DE2007460A1

DE2007460A1 - Entfernungsmeßeinrichtung für Luftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2007460A1
Application number: DE19702007460
Authority: DE
Inventors: Charles William Hampstead London; Overbury Francis Giles Cuffley Hertfordshire; Earp (Großbritannien)
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1969-02-21
Filing date: 1970-02-18
Publication date: 1970-09-10
Also published as: US3633204A; FR2031586A1; GB1232567A; FR2031586B1; DE2007460C3; DE2007460B2

Description

Dipl.-Phys. Leo Thul onm/eri

Patentanwalt / U U / H D U

Stuttgart - 30
Kurze Strasse 8

C.W. Earp - P.G. Overbury 142 - 4

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Entfernungsmeßeinriehtung für Luftfahrzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf eine Entfernungsmeßeinrichtung, mit der beispielsweise in Flugzeugen ihre Entfernung von einem Anflug-Punkfeuer bestimmt werden kann.

In einer älteren Anmeldung (P 19 35 739.2) ist eine Entfernungsmeßeinrichtung beschrieben worden, bei der von einer Bodenstation von zwei entfernten Punkten zwei um einen festen Betrag verschiedene Frequenzen ausgestrahlt werden und bei dem empfangsseitig die Entfernung aus der Proportionalität des Reziprokwertes der Phasendifferenz der Schwebungsfrequenzen der ausgesendeten Frequenzen bestimmt wird, die an zwei verschiedenen Orten im Flugzeug empfangen werden.

Eine solche Anlage arbeitet mit zufriedenstellender Genauigkeit in einem Entfernungsbereich von 40 : 1 und ist für manche Aufgaben auch ausreichend; wenn man aber bei solchen Annäherungsfunkfeuern auch eine Entfernungsmessung auf der Landebahn mit einbeziehen wollte, so würde sich bei diesem System die Notwendigkeit ergeben, Phasenmehrdeutigkeiten von mehr als 360° aufzulösen.

Ktz/Gr

17. Pebr. 1970

009817/1431

C.W. Earp 142 - 4

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfache Entfernungsmeßeinrichtung Boden/Bord anzugeben, bei der Mehrdeutigkeiten vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Entfernungsmeßeinrichtung für Luftfahrzeuge, bei der von einer Bodenstation um eine feste Frequenz unterschiedliche Hochfrequenzen von zwei räumlich voneinander entfernten Strahlungsquellen ausgesendet werden, und im Luftfahrzeug von zwei entsprechend der Anordnung der Strahlungsquellen der Bodenstation aufgebauten Empfangsantennen beide von der Bodenstation ausgestrahlte Hochfrequenzen empfangen und in je einem jeder Empfangsantenne zugeordnete Empfänger ihre Schwebungsfrequenz gebildet wird, eingesetzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß entweder der Abstand der Strahlungsquellen der Bodenstation oder der der Empfangsantennen des Luftfahrzeuges gegeneinander periodisch verändert wird, und daß aus den sich hierdurch ändernden Schwebungsfrequenzen die Frequenzdifferenz gebildet und als Maß für die Entfernung Bodenstation - Luftfahrzeug die Periodendauer der Üifferenzfrequenz ausgewertet wird.

Die periodische Veränderung des Abstandes der beiden Strahlungsquellen am Boden oder der beiden Empfangsantennen kann durch eine einseitig gerichtete simulierte Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit einer der Strahlungsquellen oder der Empfangsantennen oder durch eine zweiseitig gerichtete, d.h. eine hin- und hergehende simulierte Bewegung mit ebenfalls konstanter Geschwindigkeit erreicht werden. Hierdurch werden nicht nur Mehrdeutigkeiten vermieden, es erlaubt auch die Entfernungsbestimmung aus der Differenz der Schwebungsfrequenzen den Einsatz von digitalen Zählmethoden. Aber auch

009837/1433

2007A60

C.W. Earp 142 - 4

im Analogverfahren kann eine solche Messung mit hoher Genauigkeit erfolgen.

Überdies ist bei manchen Annäherungsfunkfeuern, beispielsweise auch bei dem in einer weiteren, älteren Anmeldung (P 19 46 IO8.6) vorgeschlagenen Gleitwegsystem, bereits eine periodische Veränderung des Abstandes der Strahlungsquellen bei Ausstrahlung von zwei etwas verschiedenen Frequenzen vorgesehen, so daß die zusätzliche Entfernungsmessung an Bord der Flugzeuge ohne jegliche Zusatzgeräte bei der Bodenstation vorgenommen werden kann.

Die Erfindung wird anhand von Beispielen und Zeichnungen näher erläutert; die einzelnen Figuren stellen schematisch dar:

Fig. 1 bis 4 Ausführungsbeispiele der Entfernungsmeßeinrichtung mit periodischer Veränderung des Abstandes zweier Strahlungsquellen bei der Boden-Sendestation

und

Fig. 5 und 6 Ausführungsbeispiele der Entfernungsmeß-• einrichtung mit periodischer Veränderung des Abstandes der Empfangsantennen in der Empfangsstation an Bord von Flugzeugen.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Boden-Sendestation enthält eine feststehende Antenne 1, die Hochfrequenzenergie der Frequenz (F - f) als kontinuierliche Welle eines Generators 2 ausstrahlt. Es ist ferner ein aus mehreren Einzelstrahlern in gleichmäßigem Abstande bestehendes, lineares Antennensystem vorgesehen, von dem die Einzelstrahler 3, 4, 5 und 6 gezeichnet sind; jeder Einzelstrahler ist

009837/1433 /

C.W. Earp 142 - 4

mittels einer Speiseleitung, beispielsweise 7, mit einem Kommutator 8 verbunden, der an einen Generator 9 der Frequenz P angeschlossen ist, und der von einem Niederfrequenzgenerator 10 gesteuert wird; die von der feststehenden Antenne 1 ausgestrahlte Frequenz hat also von der Frequenz, die das lineare Antennensystem ausstrahlt, einen festen Frequenzunterschied f.

So werden also kontinuierliche Hochfrequenzsignale der Frequenz F des Generators 9 nacheinander und in zyklischer Folge über den Kommutator 8 und die entsprechenden Speiseleitungen den Einzelstrahlern des linearen Antennensystems zugeführt, so daß eine einseitig gerichtete Bewegung einer Strahlungsquelle mit konstanter Geschwindigkeit simuliert wird; der Kommutator 8 wird vom Niederfrequenzgenerator 10 gesteuert.

Eine bewegliche Empfangsstation (in einem Flugzeug) enthält zwei getrennte Empfänger 11 und 12, deren zugehörige Empfangsantennen 13 bzw. 14 an verschiedenen Stellen montiert sind, und jede empfängt beide ausgestrahlten Frequenzen der Bodenstation, so daß in jedem Empfänger eine Schwebungsfrequenz entwickelt werden kann.

Da der Abstand der Antennen der Bodenstation periodisch variiert wird, erfahren die in den Empfängern aufgenommenen Signale infolge der simulierten Bewegung der Strahlungsquelle des linearen Antennensystems eine Dopplerverschiebung, und zwar ist die von dem einen Empfänger wahrgenommene Dopplerverschiebung entgegengesetzt zu der Dopplerverschiebung, wie sie vom anderen Empfänger wahrgenommen wird.

In jedem Empfänger sind Mittel vorgesehen, um die Schwebungsfrequenz der beiden Hochfrequenzen zu ermitteln, die £*

009837/U33

C.W. Earp ]Λ2 -

proportional zum Richtungswinkel von der Bodenstation ist. In der Empfangsstation sind ferner Mittel (15) vorgesehen, um die Differenz der beiden Schwebungsfrequenzen zu ermitteln, die #* dem Reziprokwert der Entfernung proportional ist.

Die Ermittlung der Schwebungsfrequenz sowie die Bestimmung ihrer Differenzfrequenz mit analogen oder digitalen "Verfahren sind bekannt, und eine ins einzelne gehende Beschreibung der Schaltung wird in diesem Zusammenhang daher für nicht notwendig erachtet.

Die übrigen noch zu beschreibenden Ausführungsbeispiele beruhen auf dem gleichen Grundprinzip, nämlich auf der periodischen Abstandsänderung entweder der Strahlungsquellen bei der Bodenstation (Fig. 1 bis 4) oder der Empfangsantennen an Bord der Plugzeuge (Pig. 5 und 6), der Aussendung zweier verschiedener Frequenzen und der Bestimmung der Differenzfrequenz zwischen den beiden Schwebun^ssignalen auf der Empfangsseite.

Wo es angängig ist, sind in allen Figuren für die gleichen Apparateteile oder die gleichen Punktionen auch die gleichen Bezugszahlen verwendet worden, und die folgende Beschreibung ist in der Hauptsache darauf abgestellt, die verschiedenen Arten der periodischen Abstandsänderungen der Strahlungsquellen oder der Empfangsantennen zu erläutern.

Die Bodenstation gemäß Fig. 2 enthält wieder die feststehende Antenne 1 und das aus den Einzelstrahlern 3* ^* 5 und 6 bestehende lineare Antennensystem, das mit dem Kommutator 8 verbunden ist, der vom Niederfrequenzgenerator 10 gesteuert wird. In diesem AusfUhrungsbeispiel ist eine nach beiden Seiten gehende Abtastung des Antennensystems vorgesehen, um eine hin- und hergehende Bewegung einer Strahlungsquelle zu simulieren. Die vom Antennensystem ausgestrahlte, vom Generator 9 gelieferte Hochfrequenzenergie hat eine konstante Frequenz Pj

009837/U33 ,

C.W. Earp 142 - 4

die von der feststehenden Antenne 1 auszustrahlende Frequenz muß jeweils bei Umkehrung der Abtastrichtung des Antennensystems zwischen zwei Werten, die um den gleichen Betrag f oberhalb (bzw. unterhalb) und unterhalb (bzw. oberhalb) der vom Antennensystem ausgestrahlten Frequenz F liegen, umgeschaltet werden, wenn erreicht werden soll, daß Dopplerverschiebung der Schwebungsfrequenz hinsichtlich der Frequenz nur nach einer Seite gerichtet ist. Dementsprechend sind zur Speisung der feststehenden Antenne 1 zwei Generatoren für Hochfrequenzenergie 2 A (Frequenz F + f) und 2 B (Frequenz F - f) vorgesehen. Die Frequenzen werden abwechselnd bei jeder Halbperiode der Abtastung des Antennensystems ausgestrahlt; diese Tatsache ist in Fig. 2 durch einen Umschalter 16 symbolisiert, der vom Niederfrequenzgenerator 10 gesteuert wird, was durch die gestrichelt gezeichnete Linie 17 angedeutet ist. Diese Darstellung ist rein schematisch und deutet an, daß in der Praxis die drei benötigten Frequenzen (F, (F + f), (F - f)) aus einem einzigen Generator durch Seitenbanderzeugung (Modulation) hergestellt werden (oberes und unteres Seitenband einer Modulationsfrequenz).

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. J5 strahlt die feststehende Antenne 1 eine konstante Frequenz (F) aus, und es wird eine nach beiden Seiten gerichtete Abtastung der Einzelstrahler 3, 4, 5 und 6 des Antennensystems mit konstanter Geschwindigkeit vorgenommen, wobei synchron bei jeder Halbperiode der Abtastung Generatoren 9 A und 9 B mit den Frequenzen (F + f) bzw. (F - f) mittels des Umschalters 16, der vom Niederfrequenzgenerator 10 gesteuert (17) wird, angeschaltet werden.

In Fig. 4 ist wieder die feststehende Antenne 1 und das aus den Einzelstrahlern 3, ^* 5 und 6 bestehende Antennensystem dargestellt, das hin- und hergehend mit konstanter Geschwindigkeit abgetastet wird. Bei diesem AusfUhrungsbeispiel

009837/1433

C.W. Earp 142 - 4

werden nur zwei Frequenzen (F + f) und (F - f) zur Ausstrahlung gebracht« die bei jeder Halbperiode der Abtastung zwischen der feststehenden Antenne 1 und dem Antennensystem vertauscht werden. Dazu brauchen nur zwei Generatoren 2 und für die Frequenzen (F + f) bzw. (F - f) vorgesehen zu sein; die mit der Abtastung synchrone Vertauschung ist in der Fig. 4 durch die miteinander gekuppelten Schalter 16A und 16 B symbolisiert« die vom Niederfrequenzgenerator 10 gesteuert werden.

In den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 5 und 6 ist der Abstand der von den Generatoren 2 und 9 gespeisten Antennen 1 und 3 fest, und es wird der Abstand zwischen den Empfangsantennen periodisch verändert. Die Antennen 1 und der Bodenstation strahlen verschiedene Frequenzen aus.

Gemäß Fig. 5 ist ein Empfänger 11 an eine feststehende Antenne 1> angeschlossen, während ein zweiter Empfänger mit einem aus Einzelantennen 14 A bis 14 N bestehenden Antennensystem über einen Kommutator 19 und über Speiseleitungen 18 verbunden ist; der Kommutator 19 wird von einem Niederfrequenzgenerator 20 derart gesteuert, daß jede der Einzelantennen 14 nacheinander mit dem Empfänger 12 verbunden wird/ wobei eine einseitig gerichtete oder hin- und hergehende Abtastung mit konstanter Geschwindigkeit erreicht werden kann.

Gemäß Flg. 6 ist jedem Empfänger 11 und 12 ein lineares Antennensystem mit Einzelantennen 15 A bis 15 N bzw. 14 A bis 14 N in gleichmäßigen gegenseitigen Abständen zugeordnet; jede der Einzelantennen wird Über Kommutatoren 19 A bzw. 19 B, die vom Niederfrequenzgenerator 20 gesteuert werden, nacheinander alt den Empfängern 11 bzw. 12 verbunden; die Steuerung der Kommutatoren 19 A und 19 B erfolgt derart,

009837/1433

C.W. Earp 142 - 4

daß eine einseitig gerichtete, aber auf den beiden Antennensystemen gegenläufige Abtastung erreicht wird.

Wenn in der Bodenstation die Sendeantennen übereinander montiert sind, wodurch eine Veränderung der Schwebungsfrequenz in Abhängigkeit vom Elevationswinkel entsteht, müssen die Empfangsantennen in gleichem Sinne, d.h. übereinander, montiert sein. Ein solches System hat den Vorteil, daß in den Plugzeugen, unabhängig vom gesteuerten Kurs, immer die Entfernung bestimmt werden kann.

Wenn jedoch das System für den Anflug von Flugzeugen auf eine Landebahn benutzt werden soll, ist es zweckmäßig, ein horizontales, kommutlertes Antennensystem zu verwenden, das, als Querstrahler ausgebildet, zur Azimutbestimmung verwendet wird. Unter diesen Umständen werden in den Plugzeugen nach vorn gerichtete Antennen verwendet, die einen gewissen Abstand in der Horizontalebene haben.

12 Patentansprüche
2 Bl. Zeichnungen, 6 Fig.

009837/U33

Claims

C.W. Earp - P.G. Overbury 142 - 4

Patentansprüche

Entfernungsmeßeinrichtung für Luftfahrzeuge, bei der von einer Bodenstation um eine feste Frequenz unterschiedliche Hochfrequenzen von zwei räumlich voneinander entfernten Strahlungsquellen ausgesendet werden, und im Luftfahrzeug von zwei entsprechend der Anordnung der Strahlungsquellen der Bodenstation aufgebauten Empfangsantennen beide von der Bodenstation ausgestrahlte Hochfrequenzen empfangen und in je einem jeder Empfangsantenne zugeordneten Empfänger ihre Schwebungsfrequenz gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Abstand der Strahlungsquellen der Bodenstation oder der der Empfangsantennen des Luftfahrzeuges gegeneinander periodisch verändert wird, und daß aus den sich hierdurch ändernden Schwebungsfrequenzen die Prequenzdifferenz gebildet und als Maß für die Entfernung Bodenstation - Luftfahrzeug die Periodendauer der Differenzfrequenz ausgewertet wird.

2. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht verändertem Abstand der Empfangsantennen die erste Strahlungsquelle der Bodenstation feststeht, und daß die zweite Strahlungsquelle dadurch beweglich gemacht ist, daß ein aus einer Mehrzahl von Einzelstrahlern bestehendes lineares Antennensystem vorgesehen ist, dessen Einzelstrahler nacheinander und in periodischer Folge erregt werden.

Ktz/Or

17. Febr. I97O

009837/U33

C.W. Earp 142 - 4

35. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Einzelstrahler derart erfolgt, daß eine einseitig gerichtete Bewegung der zweiten Strahlungsquelle mit konstanter Geschwindigkeit simuliert wird.

4. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Einzelstrahler des linearen Antennensystems derart erfolgt, daß eine zweiseitig gerichtete Bewegung der zweiten Strahlungsquelle mit konstanter Geschwindigkeit simuliert wird, und daß jeweils bei Umkehrung der Bewegungsrichtung (Halbperiode der Abtastung) die erste Hochfrequenz für die Speisung der ersten, feststehenden Strahlungsquelle zwischen zwei, um den festen Betrag oberhalb (bzw. unterhalb) und unterhalb (bzw. oberhalb) von der zweiten Hochfrequenz für die Speisung des Antennensystems liegenden Frequenzwerten umgeschaltet wird.

5. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Einzelstrahler derart erfolgt, daß eine zweiseitig gerichtete Bewegung der zweiten Strahlungsquelle mit konstanter Geschwindigkeit simuliert wird, daß Jeweils bei Umkehrung der Bewegungsrichtung (Halbperiode der Abtastung) die zweite Hochfrequenz für die Speisung der ersten, feststehenden Strahlungsquelle abliegenden Prequenzwerten umgeschaltet wird, und daß die erste Hochfrequenz einen festen Prequenzwert hat.

009837/1433

C.W. Earp 142 - 4

6. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der feststehenden Strahlungsquelle und des linearen Antennensystems nur die beiden, um den feststehenden Betrag von der ersten Hochfrequenz abliegenden Frequenzwerte verwendet werden, und daß jeweils bei Umkehrung der Bewegungsrichtung (Halbperiode der Abtastung) die beiden Prequenzwerte vertauscht werden.

7. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstantem Abstand der Strahlungsquellen bei der Boden-Sendestation eine der Empfangsantennen feststeht, und daß die zweite Empfangsantenne dadurch beweglich gemacht ist, daß ein aus einer Mehrzahl von Einzelantennen in gleichem Abstande bestehendes lineares Antennensystem vorgesehen ist, dessen Einzelantennen nacheinander und in zyklischer Folge mit dem entsprechenden Empfänger verbunden werden.

8. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine einseitig gerichtete Bewegung der zweiten Empfangsantenne mit konstanter Geschwindigkeit simuliert wird.

9. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweiseitig gerichtete Bewegung der zweiten Empfangsantenne mit konstanter Geschwindigkeit simuliert wird.

10. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstantem Abstand der Strahlungsquellen bei der Boden-Sendestation beide Empfangsantennen dadurch beweglich gemacht sind, daß zwei aus einer Mehrzahl von Einzelantennen in gleichem Abstande bestehende lineare

009837/U33 ·/.

C.W. Earp 142 - 4

Antennensysteme vorgesehen sind, deren Einzelantennen nacheinander und in zyklischer Folge mit dem zugehörigen Empfänger verbunden werden, derart, daß eine gegenläufige, einseitig gerichtete Bewegung jeweils einer einzelnen Empfangsantenne auf den beiden linearen Antennensystemen simuliert wird.

11. Entfernungsmeßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Strahlungsquellen der Bodenstation als auch die Empfangsantennen an Bord der Plugzeuge in einer Horizontalebene aufgebaut sind.

12. Entfernungsmeßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Strahlungsquellen der Bodenstation als auch die Empfangsantennen an Bord der Plugzeuge in einer Vertikalebene aufgebaut sind.

009837/U33

, ³ ·♦

Leerseite