180
Grad gegeneinander versetzt sind.
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FEllt nun ein Leitstrahl in eines der Gehäuse S1-S4, so wird er bei
einer ganz bestimmten Spiegelstellung umgelenkt und fällt auf die Photozelle Ph.
Dies tritt bei verschiedenen Einfallswinkeln der Leitstrahlen jeweils bei anderen
Phasenatellungen der Spiegel ein und zwar nur dann, wenn die Voraussetzung-Einfallwinkel
= Ausfallwinkel-ertUllt ist. Für die Dauer des Strahleneinfalla ändert die getroffene
Photozelle ihren elektrischen Wert und es Wlrd über den entsprechenden Verstärker
ein Impurs den Oszil@ografen gegeben.
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Dieser Impuls hebt für seine Dauer die Dunkelsteuerung der Röhre BR,
d. h. genauer gesagt seines zugehörigen Elektronenstrahls auf und es entsteht an
einer ganz bestimmten Stelle des Sichtschirms ein Lichtpunkt. Jedem der vier Organe
S1-S4 ist eine bestimmte Strecke auf dem Sichtschirm zugeordnet und zwar den Horizontalorganen
jeweils rechts und links vom Nullpunkt in der Mitte, den Vertikalorganen vom Nullpunkt
ausgehend nach oben und unten. Bei richtiger Synchronisation und Phasenlage aller
Organe ersiebt sich aus der Lage der Lichtpunkte, die unter den genannten Voraussetzungen
scheinbar stillstehen, der genaue, jeweilige Einfallswinkel der Leitstrahlen in
die Gehäuse S1-S4 und zwar für jedes dieser Organe gesondert.
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Um die erforderliche Synchronisation und richtige Phasenlage aller
Organe herbeifahren und kontrollieren zu können, sind die Hilfslichtquellen L in
den Gehäusen S1-S4 angeordnet und die Statoren der Motoren M verstellbar. Bei Erfüllung
der genannten Voraussetzungen des Gleichlaufes bewirken die Lichtquellen L einen
gesonderten Lichtpunkt s für jedes der Organe am Rande des SiNtschirmes Abb. 3.
Wo die Bedingungen nicht erfüllt sind, muS der Stator des entsprechenden Motors
M-gegebenenfalls durch Ferneinwirkung-nachgestellt werden bis der Kontrollpunkt
s erscheint und konstant bleibt.
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Betriebsmäßig kann nun aus den Stellungen der Lichtpunkte zueinander
und zum Nullpunkt in der Mitte des Sichtschirmes das gesamte Bewegungsverhalten
des Fahrzeuges gegenüber dem Leitstrahler ersehen werden. Die Abbildung 3 zeigt
einige Beispiele für marante Bewegungsphasen des Fahrzeugee. Und zwar: A) die Gleichlauf-Kontrollpunkte
s-a, die bei den weiteren Beispielen weggelassen wurden. Die Lichtpunkte kl und
k, sowie h und hl lassen erkennen, daß das Fahrzeug in größerer Entfernung vom Leitstrahler,
Kurs und Höhe, sowie den Gleitwinkel genau einhält.
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B) das Verhalten kurz vor oder am Aufsetzpunkt bei richtigem Sollkurs.
Die Punkte k, kl, h und hl sind auch hier gleich weit voneinander und gleich weit
vom Nullpunkt entfernt.
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Aus der Entfernung des Punktes hl vom Nullpunkt geht die absolute
Höhe des Fahrzeugee über Grund hervor und können die durch Striche angedeuteten
Skalen aller Lichtpunkte mit auf Längenmaße bezogenen Zahlen versehen und geeicht
t werden. Die Entfernungen der punkte k und kl, sowie h und hl voneinander ergeben
das Maß für die jeweilige Entfernung des Fahrzeuges vom Leitstrahler der sie hervorbringt.
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Die Punkte h3, k3 und k4 lassen ersehen, daß das Fahrzeug im Uberlappungsberelch
zweier Leitstrahler ist und der weitere Leitstrahler noch relativ weit entfernt
ist. Der an sich vorhandene Punkt h4 fällt hier, der Eindeutigkeit der Anzeige gemäß,
mit punkt hl zusammen. Beim Verlassen des erwähnten Uberlappungsbereiches verschwinden
die Punkte k, kl, h, hl und die Punkte kt, k4, h3, h4 wandern, wie vorher auch die
Vorgenannten, als Funktion der Winkeländerungen des Leitstrahleneinfalles auf den
Nullpunkt zu.
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C, D) daß das Fahrzeug zwar Höhe und Gleitwinkel richtig einhElt,
jedoch nach rechts, resp. links vom Kurs abgekommen ist.
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E, F) schließlich, daß der Kurs zwar richtig ist, aber die Höhe wegen
Abweichung nach oben, resp. unten korrigiert werden muß.
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Wegen der in Luftfahrzeugen stets prekären Platzfrage können die vorgeschlagenen
Einrichtungen weitgehend miniaturisiert werden und muß auch die Schirmbildröhre
BR nicht unbedingt im Blickfeld der Piloten angeordnet sein. Vielmehr soll hier
die Möglichkeit der Vor-oder Rückprojektion ausgenutzt werden, wobet zusätzlich
Vergrößerung und gedehnte Darstellung erreichbar sind.
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Wegen der überraschenden Eigenschaften der Laserstrahlen, ihres -bei
bestem wirkungsgrad erheblichen Energiegehaltes, ihrer hohen Strahlungsintensität
und-dichte und günstigen Wellenlängen, aber auch durch das vorgeschlagene Einweg-Übertragungsverfahren
kann auch bei sehr ungünstigen, meteorologischen Verhältnissen mit völlig ausreichenden
Reichweiten gerechnet werden.
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Nachdem die Heranführung von Luftfahrzeugen an die Flughäfen und ihre
Einweisung in die Landeposition mittels moderner Navigations-, Zielfindungs- und
Zielanflugmethoden hinreichend gelöst ist und mit hoher Sicherheit ständig durchgefUhrt
wird, beschränkt sich das vorgeschlagene Verfahren bewußt auf die letzte Flugphase,
den eigentlichen Landeanflug mit seinen mit zunehmender Bodennähe größer werdenden
Gefahren.
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Gerade in diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß, wie bereits
erwähnt, aus physikalisch-technischen Gründen die Meß-, Regelungs-und Anzeigegenauigkeit
des vorliegenden Systems nach dem Boden hin zunimmt und damit gerade in den kritischen,
gefährlichen Sekunden die größte Sicherheit bietet.