DE1923351C - Verfahren zur Bestimmung der Einfalls richtung elektromagnetischer Schwingungen aufgrund des Phasenunterschiedes zweier raumlich getrennter Antennen mit Anordnung zur Durchfuhrung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Einfallsrichtung

ίο elektromagnetischer Schwingungen auf Grund des Phasenunterschiedes zweier räumlich getrennter Antennen.

Zur Funkortung werden verschiedene Verfahren angewendet. Im VHF- und UHR-Hereich sind die

Antennenclemente in der Größenordnung der Wellenlänge bezogen auf den freien Raum. Zur Bildung von Richtantennen werden einfache Dipole mit oder ohne Reflektor, Dipolfelder oder Anordnungen mit mehreren unterschiedlich gespeisten Dipolen- bzw. Stabantennen verwendet.

Zur Minimum- oder Maximuniermilllung müssen diese Antennensysteme gedreht werden bzw. arbeiten auf ein Gonimeler mit drehbarer Suchspule (Adcock). Die sogenannten Sähtpeilgeräte, die nach dem Prinzip

des Phasen- und Koniponentenvergleichs mit Anzeige auf einer Braunschen Röhre arbeiten, erfordern einen erheblichen technischen Aufwand, da zwei Empfangskanäle mit gleichem Phasen- und Amplitudengang benötigt werden.

Großbasispeilanlagen (VDF) erfordern ebenfalls zwei Empfänger und eine Antennenanordining von etwa zehn Dipolen, welche kreisförmig angeordnet sind.

Andere Peiler, die mit einem Empfänger auskommen, arbeiten vielfach mit einem Antennen- und einem ZF-Umschalter, die beide elektrisch synchronisiert sind. Es werden beide zwischenfrcquente Schwingungen gespeichert und mittels Phasendiskriminatorcn verglichen. Die erzielbare Auflösung und Genauigkeit ist durchschnittlich.

Ein derartiges Verfahren ist aus tier deutschen Auslegeschrift I 273 014 bekannt. Bei diesem Verfahren werden die von zwei verschiedenen Antennen herrührenden Spannungen nacheinander einem mit dem Empfängerausgang verbundenen Phasendiskriminator zugeführt. Am /.weiten Eingang des Phasendiskriminators liegt die Ausgangsspannung eines Bezugsoszillators, der durch die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators, die von der einen Antenne abgeleitet wird, phasenstarr nachgesteuert wird. Zwei synchronisierte Umschalter verbinden jetzt die zweite Antenne mit dem Empfänger und trennen den Ausgang des Phasendiskriminators vom Nachsteuereingang des Bezugsoszillators ab. Die Differenz der beiden nacheinander am Ausgang des Phasendiskriminators auftretenden Spannungen stellt ein Maß für den Einfallswinkel dar, jedoch nur unter der Voraussetzung, daß die Steuergröße am Bezugsoszillator während des Zeilintervalls, in dem der Phasendiskriminator-Ausgang vom Bezugsoszillator abgetrennt werden muß (zweite Antenne an Enipfängereiiigang), hochgenau gespeichert wird, da eine Phasendrift' voll als Fehler in das Peilergebnis eingeht. Der für diese Aufgabe angegebene Integrator erfordert in der Praxis hohen technischen Aufwand.

Außerdem ist das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (Maß für die Einfallsrichtung) abhängig vom Tastverhältnis der Umschalter sowie von der

Symmetrie und Verstärkungskonstanz des Differenzverslärkers. Nachteilig an diesem Peilverfahren ist die Tatsache, daß eine Mehrdeutigkeit symmetrisch zur Verbindungslinie der beiden örtlich getrennten Antennen vorliegt und daher eine Riindpeilung ausschließt bzw. auf die Anwendung als Zusatzgerät für Zielanllüge beschränkt Meibt.

Ein weiteres Verfahren (deutsche Patentschrift ^l>58 2(W) ziii· Anzeige der Winkellage eines HF-Senders (Luftfahrzeug) in bezug auf eine empfangende Bodenstation werte! die Phasendifferenz einer mit einem umlaufenden Peilgoniometer erlangten Modulationsschwiiigung und einer Bezugsschwingung (Umlaufsteuersignal ties Goniometers) aus, in dem eine elektronische Zeitmessung zwischen Nullduichgäiigen beider Schwingungen durchgeführt wird. Im Gegensatz /ur vorliegende!) linien beschriebe/..,-!! Erfindung basiert dieses Verfahren auf dem bekannten Goniomelerprin/ip (Dipolkreuz und Miltelantennen", Rotor. Stator. Abgriff).

[)ie vorliegende Windung hat folgende Aufgabenstellung:

fis soll eine Peilung selbsttätig durchgeführt werden, insbesondere auch an Bord von Flugzeugen, ohne das Antennensystem zu drehen oder andere manuelle UnslellaiTeiten vornehmen zu müssen. Die Anzeige soll automalisch geliefert werden. Die Einrichtung ist als Navigationshilfe für Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt gedacht, deren vorhandenes VHF-UHF-ilordfunkgcrät beim Sprechverkehr, insbesondere mit kleinen Flugplätzen und anderen Flugzeugen, zusätzlich zur Peilung verwendet werden soll. Der eigentliche Funksprechverkehr darf dabei nicht beeinträchtigt werden.

Die Erfindung geht von einem digital auswertenden VHF-Peilgerät aus, bei dem die Spannungen von zwei oder mehr örtlich getrennten Antennen abwechselnd und in schneller Folge mittels Schalter abgetastet und einem Empfänger zugeführt werden, aus dessen Phascnändcrungcn der Zwischenfrequenz mittels einer digitalen elektronischen Zeitincßeinrichtung der Einfallswinkel des Hochfrequenzsignals ermittelt wird.

Dieses Peilgerät ist erfiiulungsgemäl.i dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Phasciuinterschiedes mit nur einem Fmpfangskanal die Differenz der Zeit zwischen phasengleichen Punkten der Spannung der ersten Antenne und der Zeit zwischen einem bestimmten Punkt der Spannung der ersten Antenne und einem entsprechenden Phasenpunkt der Spannung der zweiten Antenne, welche zwischenzeitlich an Stelle der ersten Antenne an den Empfangskanal angeschaltet wird, ermittelt wird. Das bedeutet, daß die ZF-Spannung eines Empfängers einem Sensor (z. B. Leseverstärker für Nulldurchgang der Spannung) zugeführt wird, welcher an allen Punkten des Spannungsverlaufs, die gleiche Amplitude und gleiche Richtung haben, einen Triggerinipuls erzeugt. Diese Punkte sind die Bezugspunkte. Die Triggerimpulsc öffnen und sperren ein elektronisches Tor, während ein Zähler die durchlaufenden Schwingungen einer bekannten höheren Frequenz zählt und speichert. In den Unteransprüchen ist eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gekennzeichnet, die im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben sind. Es zeigt

F i g. I ein Blockschaltbild,

F i g. 2 den SpannungsverlauF beider Antennen,

F i g. 3 ein Antennensystem aus zwei vertikalen, nebeneinander angeordneten Monopolen und

F i g. 4 ein Antennensystem gemäß F i g. 3, jedoch mit zwei Umschaltern und einer zusätzliche» HF-Leitung.

In F i g. I sind die Antennen mit 11, 12, der Antennenumschalter mit 1 der einzige Enipfangskanal mit 2, die Zeitmeßeinrichtuivg mit J und das Anzeigeinstrumcnl mit 4 bezeichnet.

In Fig. 2 bezeichnet 5 den Spannungsverlauf der Antenne 11. 6 den Spannungsverlauf der Antenne 12,

ίο 7 den Spunnungsverlauf der Zwischenfrequenz, 8 die Triggerimpulse, 9 die Pcriodendauer und 10 die Zeitdifferenz.

Der Antennenumschaller 1 in Fig. 1 wird zunächst nicht betätigt. Die Zeitmelteiurichliing J ermittelt daher als Zeitwert die Periodendauer 9 der Zwischenfrequenz und speichert diesen Wert als Zäherstand in elektrisch-digitaler Form. Nach Durchlauf des/weilen Bezugspunktes wird der Schalter I in Fig. I angesteuert und legt die andere Antenne 12 an den Emp-

2u fänger 2. Der jetzt ermittelte Zeitwert isl unterschiedlich zur Periodendauer der /wischenfreqiienz, da die ZF'-Spanming der Phascnhcdinguhgeii an den Antennen folgt. Nach üblicher elektrisch-digitaler Methode wird die Differenz beider Zeitwerte 10 gebildet. Diese Zeildifferenz 10 ist ein Mafi für die Phasenverschiebung.

Nach F i g. 3 besteht das Antennensystem aus zwei

vertikalen Dipolen II, 12 im Abstand von etwa einem Zehntel bis der Hälfte der Empfangswellenlänge.

Definiert man den Einfallswinkel 7 1.1 der eleklro-

;jii magnetischen Schwingung als Winkel zwischen der Verbindungslinie der Antennen 14 und der Einfallsrichlung der Schwingungen 15, so gilt folgende Beziehung:

Phasenverschiebung ν cos 7 360

s Abstand zwischen den Antennen
λ Wellenlänge
d. h., die oben ermittelte Zeitdifferenz ist ebenfalls ein

i» Maß für den Einfallswinkel 15 der elektromagnetischen Schwingungen. Zur Verringerung der Beeinflussung des Meßergebnisses, verursacht durch Einschwingvorgänge im Ernpfangskanal 2 bei Antennenumschaltung, wird die Zeitmeßdauer um einen be-

Mi kannten Zeilbelrag, z. B. eine volle Periode 9 der Zwischenfrequenz verlängert. Bei der Differenzbildung wird dieser bekannte Zeitbetrag berücksichtigt bzw. hebt sich auf.

Zur Erweiterung des eindeutigen Meßbereichs auf 360 Azimutwinkel ist eine dritte Antenne installiert, wodurch die Peilbasis durch wechselweise Auswahl von zwei der insgesamt drei Antennen für die Messung räumlich gedreht wird.

Das beschriebene Peilgerät ei fordert in der Praxis eine Arbeitsbandbreite /.wischen IIS und 136 MHz, innerhalb der keine Anzeigefehler auftreten dürfen. Nach der bereits genannten lle/ieluiiig is! die Phasendifferenz

6u \ cos '/ 360

und somit linear abhängig um dem Faktor .ν,Ά Anlennenabstand zu Wellenlänge. Der Abstand 14 der fesl montierten Antennen isl konstant, dagegen ändert G5 sich die Empfangsvvellcnläuge innerhalb der Arbeitsbandbreite. Es entsteht ein Anzeigefehler, welcher durch Multiplizieren des Meßeigebnisses mit einem Korrekturfaklor korrigiert weiden muß.

Zusätzlich /u clem Antermenumschalicr ί in 1^: i g. 4 wird in die Antennen- oder Lmplänger/ufühning durch /wci weitere Unischaller 16 und 17 eine zusätzliche I!!-"-Leitung bekannter Länge IH eingefügt. Der Anlcnnenschallcr I legt in einer Stellung die Antenne Il direkt, in der anderen Stellung über das \ei1angcHc Kabel 18, an den Empfänger 2. Zur lirmillliing des Konekturfaklors wird eine zusätzliche Zcildifferenzmcssung vorgenommen in der Weise, daß an Stelle der Umschaltung auf die zweite Antenne 12 die erste Antenne II angeschaltet bleibt, die Zuführung zum Lmpfängcr jedoch um die zusätzliche IIF-I.ciliing 18 bekannter Länge und damit um einen bekannten frequenzunabhängigen l.aufzeitbctrag verlängert wird. Der gemessene Zeiidiffercnzwerl ändert sich mit der Lmpfangswellenlängc und ergibt daher den Korrekturfaklor, der für eine definierte Wellenlänge (Bezugswellcnlänge) gleich dem Wert 1 ist bzw. kleiner oder größer für Abweichungen von der Itezugswellenlängc.

Um auf dem Anzcigcinslrumcnl 4 gleichzeitig

mehrere Pcilwcrte (liinfallsrichtiingcn) verschiedener Stationen, die kurz nacheinander empfangen wurden, z. H. in einer Fhighafcn-Konlrollzone oder zur Positionsbestimmung, zu speichern und sichtbar zu machen, wird eine 36()"-Rundskala mit am Umfang angeordneten Lämpchcn (z. B. 36) verwendet. Das

ίο Aufleuchten eines Lämpchcns gibt jeweils einen Peilwert an. Mittels eines elektrischen Stcucrkreises für jedes angeschaltete Lämpchcn klingt die Helligkeit langsam ab. Somit ergibt sich eine Übersicht der Richtungen zu den empfangenen Stationen in bezug auf die Längsachse des Flugzeuges und außerdem eine Beurteilung der Reihenfolge der ermittelten Peilungen durch die unterschiedliche Helligkeit der Lämpchcn.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Pulcntansprüche:

   I. Verfahren zur Bestimmung der EmTaIIsricluung elektromagnetischer Schwingungen auf Grund des Phasenunterschiedes der Spannungen zweier räumlich getrennter Antennen, dadurch gekennzeichnet, dal.! zur Messung des Phasenunterschiedes mit nur einem Empfangskanal (2) die Differenz der Zeit zwischen phasengleichen Punkten der Spannung der ersten Antenne (11) und der Zeit zwischen einem bestimmten Phasenpunkt der Spannung der ersten Antenne (11) und einem entsprechenden Phasenpunkl der .Spannung der zweiten Antenne (12), welche zwischenzeitlich an Stelle der ersten Antenne an den Empfangskanal angeschaltet wird, ermittelt wird.
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Antennen (11, 12) in einem Abstand (14), der kleiner als die halbe Wellenlänge ist, über einen elektronisch steuerbaren Umschalter (1) abwechselnd an einen einzigen Empfangskanal (2) anschaltbar sind, daß die hoch- oder zwischenfreqiienle Ausgangsschwingung des Empfangskanals an die elektrisch-digitale Zeiimereinriehtung (J) angeschaltet ist, daß die ZeitmeL'einrichtung so gesteuert ist, daß sie jeweils die Zeit zwischen phnsengleichen Zuständen der ihr zugeführten Schwingungen mißt, und daß durch eine Steuerung jeweils unmittelbar nach Durchlauf jedes zweiten Phasenbezugspunktes der elektronisch steuerbare Umschalter (1) betätigt wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des Einflusses von Einschwingvorgängen auf das Meßcrgebnis die Zeitmeßdaiier um einen bekannten Zeilbetrag, z. I). eine volle Periode, .verlängert ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des eindeutigen Meßbereichs auf 360 A/imutwiiikel eine dritte Antenne zur räumlichen Drehung der Peilbasis vorgesehen ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Korreklurfaktors für den bei veränderlicher Wellenlänge der empfangenen Schwingung infolge des gleichbleibenden Abstandes (14) der Antennen (U, 12) ' auftretenden Meßfehlers, welcher durch weitere Antenneiuimschaltcr (16, 17) und mittels der vorhandenen elektronischen digitalen Zeitmeßeinrichtung (J) aus einer zusätzlichen Zeildifferenzmessung /wischen Antenne (II) und der in ihrem Zuleitungskabcl mit einem Hochfrequenzkabel (18) bekannter Länge und damit bekannter zusätzlicher l.auf/cit verlängerten Anleime (II) gewonnen wird, in der Weise, daß der Korrekturwert als elektronisch-digilale Impulsgruppe an der Zcitincßcinrichiung (3) abgegriffen ist und dall einer bestimmten Empfangswcllenlänge der Korrekturwert gleich I entspricht, wahrend bei abweichender limpfangswellcnlänge der Korrekturwert entsprechend kleiner cder größer als I ist.

   (). Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Zeitdiffereii/wcrl decodiert einem Anzcigeinslriiinent (4) zugeführt wird, weiches au¹· einer .160-Rundskala-Atuirdniüig mit einzelnen, z. B. 72 schaltbaren Länipchen besteht, deren jeweilige Helligkeit durch einen elektronischen Steuerkreis zeitlich abklingt.