DE1935012B2

DE1935012B2 - FM-CW-Höhenmesser mit Dreieckmodulation und einem Bezugsempfänger

Info

Publication number: DE1935012B2
Application number: DE1935012A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hammond New Barnet Hertfordshire Babb (Grossbritannien)
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1968-07-11
Filing date: 1969-07-10
Publication date: 1974-11-28
Also published as: CH497709A; BE765118A; GB1207565A; DE1935012A1; DE1935012C3; FR2012752A1

Description

h =

Lr Nq

gewonnen werden, worin L_K die Verzögerung der Verzögerungsleitung (6), ausgedrückt in Metern elektrisch wirksamer Länge, ist, und daß schließlich aus mindestens je einem während der ansteigenden und der abfallenden Flanke der DreieckweUe gewonnenen Höhenwert h die Höhe (H) als Mittelwert gewonnen wird.

2. FM-CW-Höhenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktimpulsgenerator (1) außer der hochstabilen Taktimpulsfolge an seinem ersten Ausgang (1 d) eine zweite Impulsfolge, deren Impulse den Umkehrpunkten der DreieckweUe entsprechen, an einem zweiten Ausgang (1 b) und an einem dritten Ausgang (1 c) eine dritte Impulsfolge abgibt, deren Impulse den Beginn des exakt linearen Teiles der Flanken der DreieckweUe kennzeichnen.

3. FM-CW-Höhenmesser nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß abhängig vom Auf' treten der Impulse am dritten Ausgang (1 c) des Taktimpulsgenerators (1) die beiden Doppelzähler (11 bzw. 8) zum Zählen der Nulldurchgänge der ersten bzw. zweiten Schwebungen freigegeben werden.

4. FM-CW-Höhenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Doppelzähler (8) ein Sender-Monitor (15) nachgeschaltet Die Erfindung bezieht sich auf FM-CW-Höhenmesser für Flugzeuge, bei denen die Höhenanzeige durch Vergleicji der Frequenz der ausgestrahlten und auf die Erde gerichteten frequenzmodulierten Schwingung mit der Frequenz der empfangenen von der Lide reflektierten Schwingung bestimmt wird. Der Vergleich ergibt eine Schwebungsfrequenz, die von der Laufzeit abhängt, die die ausgestrahlte Schwin gung auf ihrem Weg zur Erde und zurück zum Flugzeug für die zurückgelegte Strecke benötigt. Die Höhe wird durch eine dem Betrag der Schwebungsfrequenz analoge Gleichspannung auf einem Meßinstrument angezeigt, beispielsweise nach Zählung in einem Zähler. Wie in einigen Fällen zu Vergleichszwecken bekannt (FR-PS 1 035249, GB-PS 914679, 939978), ist ein vom Sender direkt und nach Zeitverzögerung gespeister zweiter Empfänger vorgesehen.

Auch der erfindungsgemäße FM-CW-Höhenmesser besteht aus einem mit einer Dreieckschwingung frequenzmoduliertem Sender und einem Empfänger, der dieses Signal einmal unmittelbar vom Sender und einmal nach Reflexion von der Erde empfängt, wobei durch Vergleich dieser Signale im Empfänger einu Schwebungsfrequenz abgeleitet wird, aus der die zu messende Höhe bestimmt werden kann, sowie einem Bezugsempfänger. Bei einem solchen Höhenmesser wird bekanntlich eine Symmetrie der modulierenden Dreieckschwingung angestrebt, so daß die Geschwindigkeit der Frequenzänderung <:ci gleichmäßigem Anstieg und Fallen der Flughöhe praktisch konstant ist. Über kurze zeitliche Perioden ergeben sich für gleichmäßige Höhenänderungen gleiche Änderungen der Schwebungsfrequenz, auch wenn sich dabei die Richtung der Höhenänderung umkehrt. Auf diese Weise wird der Doppler-Effekt bei der Höhenmessung für mehrere aufeinanderfolgende Schwingungen vermieden.

Bekannt sind feiner Fehler, die durch die Nichtlinearitäten und besonders die Richtungsänderungen im Verlauf des modulierenden Signals hervorgerufen werden. Ihre Auswirkungen sind vernachlässigbar, wenn eine genaue Höhenmessung bei einer geringen Änderungsgeschwindigkeit nicht notwendig ist. Für V. T. O. L.- und S.T.O.L.-Flugzeuge, aber auch für normale Flugzeuge mit feststehenden Tragflächen bei stürmischem Wetter, bei denen die Änderungsgeschwindigkeit gegen Null geht oder sogar ihre Richtung ändert, können diese Fehler nicht mehr vernachlässigt werden, da hier ein sehr genauer und zuverlässiger Höhenmesser benötigt wird, um vor dem endgültigen Aufsetzen in einer genau vorbestimmten Höhe noch Kurskorrekturen vornehmen zu können.

Die vorliegende Erfindung setzt sich also zur Aufgabe, den Einfluß aller dieser Fehler zu eliminieren und dadurch einen entsprechend zuverlässigen Höhenmesser anzugeben. Die Lösung dieser Aufgabe ist dem Anspruch 1 zu entnehmen, wobei die Unteransprüche Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beinhalten.

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Die Erfindung soll nun an Hand der Figuren ausführlich beschrieben werden. Diese zeigen dabei

Fig. la bis Jd Diagramme des Sendesignals, der ßchwebungsfrequenzen und einer verwendeten Taktjjnpulsfolge, $

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Höhenmessers, der die in Fig. 1 dargestellten Wellenformen liefert,

Fig. 2a eine Modifikation des Gerätes nach Fig. 2. !p

Fig. If zeigt die Frequenzabweichung eines Trägers im Gigahertzbereich bei der Frequenzmodulation mit einer symmetrischen Dreieckwelle niedriger Folgefrequenz. Der Bereich der Richtungsumkehrpunkte der Dreieckwelle ist dabei gestrichelt gezeichnet, da er von dem erfindungsgemäßen Höhenmesser nicht ausgenutzt wird. Eine so modulierte Welle wird einmal vom Sender des Höhenmessers zum Erdboden ausgesendet und liegt ferner am Eingang einer Verzögerungsleitung mit festerund genau bekannterVer- »o zögerungszeit an sowie auch gleichzeitig an zwei Empfängern, von denen dem einen zusätzlich noch das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung und dem anderen das vom Boden reflektierte Signal zugeführt wird. Jeder der Empfänger enthält eine Demodulationsstufe, in der eine Schwebungsfrequenz entsteht, von denen die eine einen festen Vergleichswert und die andere einen Analogwert für die gesuchte Höhe darstellt.

Die Höhenbestimmung erfolgt während einer ein- »gen Hubrichtung des frequenzmodulierten Trägers, also auf einem Schenkel der Dreiecke der modulierenden Dreieckwelle in der jetzt beschriebenen Art. £tartpunkt sei dabei /₀, also die Zeit der Richtungsumkehr des Verlaufes des Modulationssignals. Wenn in dem Bereich um diesen Punkt der Kurvenverlauf nicht linear ist, wie in Fig. la dargestellt, beginnt die Messung beim Beginn des linearen Verlaufes bei t_v wobei dann eine halbe Periode später der Beginn des linearen Teiles der gegenläufigen abfallenden Bewegung einsetzt. Beim ersten Nulldurchgang der Schwebung am Demodulatorausgang des der Verzögerungsleitung nachgeschalteten Bezugsempfängers nach dieser Zeit t_v also zur Zeit t₂ (s. F i g. 1 b), werden zwei Zähler freigegeben, von denen der eine die Nuiidurchgänge und der andere die Impulse eines Taktsignals (s. Fig ld) zählt, jeweilig von Null anfangend. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Nulldurchgängen — in F i g. 1 b sind vier dargestellt — werden beide Zähler stillgesetzt, z. B. zur Zeit /₄. Der Zählwert der Nulldurchgänge beträgt dann N_H und der der Taktimpulse n_rc.

Zwischenzeitlich sind auch vom anderen Höhensignalempfänger am Bodsn reflektierte Signale empfangen worden, die an ssinem Demodulatorausgang ebenfalls eine Schwebungsfrequenz hervorrufen. Beim ersten Nulldurchgang dieser Schwebung nach dem Zeitpunkt /₂, er möge, wie in F i g. 1 c dargestellt, zum Zeitpunkt /_Λ erfolgen, werden zwei weitere Zähler freigegeben, von denen der eine die Anzahl der Nulldurchgänge der zweiten Schwebungsfrequenz und der andere wieder die Impulse des Taktsignals zählt. Beim ersten Nulldurchgang nach dem Zeitpunkt r₄, er mag zur Zeit /_s erfolgen, werden beide Zähler stillgesetzt. Die N_R und n_n entsprechenden Zählwerte seien /V₀ und n_KC.

Vorausgesetzt, daß der benutzte Schenkel der Dreieckwelle völlig linear verlief und daß der Betrag der

Verzögerungsleitung, ausgedrückt in Entfernungen Z.«, betrögt, ergibt sich die zu bestimmende Höhe zu:

±L·. ü±. HlL = Höhe.
2 Nh fi,e

Ungenauigkeiten werden bewirkt durch die Auswertung der Zeit in einzelne Taktimpulse. Ein weiterer Fehler kann durch Abweichungen in der Höhenangabe infolge des Doppler-Effektes auftreten. Wenn man gleiche Änderungsgeschwindigkeit der Höhe voraussetzt, muß sich aber der Einfluß des Doppler-Effektes umkehren, wenn man nach der beschriebenen Messung diese anschließend mit fallendem Verlauf der Dreieckschwingung wiederholt.

An Hand des in F i g. 2 gezeigten Blockschaltbildes soll nun ein FM-CW-Höhenmesser eingehend beschrieben werden, der von den bisher beschriebenen Anordnungen Gebrauch macht. In dieser Figur ist mit 1 ein Taktgenerator bezeichnet, der an seinen Ausgang la Taktimpulse einer stabilen Wiederholungsfrequenz von z. B. 2OC kHz liefert. Bei dem beschriebenen Höhenmesser werden Zeiten als Zahl aufeinanderfolgender Taktimpulse gemessen und angegeben. Zusätzlich zu dieser ununterbrochenen Welle von Taktimpulsen werden von diesen Impulsen Folgen von einzelnen Impulsen erzeugt, deren Abstand untereinander eine vorbestimmte Angabe von Takiimpulsen beträgt. Diese Impulsfolgen werden entweder über besondere Ausgangsleitungen (1 b, 1 c) abgegeben, oder durch geeignete Markiemngen kenntlich gemacht und entsprechen den zur Fig. 1 beschriebenen /₀- und fj-Impulsen. Hierbei sind Impulsfolgen vorgesehen, deren Impulse für die eine Flanke (abfallend oder ansteigend) des Modulationssignals vorgesehen sind, während dann die anderen für die andere Flanke bestimmt sind, wobei die Indizes mit oder ohne Strich kenntlich gemacht sind.

Die Punkte t₀ bzw. t₀' kennzeichnen den Beginn der aufsteigenden bzw. abfallenden Flanke, wobei /, bzw. /,', die /₀ bzw. t₀' im Abstand von A/_} Taktimpulsen folgen, den Beginn des linearen Teiles der entsprechenden Flanke kenntlich machen. Die Lage von /₀ und i, ist in der Fig. Ib und 1 c angedeutet.

Ein Modulationssignalgenerator 2 erzeugt aus der Taktimpulswelle und den f₀- und f₀'-Impulsfolgen die für die Frequenzmodulation des Senders benötigte Wellenform. Hierbei weist die Frequenzmodulation nach beiden, Seiten der Mittenfrequenz gleiche Auslenkungen auf, deren Verlauf mit Rücksicht auf die bei der Höhenmessung zu erzielende Genauigkeit anschließend an Z₁ bzw. /,' hinreichend gerade und linear ist.

Der Sender 3 liefert eine frequeiizmodulierte Welle, deren Mittenfrequenz häufig bei etwa 4,3 GHz liegt und derer Hub 100 MHz beträgt. Das modulierende Signal ist dabei dreieckförmig bei einer Folgefrequenz von 300Hz. Die Modulation des HF-Signals mag verbessert und linearisiert werden durch eine Regelung, deren Regelungssignal \a einem nicht dargestellten Diskriminator gewonnen wird und die auf den Modülationssignalgenerator 2 rückwirkt, wie durch die gestrichelte Linie la in Fig. 2 angedeutet

Der Hauptteil der frequenzmodulierten Hochfrequenzleistung wird über eine Koppelanordnung 4 einer Sendeantenne 5 oder einem entsprechenden Antennensystem zugeführt. Diese Koppelanordnung

5 6

ist so ausgelegt, daß sie außerdem mehrere zusatz- lers 4 direkt ein Signal erhält. Das am Mischstufenliche Ausgänge 4a, Ab, Ac aufweist, denen Signale ausgang entstehende Schwebungssignal 7F10 wird herabgesetzten Pegels, wie folgt beschrieben, ent- nach Verstärkung, Begrenzung und Störbefreiung nommen werden können. einem zweiten Doppelzähler 11 »Höhe« zugeführt. Der erste dieser zusätzlichen Ausgänge4a ist mit 5 Außerdem liegen an diesem Zähler über la die dem Eingang einer festen Verzögerungsleitung 6 ver- Taktimpulsfolge und über 8 a die Impulse t₂ bzw. t₂' bunden, deren Verzögerung derart stabil und wert- und ^f ₄ bzw. t_t' an. Der Ausgang 11a liefert den Zählgenau ist, daß sie als Meßnormal dienen kann, wozu wert N₀ der Nulldurchgänge nach dem ersten NuIlihr Ausgang und ein weiterer zusätzlicher Ausgang 4 b durchgang t₂ bzw. <„', also zwischen t_s bzw. t₃' und der Koppelanordnung 4 mit dem Bezugsempfänger 7 to dem ersten Nulldufchgang nach t_t bzw. t₄' bei i₅ verbunden ist. Das Signal des zusätzlichen Ausgangs bzw. f₅'.

Ab dient für die Mischstufe des Bezugsempfängers 7 Einem Rechner 12 werden die von den Doppel-

als Signal des Mischstufenoszillators. Das Schwebungs- zählern 8 und 11 gelieferten Zählwerte N₀, N_R,, n_tc

signal am Ausgang der Mischstufe, das beim gewähl- und n_rc eingegeben. Fest eingegeben ist dabei eine

»5

störbefreit. Das so entstandene Signal VF 7 wird dann Verzögerung der Verzögerungsleitung, ausgedrückt in

einem Doppelzähler 8 »Normal« zugeführt. Wegstrecke. Der Rechner errechnet aus diesen Werten

Ebenfalls werden an diesen Doppelzähler angelegt die Höhe zu:
die Taktimpulsfolge und die Impulse t_x und //. Der ao

Zähler liefert an seinem Ausgang 8 a ein Ausgangs- Höhe = ^^R · -^- · -^-

signal mit den Impulsen t₂ bzw. I₂ und t_t bzw. t₄. 2 Nr n_te '
Es sei daran erinnert, daß t₂ bzw. f/ die Impulse

beim ersten Nulldurchgang der Schwebung nach I₁ Der Rechner gibt als Höhenwert am Ausgang 12 a

bzw. Z₁' sind und t₄ bzw. f/ die nächsten dem N_K-ten »5 einen Mittelwert aus Messungen bei einer vorgegebe-

Nulldurchgang folgenden Nulldurchgangsimpulse. Der nen Anza'll von Flanken des Modulationssignals. Um

Zähler 8 gibt an seinen 86- und 8 c-Ausgängen die den Doppler-Effekt-Einfiuß auszuschalten, muß diese

Zählwerte N_R und n_rc ab, wobei letzterer der Zähl- Anzahl eine gerade Zahl sein, oder sie muß so groß

wert der zwischen /₂ und t_t bzw. /₈' und t_A' aufge- sein, daß der dann verbleibende Fehler verhältnis-

tretenen Taktimpulse ist. 30 mäßig klein wird.

Das vom Boden reflektierte Signal wird von der Die gestrichelt gezeichneten Einheiten 13... 15 Empfangsantenne 9 (oder einem entsprechenden An- sind bei solchen Höhenmessern übliche Obertennensystem) dem Eingang des Höhensignalempfän- wachungs- und Alarmeinheiten, die für den Erfingers 10 zugeleitet, dessen Mischstufe als Mischoszil- dungsgegenstand ohne Bedeutung sind und deshalb latorsignal vom zusätzlichen Ausgang 4 c des Kopp- 35 in der Beschreibung übergangen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, FM-CW-Höbearoesser, bestehend aus einem mit einer DreieckweUe frequenzmodulierten Sen- $ der, einem ersten Empfänger, in dem eine erste Schwebungsfrequenz zwischen der am Erdboden reflektierten ausgesendeten Welle und einem vom Sender direkt entnommenen Signalanteil gebildet wird, einem zweiten Empfänger, in dem eine to zweite Schwebungsfrequenz zwischen dem vom Sender direkt entnommenen Signalanteil und diesem nach Zeitverzögerung in einer Verzögerungsleitung gewonnen wird, und je einem an die beiden Empfänger angeschlossenen Zähler, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochstabiler Taktgenerator (1) vorgesehen ist, dessen Ausgangsimpulsfolge einmal zur Erzeugung einer Streng symmetrischen Dreieckswelle mit linearen Flanken zur Frequenzmodulation des Senders (3) a° dient und ferner als Normal für eine quantisierte Zeitmessung verwendet wird, daß dabei die Höhenmessung nur während des streng linear verlaufenden Teiles der Flanken der Dreieckwelle dadurch erfolgt, daß der erste Zähler (11) »5 »Höhe«, als Doppelzähler ausgebildet, die Anzahl n_gc der Taktimpulse für eine möglichst große, auf den streng linear verlaufenden Teil der Flanken fallenden Anzahl /V₀ von ersten Schwebungen (am Ausgang dwS ersten Empfängers [10]) ermit- telt, während der zweite Zähler (8) »Normal«, als Doppelzähler ausgebildet, die auf eine Anzahl N_R von zweiten Schwebungen (a<n A isgang des zweiten Empfängers [7]) fallende Anzahl n_rc von Taktimpulsen als Normalwert ermittelt, daß ferner aus diesen Zählwerten mittels eines Rechners (12) Höhenwerte h zu

ist, der die zeitliche Konstanz der Zählwerte Nχ und Urt und damit die der Sendemittenfrequenz, des Frequenzhubes und der Folgefrequenz des modulierenden Signals Überwacht.