DE19506221B4 - Zweifrequenz-Sendevorrichtung für eine Instrumentenlandeanlage - Google Patents

Abstract

Zweifrequenz-Sendevorrichtung für eine Instrumentenlandeanlage mit zwei mit geringem Versatz ihrer Trägerfrequenzen arbeitenden, mit je zwei unterschiedlichen Tonfrequenzen (90 Hz, 150 Hz) amplitudenmodulierte Sendesignale ausgebenden Sendern (T_K, T_CL) und einer aus mindestens einer Strahlergruppe (ST1...n) gebildeten Antennenanordnung, deren Strahler (ST) über ein Leistungsverteilnetzwerk (V_CSB, V_SBO, S_CL) derart mit Träger- und/oder Seitenbandanteilen der Sendesignale gespeist werden, daß amplitudenmodulierte HF-Energie entgegen der Anflugrichtung in zwei unterschiedlich breite Winkelbereiche zu beiden Seiten einer den Anflugpfad enthaltenden Ebene abgestrahlt wird, derart, daß im engeren Winkelbereich die Feldstärke des einen Senders (T_K), im breiteren Winkelbereich die Feldstärke des anderen Senders (T_CL) überwiegt, und mit den einzelnen Tonfrequenzsignalen modulierte Signalanteile beider Sender zu beiden Seiten der Ebene mit unterschiedlichem, von der Abstrahlrichtung abhängigem und in Richtung auf die Ebene zu abnehmendem Modulationsgrad empfangen werden, wobei jeweils auf einer Seite der Ebene der Modulationsgrad der ersten Tonfrequenz, auf der anderen Seite der Ebene der Modulationsgrad der anderen Tonfrequenz...

Description

• Die Erfindung betrifft eine Zweifrequenz-Sendevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie in einer ILS-Landeanlage, vor allem zur Durchführung von sogenannten Kategorie III-Landungen eingesetzt wird.
• Zweifrequenz-Instrumentenlandeanlagen sind beispielsweise in dem Fachbuch "Funksysteme für Ortung und Navigation", herausgegeben von E. Kramar, erschienen 1973 im Verlag Berliner Union GmbH, Stuttgart und Verlag W. Kohlhammer GmbH, Stuttgart, Berlin, Köln, Mainz, insbesondere in Abschnitt 5.9.2, Seiten 196 ff beschrieben.
• Eine Zweifrequenz-Instrumentenlandeanlage besteht danach bodenseitig aus einer Landekurs-Sendevorrichtung zum Heranführen eines Flugzeuges an einen Flughafen und zur genauen azimutalen Führung beim Landevorgang, einer Gleitweg-Sendevorrichtung zur Vertikalführung des Flugzeuges bis zum Aufsetzen auf der Landebahn und zwei Einflugzeichensendern zur Übermittlung einer groben Abstandsinformation. Hierbei besteht zumindest die Landekurs-Sendevorrichtung aus zwei getrennten, mit geringem Versatz ihrer Trägerfrequenzen arbeitenden Sendern (Zweifrequenz-System). Vielfach ist auch die Gleitweg-Sendevorrichtung als ein solches Zweifrequenz-System ausgebildet.
• Nach den Vorschriften der International Civil Aviation Organization (ICAO) strahlt bei einer Zweifrequenz-Landekurssendevorrichtung einer der Landekursender im Bereich bis zu +35° beiderseits der (verlängerten) Landebahn-Mittellinie ein in seiner Mindestfeldstärke vorgegebenes sogenanntes "Rundumsigna1" (Clearance), der andere in Richtung der Landebahn-Mittellinie ein scharf gebündeltes Kurssignal (Course) ab. Beide Signale sind in ihrer Trägerfrequenz geringfügig gegeneinander versetzt und mit je zwei Tonfrequenzen (90 Hz, 150 Hz) moduliert. Die zur Modulation verwendeten Tonfrequenzen sind für Rundumsignal und Kurssignal gleich. Der Modulationsgrad ist für beide Tonfrequenzen zunächst ebenfalls gleich, die zur Abstrahlung verwendeten Antennen sind jedoch so ausgelegt, daß die zu beiden Seiten der Mittellinie entstehenden Strahlungsfelder die eine bzw. die andere Modulationsfrequenz in höherem Maß enthalten, so daß entlang der Mittellinie und ihrer Verlängerung eine senkrecht im Raum stehende Ebene gebildet wird, entlang derer die Modulationsanteile beider Tonfrequenzen gleich und ihre Differenz damit Null wird. Zu beiden Seiten dieser Ebene kann in einem Empfänger durch Vergleich der Modulationsanteile ein Kriterium (DDM = Difference of Depth of Modulation) gewonnen werden, das angibt, auf welcher Seite der Ebene sich der Empfänger befindet und das in einem kleinen Winkelbereich nahe dieser Ebene zusätzlich linear die Winkelentfernung zu dieser Ebene angibt.
• Der geringfügige Unterschied zwischen den Trägerfrequenzen des Rundumsignals und des Kurssignals bewirkt im Empfänger, daß das jeweils stärker einfallende Signal das schwächer einfallende Signal überproportional unterdrückt, den sogenannten Capture-Effekt. Das Feldstärkenverhältnis zwischen Rundumsignal und Kurssignal wird als "Capture-Ratio" bezeichnet und darf nach den derzeit gültigen ICAO-Vorschriften entlang der Landebahn-Mittellinie den Wert von 10 dB nicht unterschreiten.
• Der Capture-Effekt erlaubt, die Abstrahlung des Kurssignals auf einen engen, hindernisfreien Winkelbereich zu beiden Seiten der Mittellinie zu beschränken und die abgestrahlte Feldstärke so weit zu erhöhen, daß Störsignale, die z.B. durch Reflexion des Rundumsignals an beiderseits der Landebahn befindlichen Hindernissen entstehen können, unterdrückt werden. In der Praxis wird die Leistungserhöhung des Kurssignalssenders aber durch die Sendertechnik und durch das Erfordernis, Störungen der ILS-Landeanlagen anderer Flugplätze infolge von Überreichweiten zu vermeiden, begrenzt.
• Infolge der Indienststellung größerer Flugzeuge und der Größe von für solche Flugzeuge zu bauenden Hangars einerseits und infolge häufig herrschenden Flächenmangels, der die Flughafenplaner zwingt, Bauwerke näher an der Landebahn zu platzieren, andererseits, kann heute auch bei Zweifrequenz-ILS-Anlagen nicht mehr ausgeschlossen werden, daß einerseits die von der ICAO für Kategorie III vorgegebenen Sollwerte auf der Landebahn nicht eingehalten werden können und damit ein möglicherweise wichtiger Flughafen für Kategorie III-Landungen nicht zugelassen werden kann, und daß es andererseits im Fernfeld, also weit vor Beginn der Landebahn, zu Feldstärke- und DDM-Einbrüchen aufgrund von Überlagerungen von direkten und reflektierten Anteilen des Rundumsignals kommt. Da die solche Störungen hervorrufenden großen Bauwerke meist parallel zur Landebahn aufgebaut sind, treten die Störungen im Fernfeld unter umgekehrt gleichem Winkel auf der anderen Seite der Landebahn auf.
• Störungen im Bereich der Landebahn können, wie z.B. in der DE 42 06 327 A1 beschrieben, durch Phasenverschiebung der beiden Modulationsfrequenzen beider Subsysteme gegeneinander weitgehend beseitigt werden.
• Gegen Störungen im Fernfeld ist eine derartige Phasenverschiebung der Modulationsfrequenzen jedoch nur wenig wirksam, so daß als einzige Möglichkeit, derartige Störungen zu beseitigen oder wenigstens zu reduzieren, bleibt, ihre Ursache, die reflektierten Signale, zum Verschwinden zu bringen oder wenigstens deren Feldstärke herabzusetzen.
• Läßt sich das die Reflexionen verursachende Hindernis nicht beseitigen oder durch bauliche Maßnahmen in seinen Reflexionseigenschaften beeinflussen, so läßt sich die Feldstärke der reflektierten Signalanteile nur durch Herabsetzen der von der Sendeantenne in Richtung des Hindernisses abgestrahlten Leistung reduzieren.
• Nachdem die ins Fernfeld direkt abgestrahlte Leistung nicht verändert werden darf, muß die Sendeantenne so gestaltet werden, daß sie asymmetrisch mit einer reduzierten Strahlung in Richtung des Hindernisses abstrahlt. Die im Fernfeld wirksamen reflektierten Signalanteile sind damit in ihrer Feldstärke gegenüber den direkt eingestrahlten Signalanteilen abgeschwächt, so daß die dort infolge von Laufzeitunterschieden zwischen den verschiedenen Signalanteilen entstehenden Interferenzen zu keinen gefährlichen Abschwächungen des Empfangssignalpegels mehr führen können und damit auch geringere, akzeptierbare DDM-Schwankungen zu erwarten sind.
• Um eine asymmetrische Abstrahlung des Rundumsignals zu erreichen, wurde z.B. auf dem Flughafen Helsinki eine Antenne installiert, deren das Rundumsignal abstrahlende Elemente seitlich abgesetzt von der Landebahnmittellinie, entlang einer um 20° gegenüber der Senkrechten zur Landebahnmittellinie nach auswärts gedrehten Basislinie angeordnet wurden aber mit gegenseitiger Phasenverschiebung angesteuert werden, so daß die Hauptstrahlrichtung der zur Abstrahlung des Rundumsignals verwendeten Antennenkeule um 20° von der Antennenmittelachse aus zur Landebahn hin zurückgeschwenkt, parallel zur Landebahnmittellinie gerichtet ist. Die verwendete Antennenkeule besitzt dadurch ein asymmetrisches Diagramm und strahlt nach der Seite hin, auf der sich das reflektierende Objekt befindet, deutlich weniger Sendeleistung ab als in den entsprechenden Winkelbereich auf der anderen Seite.
• Die beschriebene bekannte Lösung ist durch die notwendigen Antennenaufbauten sehr aufwendig.
• Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Sendevorrichtung anzugeben, mit der ein asymmetrisches Strahlungsdiagramm erzeugt werden kann, ohne daß hierzu ein aufwendiger, asymmetrischer, zusätzlicher Antennenaufbau geschaffen werden muß.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wie auch durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 gelöst. Dabei ist die Lösung gemäß Patentanspruch 1 für eine Antenne mit einer Strahlergruppe, die sowohl das Kurssignal als auch das Rundumsignal abstrahlt, geeignet, während die Lösung gemäß Patentanspruch 2 getrennte Strahlergruppen für Kurssignal und Rundumsignal voraussetzt.
• Weiterbildungen der Sendevorrichtung nach der Erfindung, die in den Ansprüchen 3 bis 6 beschrieben sind, betreffen die Aufteilung der Signalanteile auf die einzelnen Strahler und die Einstellung dieser Signalanteile nach Amplitude und Phase, um ein gewünschtes asymmetrisches Antennendiagramm zu erhalten.
• Anhand mehrerer Figuren soll nun ein einfaches Ausführungsbeispiel der Sendevorrichtung nach der Erfindung beschrieben werden.
• Die Figuren zeigen im einzelnen:
• 1 ein Blockschaltbild eines Leistungsverteilnetzwerkes einer Sendevorrichtung mit integrierter Kurs-Rundumsignal-Antenne und einer einzigen Strahlergruppe,
• 2 ein entsprechendes Blockschaltbild für das Leistungsverteilnetzwerk einer von der Kursantenne getrennten Rundumsignal-Antenne,
• 3 zeigt im Bild 3a die Amplitudenwerte der von 6 Strahlern einer Rundumsignal-Strahlergruppe ausgegebenen CSB- und SBO-Signalanteile und in Bild 3b die Phasenlagen dieser Signalanteile für die einzelnen Strahler,
• 4 schließlich, zeigt ein asymmetrisches Antennendiagramm einer aus 6 Strahlern bestehenden Rundumsignal-Strahlergruppe mit getrennten Verläufen für Träger mit Seitenband-Signal CSB und für das reine Seitenbandsignal SBO.
• In 1 ist eine Strahlergruppe mit einer Reihe von Strahlern ST dargestellt, die symmetrisch zur Landebahnmittellinie LML einer Flughafen-Landebahn, entlang einer rechtwinklig zur Landebahnmittellinie verlaufenden Linie angeordnet sind. Die Strahler bilden drei Untergruppen S_KL, S_KR, S_KCL von denen die Untergruppe S_KCL die Mitte der gesamten Strahlergruppe bildet und die Untergruppen S_KL und S_KR als periphere Untergruppen zu beiden Seiten dieser Mittelgruppe plaziert sind. Die Strahler der Untergruppen S_KL und S_KR haben einen Abstand d_k voneinander und strahlen jeweils nur das Kurssignal K ab. Sie werden von einem Kurssignalsender T_K mit zwei Signalen CSB_K und SBO_K gespeist, von denen jeweils das erste Träger- und Seitenbandfrequenz (Carrier + Sideband), das zweite nur die Seitenbandfrequenz (Sideband only) enthält.
• Die Strahler der mittleren Untergruppe strahlen sowohl das Kurssignal K als auch das Rundumsignal Cl (Clearance) ab. Sie haben einen Abstand d_c voneinander und werden über Koppelleitungen K_v von den beiden seitlich gelegenen Untergruppen her mit dem Kurssignal, und über ein Leistungsverteilnetzwerk von einem Rundumsignalsender T_CL aus mit dem Rundumsignal gespeist. Der Rundumsignalsender liefert wie der Kurssignalsender zwei Signale CSB_CL und SBO_CL von denen das erste Träger- und Seitenbandfrequenz, das zweite nur die Seitenbandfrequenz enthält. Die Strahler der gesamten Strahlergruppe werden derart mit den CSB- und SBO-Signalen des Kurssignalsenders und des Rundumsignalsenders beaufschlagt, daß sich sowohl für das Kurssignal als für das Rundumsignal jeweils ein Summendiagramm (CSB) und ein Differenzdiagramm (SBO) ergibt, wie dies z.B. in 4 für das Rundumsignal dargestellt ist.
• Das Leistungsverteilnetzwerk für das Rundumsignal besteht aus zwei Vorverteilern U_CSB, V_SBO, die die beiden vom Rundumsignalsender T_CL gelieferten Signale getrennt voneinander auf jeweils einzelnen Strahlern zugeordnete Leitungen l_i und l_j aufteilen, und einem Hauptverteiler S_CL, der die über die Leitungen l_i und l_j eintreffenden Signale im jeweils vorausberechneten Verhältnis zusammenführt und über ein Summiernetzwerk S_KCL den Strahlern der mittleren Strahlergruppe zuführt. Die benötigten Phasenverschiebungen können durch unterschiedliche Längen der Leitungen l_i und l_j oder aber durch mit diesen verbundene, phasendrehende Bauelemente erzeugt werden. Die Einstellung der Signalamplituden erfolgt mit aktiven oder passiven Mitteln, von denen die passiven als Leistungsteiler oder Dämpfungsglieder, die aktiven auch als Verstärker arbeiten können. Auch die Signal CSB_K und SBO_K des Kurssignalsenders T_K sind in 1 zunächst auf Vorverteiler V_CSB und V_SBO geführt. Sie speisen von dort aus jeweils über Leitungen K1, ..., Km die Strahler der peripheren Untergruppen S_KL und S_KR und die zur mittleren Strahlergruppe weiterführenden Koppelleitungen K_V. Von den Strahlern der peripheren Gruppen können insbesondere weit von der Antennenmitte entfernt angeordnete Strahler auch nur eines der Kurssignale abstrahlen.
• In 2 ist eine für das Rundumsignal eingesetzte separierte Strahlergruppe mit ihrer Leistungsversorgung dargestellt. Die das Kurssignal abstrahlende Strahlergruppe arbeitet völlig unabhängig von der dargestellten Strahlergruppe und ist deshalb in 2 nicht wiedergegeben.
• Die in 2 mit 6 Strahlern ausgestattete Strahlergruppe wird, wie in 1, von einem Rundumsignalsender T_CL über zwei die Signale CSB und SBO getrennt voneinander einstellende Vorverteiler V_CSB und U_SBO und eines Hauptverteiler S_CL versorgt. Die Anzahl der Strahler kann auch kleiner oder größer und für CSB und SBO unterschiedlich groß sein.
• In 3 sind beispielsweise Amplitudenwerte (3a) und Phasenwerte (3b) der Signale CSB und SBO für die einzelnen Strahler einer aus 6 Strahlern bestehenden Antennengruppe für das Rundumsignal dargestellt. Diese sind Ergebnis eines Berechnungsbeispiels, dem ein in 4 wiedergegebenes, gewünschtes asymmetrisches Antennendiagramm zugrundegelegt wurde.
• Die Signalpegel für das CSB-Signal wie auch für das SBO-Signal zeigen innerhalb des vorgeschriebenen Winkelbereiches von –35° bis +35° eine deutliche Asymmetrie, die dazu führt, daß die in den in 4 linken Grenzbereich des vorgeschriebenen Winkelbereichs gestrahlte Leistung bis zu 6 dB niedriger ist als die in den entsprechenden rechtsseitigen Bereich ausgestrahlte Leistung.

Claims (5)

1. Zweifrequenz-Sendevorrichtung für eine Instrumentenlandeanlage mit zwei mit geringem Versatz ihrer Trägerfrequenzen arbeitenden, mit je zwei unterschiedlichen Tonfrequenzen (90 Hz, 150 Hz) amplitudenmodulierte Sendesignale ausgebenden Sendern (T_K, T_CL) und einer aus mindestens einer Strahlergruppe (ST1...n) gebildeten Antennenanordnung, deren Strahler (ST) über ein Leistungsverteilnetzwerk (V_CSB, V_SBO, S_CL) derart mit Träger- und/oder Seitenbandanteilen der Sendesignale gespeist werden, daß amplitudenmodulierte HF-Energie entgegen der Anflugrichtung in zwei unterschiedlich breite Winkelbereiche zu beiden Seiten einer den Anflugpfad enthaltenden Ebene abgestrahlt wird, derart, daß im engeren Winkelbereich die Feldstärke des einen Senders (T_K), im breiteren Winkelbereich die Feldstärke des anderen Senders (T_CL) überwiegt, und mit den einzelnen Tonfrequenzsignalen modulierte Signalanteile beider Sender zu beiden Seiten der Ebene mit unterschiedlichem, von der Abstrahlrichtung abhängigem und in Richtung auf die Ebene zu abnehmendem Modulationsgrad empfangen werden, wobei jeweils auf einer Seite der Ebene der Modulationsgrad der ersten Tonfrequenz, auf der anderen Seite der Ebene der Modulationsgrad der anderen Tonfrequenz überwiegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenanordnung aus einer symmetrisch zur Landebahnmittellinie (LML) aufgebauten Strahlergruppe mit entlang einer rechtwinklig zur Landebahnmittellinie verlaufenden Linie angeordneten Strahlern (ST) besteht, daß das Leistungsverteilnetzwerk Steuermittel zur Veränderung von Amplitude und Phasenlage der an einzelne Strahler abgegebenen Träger- und Seitenbandsignalanteile des in den breiteren Winkelbereich strahlenden Senders (T_CL) enthält, welche so entsprechend vorberechneten Werten eingestellt sind, daß sich zueinander passende, eine gewünschte Asymmetrie zeigende Diagramme für die Antennenanordnung ergeben.
2. Zweifrequenz-Sendevorrichtung für eine Instrumentenlandeanlage mit zwei mit geringem Versatz ihrer Trägerfrequenzen arbeitenden, mit je zwei unterschiedlichen Tonfrequenzen (90 Hz, 150 Hz) amplitudenmodulierte Sendesignale ausgebenden Sendern (T_K, T_CL) und einer aus mindestens einer Strahlergruppe (ST1...6) gebildeten Antennenanordnung, deren Strahler (ST) über ein Leistungsverteilnetzwerk (V_CSB, U_SBO, S_CL) derart mit Träger- und/oder Seitenbandanteilen der Sendesignale gespeist werden, daß amplitudenmodulierte HF-Energie entgegen der Anflugrichtung in zwei unterschiedlich breite Winkelbereiche zu beiden Seiten einer den Anflugpfad enthaltenden Ebene abgestrahlt wird, derart, daß im engeren Winkelbereich die Feldstärke des einen Senders (T_K), im breiteren Winkelbereich die Feldstärke des anderen Senders (T_CL) überwiegt, und mit den einzelnen Tonfrequenzsignalen modulierte Signalanteile beider Sender zu beiden Seiten der Ebene mit unterschiedlichem, von der Abstrahlrichtung abhängigem und in Richtung auf die Ebene zu abnehmendem Modulationsgrad empfangen werden, wobei jeweils auf einer Seite der Ebene der Modulationsgrad der ersten Tonfrequenz, auf der anderen Seite der Ebene der Modulationsgrad der anderen Tonfrequenz überwiegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenanordnung aus zwei symmetrisch zur Landebahnmittellinie, hintereinander angeordneten Strahlergruppen mit jeweils entlang einer zur Landebahnmittellinie (LML) senkrecht verlaufenden Linie angeordneten Strahlern (ST) besteht, von denen eine über ein erstes Leistungsverteilnetzwerk vom ersten Sender gespeist wird und in den engeren Winkelbereich strahlt und die zweite (ST1...6) über ein zweites Leistungsverteilnetzwerk (V_CSA, V_SBO, S_CL) vom zweiten Sender (T_CL) gespeist wird und in den weiteren Winkelbereich strahlt, daß das zweite Leistungsverteilnetzwerk Steuermittel zur Veränderung von Amplitude und Phasenlage der an einzelne Strahler der zweiten Strahlergruppe abgegebenen Träger- und Seitenbandsignalanteile des zweiten Senders enthält, welche so entsprechend vorberechneten Werten eingestellt sind, daß sich zueinander passende, eine gewünschte Asymmetrie zeigende Diagramme für die Antennenanordnung ergeben.
3. Zweifrequenz-Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein oder mehrere Strahler, die zu beiden Seiten der Landebahnmittellinie (LML) angeordnet sind und den weitesten Abstand zu dieser haben, nur von dem in den engeren Winkelbereich strahlenden Sender (T_K), die anderen, in geringerem Abstand zur Landebahnmittellinie angeordneten Strahler sowohl von dem in den engeren Winkelbereich strahlenden Sender als auch von dem in den weiteren Winkelbereich strahlenden Sender gespeist werden, und daß die von dem in den weiteren Winkelbereich strahlenden Sender stammenden Signalanteile den damit gespeisten Strahlern mit unterschiedlichen aber symmetrisch in bezug auf die Strahlergruppenmitte abgestuften Signalamplituden aber mit unsymmetrisch in bezug auf die Strahlergruppenmitte eingestellten Phasenlagen zugeführt werden.
4. Zweifrequenz-Sendevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch. gekennzeichnet, daß den Strahlern der von dem in den weiteren Winkelbereich strahlenden Sender gespeisten Strahlergruppe (ST1...6) ihre Signale mit symmetrisch in bezug auf die Strahlengruppenmitte abgestuften Signalamplituden aber mit unsymmetrisch in bezug auf die Strahlergruppenmitte eingestellten Phasenlagen zugeführt werden.
5. Zweifrequenz-Sendevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuermittel in den Leistungsverteilnetzwerken aktive und/oder passive Dämpfungsmittel, Leistungsteiler und Phasenschieber eingesetzt sind.