DE1929464C - Verfahren zur Korrektur des durch die Flughöhe bedingten Schrägentfernungsfehlers bei einem Funkortungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Korrektur des durch die Flughöhe bedingten Schrägentfernungsfeblers bei einem Funkortungssystem, bei welchem mit einem Rechenwerk aus den Ausgangssignalen eines bordseitigen Drehfunkfeuer-Empfängers und eines bordseitigen Entfernungsmeßsystems ein gegenüber dem Boden-Drehfunkfeuer versetzter Kurs bestimmt wird.

Die bisher üblichen Funkortungssysteme dieserArt bedingen Anzeigefehler, wenn sich das Flugzeug in der Nähe des Boden-Drehfunkfeuers (»KOÄ«) befindet Das Entfernungsmeßsystem (»DME«) zeigt dann nämlich einen falschen Wert an, und das Flugzeug wird in der Nähe des Drehfunkfeuers von seinem parallel dazu versetzt angenommenen Kurs in Richtung auf die Senderstelle »hingezogen«. Angenommen, ein Flugzeug 10 soll gemäß F i g. 1 in einer Höhe h über dem Boden längs eines Kurses K fliegen, der gegenüber dem Boden-Drehfunkfeuer 11 um die Entfernung y versetzt ist. Der den Kurs K bestimmende Wegpunkt 12 besitzt die Polarkoordinaten Rho, T, wobei Rho die Entfernung zwischen diesem Punkt 12 und dem Drehfunkfeuer 11 und T der Peilwinkel oder Radialwinkel dieses Punktes ist. Der ä^.m Drehfunkfeuer 11 am nächsten liegende Punkt des Kurses ist mit P bezeichnet, χ ist die Entfernung längs des Kurses über Grund, γ ist gegeben durch den KOi?-Radia!winkel T-Y 180° minus dem Kurswinkel c des Flugzeuges.

Angenommen, die Kursversetzung y sei 1 km und die Flughöhe h ebenfalls \ km. r'amit wird nahe dem Drehfunkfeuer der Kurs se abgefälscht, daß & s Flugzeug unmittelbar über das Drehfunkfeuer hinwegfliegt, denn das Entfernungsmeßsystem mißt auch in diesem Fall nur einen Abstand von 1 km.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es bekannt, bei der Schrägentfernungsbestimmung die Flughöhe entsprechend zu berücksichtigen, indem entweder das Quadrat der Flughöhe vom Quadrat der mit dem Entfernungsmeßsystem gemessenen Hypotenuse abgezogen und davon die Wurzel gezogen wird oder der Vertikalwinkel gegenüber der Hypotenuse bestimmt und daraus trigonometrisch die Basis des Dreiecks bestimmt wird. Beide bekannten Verfahren benötigen die Flughöhe als Korrekturwert, und ihre Genauigkeit ändert sich mit dem Abstand von dem Drehfunkfeuer.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Korrektur des durch die Flughöhe bedingten Schrägentfernungsfehlers bei einem Funkortungssystem aufzuzeigen, das ohne Berücksichtigung der Flughöhe eine exakte Korrektur der Schrägentfernung ermöglicht und hierzu nur die bordseitig vorhandenen Meßsysteme benötigt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ausgangssignal des Drehfunkfeuer-Empfängers, das dem unkorrigierten Radialwinkel entspricht, und das Ausgangssignal des Entfernungsmeßsystems, das der unkorrigierten Schrägentfernung entspricht, jeweils differenziert und jeweils mit Korrektursignalen zusammengeführt werden, diese korrigier* ten Differentialsignale anschließend integriert und damit schließlich die Ausgangssignale des Drehfunk' feuer-Empfdngers bzw. des Entfernungsmeßsystems korrigiert werden, wobei die mit den differenzierten Signalen zusammengeführten Korrektursignale aus dem korrigierten Radialwinkelsignal γ bzw. dem korrigierten Schrägentfemungssignal SR sowie einem Plug' geschwindigkeitssignal V und einem der vorgegebenen

Versetzung y entsprechenden Signal nach den Formeln

-V . ₂ . y<V
SUi γ bzw.

■y ' SÄ-tgy

errechnet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Erkenntnis zunutze, daß die Winkelgeschwindigkeit der KOK-Radialen eines Flugzeuges, das sich gemäß Fig. 1 längs eines versetzten Kurses K gegenüber einem Drehfunkfeuer 11 bewegt, in der Nähe dieses Drehfunkfeuers in einem trigonometrischen Verhältnis ändert; d. h., die Winkelgeschwindigkeit nimmt in bezug auf das Drehfunkfeuer als Funktion der Entfernung von diesem Drehfunkfeuer zu, je weiter der Kurs K an das Drehfunkfeuer 11 herankommt Die Flughöhe bleibt hierbei ohne Einfluß. Mathematisch kann dies wie folgt erklärt werden:

Der Horizontalabstand Rho irgendeines Punktes des Kurses K von dem Drehfunkfeuer 11 ist:

χ < 0 bei Annäherung an P,
χ > 0 bei Entfernung von P.

Die Schrägentfernung SR für jeden Kurspunkt ist dann unter Berücksichtigung der Flughöhe h

SR = [/χ² + y² + h² = V Rho² + h² .

Der Radialwinkel γ an irgendeinem Punkt längs des Kurses K über Grund ist eine Funktion von arc tg (y/x). Für γ gilt die obengenannte Beziehung

V=T+ 180°-c.

Wenn man den Schrägentfernungsfehler unberücksichtigt läßt — was für große Entfernungen vom Drehfunkfeuer gilt —, so ergibt sich für das Differential der Schrägentfernung SR und das Differential des Radialwinkels γ folgendes:

dt

L df

hdh dt

^L ₌ ^- [arc tg (y/x)] =

-1

dx

dt

dt

Wenn das Flugzeug eine konstante Höhe h einhält und der nächste Annäherungspunkt P zum Drehfunkfeuer konstant bleibt, wird -^ und -^- jeweils Null.

Nachdem .^x die Fluggeschwindigkeit V ist, ergeben

sich folgende Korrekturgleichungen:

U[SR) „ Jt (dx) _ V ( y \

SR{at) ^m sr Vtgy/

y Φ ο,

y > 0, wenn 180° y < 0, wenn 0

< Y

< Y

Diese beiden Parameter

ASR

ar

360°, 180°.

und

sind also

unabhängig von der Flughöhe h, und sie werden gemäß der Erfindung zur Korrektur ausgenutzt. Diese Gleichungen können sehr einfach mit einem zusätzlichen bordseitigen Computer aus den Ausgangssignalen des bordseitigen Entfernungsmeßsysteros bzw. des bordseitigen Diebrunkfeuer-Erapfängers errechnet werden, wozu es nur einer geringfügigen Ergänzung bzw. Abänderung der sowieso vorhandenen bordseitigen Rechenwerke bedarf. Das erfindungsgemäße Verfahren kann deshalb auch schaltungstechnisch sehr einfach bordseitig realisiert werden, wofür die nachfolgende Beschreibung ein Ausführungsbeispiel gibt

Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel für eine bordseitige Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild einer Funkortungsanordnung, bestehend aus einem Vektor-Analog-Computer 14, einem Schrägentfernungs-Korrektur-Computer 16, einem KOR-Empfänger 32 und einem D ME-Empfänger 34.

Ein Empfangsdatenresolver 233 steht über einen Transformator 231 mit einem DME-Empfangs-Potentiometer 213 in Verbindung. Der KOK-Empfänger 32 wirkt über den Computer 16 auf ein Drehfelddifferential 61 ein, welches Teil des automatischen Azimut-Anzeigers »OBI« ist Das Differential 61 ist elektrisch mit den drei Statorwicklungen eines Regeltransformators 237 verbunden, dessen Rotorwicklung 241 über einen Reihenwiderstand, einen Kondensator 241», einen Widerstand 244 und einen Verstärker 245 mit der Feldwicklung 247 eines Zweiphasen-Servomotors 251 verbunden ist Der Rotor des Servomotjrs 251 ist mechanisch mit dem Rotor des Empfangsdatenresolvers 233 und dem Rotor eines Tachogenerators 253 gekuppelt. Die Eingangswicklung 255 dieses Tachogenerators ist zusammen mit der Phasenwicklung 249 des Servomotors 251 an die Wechselstromquelle 252 angeschlossen. Die Wicklung 255 steht ferner noch mit einer Warnschaltung 257 in Verbindung. Die Statorwicklung 256 ist über einen Kondensator 258 und einen Widerstand 259 an den Kondensator 243 im Eingangskreis zum Servoverstärker 245 angeschaitet. Ein RC-Kreis mit einem Kondensator 262 und einem Widerstand 263 ist parallel zur Wicklung 256 geschaltet und bestimmt die Phasen- und Amplituden bedingungen des Ausgangssignals.

Die Statorwicklung eines Wegpunkt-Peilresolvers 264 ist über einen Transformator mit einem Potentiometer 271 verbunden, dessen Abgriff von Hand durch den Entfernungs-Einstellknopf 272 einstellbar ist. Die Potentiometer 213 und 271 sind über ein Trimmpotentiometer 273 an einem Skalenfaktoreinstellschalter 274 angeschlossen. Die Winkelstellung des Rotors des Resolvers 264 in bezug auf seinen Stator ist durch einen Peilwinkel-Einstellknopf 275 einstellbar. Die Rotorwicklung des Empfangsdatenresolvers 233 und die Rotorwicklungen des Wegpunkt-Peilresolvers 264 sind gemeinsam an den Eingang eines Kurs-Über-Grund-Resolvers 277 angeschlossen. Die Wicklung 281 des Resolvers 277 ist an einen Verstärker 283 an* geschlossen, der seinerseits mit einem Detektor 284 verbunden ist. Die andere Resolverwicklung 282 bleibt frei. Ferner ist noch ein sekundärer Wegpunkt-Resalver 401 und ?in sekundärer Kurs-Über-Orund-Resolver 402 vorgesehen, die so zusammengeschaltet sind, daß sie ein Signal (Ur einen weiteren Verstärker 285 liefern, der mit einem zweiten Detektor 286 verbunden ist. Dem Detektor 286 ist ein Begrenzer 292, bestehend aus zwei Dioden 293 und 294, einem Reibeuwiderstand und einem PareUelkonJensator 296 nachgeachaltet, der über die Leitung 17 mit dem Computer 16 verbunden ist Das korrigierte Ausgangssignal des Com-

puters 16 wird über eine Leitung 28 dem Meßwerk 291 eines Anzeigeinstruraentes S2A zugeführt Dem anderen Detektor 284 ist ein aus Dioden 299 und 301, einem Reihenwiderstand 302 und einem Parallelkondensator 303 bestehender Begrenzer nachgescbaltet

ίο Dieser Begrenzer weist zusätzlich noch einen zweiten, größer bemessenen Kondensator auf, der durch einen Schalter 305 ein- und ausschaltbar ist Der Rotor des Resolvers 277 ist mechanisch mit dem Rotor eines Servomotors 312 gekoppelt welcher auch den Rotor

rs eines Regeltransformators 313 antreibt Dieser Regeltransformator 313 ist über einen Verstärker 316 mit der Steuerwicklung 315 verbunden, und hierdurch wird ein Null-Such-Servc .eis gebildet Die Wicklung 317 des Servomotors 312 ist mit der Wechselstromquelle 252 verbunden.

Die Wicklungen 321,322 und 323 des Regeltransformators 313 sind an die Sekundärwicklungen 324, 325 und 326 eines Drehfeldübertragers 328 angeschlossen, dessen Rotorwicklung 327 mechanisch mit einem Kurseinstellknopf 329 verbunden ist der mechanisch an das »RS/«-Instrument 52A angekoppelt ist und zum Einstellen des Kurses dient.

Der KOR-Empfänger 32 ist über die Leitung 31 an den Computer 16 und an eine Differenzierschaltung 24

angeschaltet Das differenzierte Signal wird über die Leitung 60 ebenfalls dem Computer 16 zugeführt, wie dies nachfolgend an Hand der F i g. 3 näher beschrieben wird. Der Computer 16 liefert über die Leitung 19 ein elektrisches Ausgangssignal fur einen Wandler 36, der dieses elektrische Signal in eine mechanische Winkelstellung einer Welle 37 des OBf-Differentials 6! umwandelt. Der DME-Empfänger 34 ist über eine Leitung 42 mit dem Computer 16 sowie mit einer weiteren Differenzierschaltung 22 verbunden. Deren differenziertes Signal wird über die Leitung 50 ebenfalls dem Computer 16 eingegeben. Ein Servosystem 46, dessen Ausgangswelle 47 die Lage des Schleifkontaktes 214 des Empfänger-Potentiometers 213 steuert, ist über eine Leitung 18 mit dem Computer 16 verbunden.

Einzelheiten des Computers 16 zeigt Fig. 3. Das Rechenteil 71 löst die eingangs erwähnte Gleichung II, das Rechenteil 72 die Gleichung I. Zu diesem Zweck werden diesen Rechenteilen einerseits die dem Radialwinkel entsprechenden KOR-Signale über die Leitung 31. ein der Fluggeschwindigkeit entsprechendes Signal vom Geschwindigkeitsmesser 70 über die Leitung 39. ein der vorgegebenen Versetzung y entsprechendes Signal über die Leitung 17 sowie ein der Schrägent-

fernung 3R entsprechendes Signal aus dem DME-Empfänger 34 über die Leitung 42 zugeführt. Aus diesen Signalen wird in bekannter Weise über einen sin²-Funktionsgeber 103 das Auugangssignal der Ad· dierstufe 102, das dem korrigierten Radialwinkel )·

θο entspricht, in ein Signal umgewandelt, das proportional zufc sin² dieses Radialwinkels ist. Das Geschwindigkeitssignal wird über die Umkehrstufe 104 zusammen mit dem über einen Verstärker 107 zügeführten Versetzungssignal einer Multiplizierstufe 108

6J zugeführt, die damit ein dem Wert - VIy entsprechendes Ausgangssignal liefert, das zusammen mit dem Ausgangssipal des sin^a-Funktionsgenerators 103 in einer weiteren Multiplizierstufe 109 zu einem Aus-

gangssignal auf der Leitung 111 zusammengefaßt wird, das der Gleichung ti entspricht. Dieses vom Rechen« teil 71 gewonnene Ausgängssipäl wird in der Addier' stufe 100 mit dem Ausgangssignal der Differenzier· stufe 24, das Über die Leitung 6Ö zugeführt wird, zu* S sammengefilhft, und diese beiden Weite werden ver* glichen, und es wird hieraus ein korrigiertes Olfferen* tiölsignal gewannen, das anschließend eine» Integrator 10t zugeführt wird. Durch Integration wird damit wieder ein korrigiertes Radialwinkelsignal erzeugt, das zusammen mit dem fehlerbehafteten Radtalwinkelsignal auf der Leitung 31 der weiteren Addierstufe 102 zugeführt wird, in welcher wiederum durch Signalvergleich ein korrigiertes Radialwinkelsignal auf der Leitung 19 erzeugt wird. In ähnlicher Weise IS löst das Rechenteil 72 die Oleichung I. Das der Schrägentfernung SR entsprechende Signal der Leitung 42 wird vom Ausgang der Addierstufe 114 einer Multiplizierstufe 117 zugeführt, in welcher dieses mit dem Tangens des Radialwinkels der Leitung 19, das in » einem Tangensgenerator 116 erzeugt wurde, multipliziert wird. Dieses Signal wird dann in der Umkehrstufe 118 in einen reziproken Wert umgewandelt, der anschließend in der Multiplizierstufe 119 mit dem v-Signal der Leitung 17 und dem K-Signal der Leitung as 39 multipliziert wird, so daß auf der Ausgangsleitung 121 schließlich ein der Gleichung I entsprechendes Signal entsteht, das wieder einer Addierstufe 112 zusammen mit dem differenzierten Schrägenifernungssignal der Leitung SO zugeführt wird. In dieser Addier- stufe 112 werden diese beiden differenzierten Signale wieder verglichen, und es w.rd ein korrigiertes Ausgangssignal erzeugt, das in einem Integrator 113 integriert und als korrigiertes Schrägentfemungssignal der Addierstufe 114 zugeführt wird, so daß schließlich auf der Leitung It ein korrigiertes Schrägentfemungssignal SR entsteht. Über die Leitung 28 wird vom Ausgang des Integrators 113 außerdem ein Kursabwetchsignal dem Anzeigegerät 52.4 zugeführt.

Die Lösung der beiden Gleichungen I und II kann 4» selbstverständlich auch mit anderen bekannten Schaltungen gelöst werden, beispielsweise mit reinen DigitaJ-Computera durch mathematische Reihenentwicklungen der gewünschten Funktionen.

F 1 g. 4 veranschaulicht das erfindungsgemäße Korrekturverfahren für den Schrägentfernungsfehler E. Würde die erfinduiigsgcmäß vorgeschlagene Korrekcur nicht dcgehrt werden, so wurde ein Flugzeug in einer berechneten Schrägentfemung SR gegenüber dem Drehfunkfeuer Il flieg». Gemäß der Erfindung s° wird dieser Schrägentfernungswert jedoch zu dem korrigierten Wert SR' ergänzt, der dem gewünschten Kurs und damit auch dem tatsächlich geflogenen Kurs entspricht. Der Schrägentfenrangsfehler beträgt demnach F und ist gleich dem horizontalen Abstand zwi- sehen den Schrägentfemungen SR und SJt'.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ist folgende: immer dann« wenn der Rotor des Steuertransfonnators 237 nicht genau mit seiner Primärwkklung aasgerichtet ist, wie dies bei Wechsel der ^fo Peilrichtung der Fall ist, wird in der Wicklung 241 ein Fehlersignal erzeugt, wodurch über den Servomotor 251 der Resolver 233 verstellt wird. Der Rotor des Empfangsdatenresorvers 233 wird damit stets in einer dem Radiaftvmkel entsprechenden Stellung gehalten. ⁶S Das beim Verstellen des Servomotors 251 ende Ausgangssignal des Tachogenerator 253 erzeugt ein Rückkoppftmgssignal, wodurch dieAnsprechgescliwiii digkeit des Servomotors gedampft wird. Gleichzeitig werden Störspaänungen ausgeschaltet. Gleichzeitig werden dem Resolver Signale Über das Potentiometer 213 zugeführt, die proportional der Entfernung des Flugzeuges vom Drehfunkfeuer sind, öle Ausgangs« signale der Wicklungen des Resolve« 233 entsprechen dann der Entfernung des Flugzeuges and dsm peil* winkel in bezug auf die fflagnetlecheNerdrichtung ä» Drehfunkfeuer. Der Wegpunkt-hrilwinkelreeolver 264 funktioniert in gleicher Weise. Der Knopf 272 wird vom Piloten auf eine gewunechte Entfernung eines ausgewählter Wegpunktes gegenüber dem Drehfunkfeuer eingestellt. Entsprechend wird über den Knopf 279 der gewünschte Peirwtnkel dieses Wegpunktes eingestellt. Die in den Ausgangswicklungen des Resolvers 264 erzeugten Spannungjen und Phasenbeziehungen entsprechen damit den Koordinaten des gewünschten Wegpunktes in bezug auf das Drehfunkfeuer.

Durch die Reihenschaltung der entsprechenden Ausgangswicklungen der beiden Resolver 233 und 264 werden die entsrechenden Koordinatensignale voneinander subtrahiert, so daß den Eingangswicklungen des kurs-uber-Grund-Rcsorvcn 277 entsprechende Diffeirnzsignale zugeführt werden, die der Koordinatenabweichung entprechen. Der Rotor des Resolver» 277 wird vom Piloten so eingcateBt, daß seine Stellung der Peilrichtung entspricht, fcngs welcher das Flugzeug zum ausgewählten Wegpunkt fliegen soll. Dies erfolgt mit dem Einstellknopf 329 und dem Servomotor 312. Durch den Resolver 277 werden also die Informationen der beiden Resolver 264 und 233 aufaddiert, und gleichzeitig werden diese Informationen so gedreht, daß Ausgangsstgnak in einem Koordinatensystem entstehen, das lings des gewünschten Kurses über Grund orientiert ist. Das in der Wicklung 281 des Rcsorvers 277 entstehende Signal int direkt proportional der linearen Versetzung des Flugzeuges nach links oder rechts gegenüber dem ausgirwählten Kurs. Dieses Signal wird dem w 297 zttf Links-Rechts-Darstellung -un Iratrament 52.4 zugeführt. Durch den zwncfaenf^scnaltetea Begrenzer wird eine maximale Ansprecngeschwiadigkeit erreicht. In ähnlicher Weise wird Bber den zweiten Detektor kreis 286 das Meßwerk 291 des Instruments 52/4 gesteuert.

Durch die Servuschleife, gebildet durch den Servomotor 251 rad den Tachogenerator 253, v-rd eine Glättung des Ausgangssignals des KOR-Empföngen 32 erreicht In gleicher Richtimg wirken die beiden Begrenzer nach den Detektöttsti 284 und 28o\

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Koretr des durch die Flughöhe bedingten Schrägetrnungsfehlers bei einem Funkortungssvstcin, bei wdcnem mit einem Rechenwerk aus den Ausgangssignalen eines bord- ·. seitigen Drehfunkfeuer-EäipEmgers (FOJt) and eines tgen Eiitferaun^ineSsjstems (DME) ein gegenüber dem Bodeir-Drehfunkfeuer versetzter Kurs bestänmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Drehrantieuer-Empfangers, das dem unkorrigierten Radialwinkel entspricht, und das Aasgangssignal des EatfernungsmeBsystems, das der unkorngjerten Schia^ntfennmg entspricht, jeweOs differenziert und jeweifc nut Korrektnrsignalen zusammengeführt werden, fiese korrigierten Differentialsigrale anschfieBead integriert und damit

   schließlich die Ausgangssipale de» ürehfunk« feuer*fiffl#tngers traw, des Entfernungsrneßsy·· steffis korrigiert werden, webet die mit den diffe* renzierten Signalen zusattimeHgöfBhrteri Korrek· tursigfiale aus dem korrigierter! Radialwitikel* signal γ bzw, desn korrigierten Sehfägentfernutigs' signal 5ß sowie einem Pluggesöhwindigkeitssi gnal V und einem der vorgegebene« Versetzung > entsprechenden Signal naeh den Pormeln errechnet werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeiehnangen