DE2128524B2 - Flugzeugnavigationsantennensystem - Google Patents

Description

)ie Erfindung bezieht sich auf ein Flugzeugnavigalsantennensystem zur gleichzeitigen Erfassung :ier Synchronsatelliten eines aeronautischen Satellisystems, unter Verwendung einer auf dem Flugzeug ;ebrachten, flächenhaft ausgebildeten und elektro

nisch phasengesteuerten Antenne mit mehreren Einzel-

^SUBeim Überqueren der Weltmeere ist ein Flugzeug nach Verlassen des Erfassungsbereichs der landgebundenen Luftraumüberwachung auf die Flugbahnbestimmung und deren Kontrolle durch seine Bordgeräte angewiesen. Durch die bisher üblichen Verfahren, wie Loran, Omega und Trägheitsnavigation - auch wenn sie ständig Verbesserungen erfahren — kann die Gefahr der Kollision nicht abgeschätzt und vermieden werden. Neben einer verbesserten Luftraumüberwachung sind außerdem die Fluggesellschaften aus Gründen einer verbesserten Wirtschaftlichkeit sehr daran interessiert, die Möglichkeit einer Nachrichtenübermittlung zu ihren Flugzeugen bereitgestellt zu bekommen.

Eine verbesserte Kontrolle des zivilen Luftverkehrs und eine zuverlässige Kommunikation über den Ozeanen ergibt sich durch Verfahren, die auf der Verwendung von Satelliten aufbauen. Innerhalb der verschiedenen Satellitensysteme hat sich das sogenannte sphärische Verfahren wegen der geringeren Systemkosten und der höheren Zuverlässigkeit als besonders vorteilhaft herausgestellt. Danach ist die Flugzeugposition durch den Schnittpunkt von drei Kugelschalen bestimmt. Die erste Kugelschale ist gegeben durch den Abstand des Flugzeuges vom Erdmittelpunkt. Festgestellt wird dieser Abstand aus Höhenmessungen an Bord des Flugzeuges. Die beiden anderen Kugelschalen sind definiert durch den Abstand des Flugzeuges zu /u ei synchronen Satelliten. Beispielsweise wird für die Atlantikroute die Winkeldistanz dieser beiden Satelliten ca. 40° sein. Es ist nun freigestellt, die Positionsinformation als unabhängige Luftraumüberwachung (active ranging) oder auch als passive Navigation durchzuführen.

Der Aufwand im Flugzeug ist am geringsten, wenn alle zur Ortsbestimmung erforderlichen Berechnungen nicht im Flugzeug, sondern von einer Rechenanlage der Bodenüberwachungsstation durchgeführt werden. An Hand von Fig. 1 wird die Cewinnung der hierfür benötigten Positionsdaten erläutert.

Ein Flugzeug F sendet nach Abfrage durch eine Bodenkontrollstation ßüber einen der beiden Satelliten Sl, S2, im gezeigten Beispiel den Satelliten Sl, bei einer einzigen Frequenz /sein phasenkohärentes Signal aus. das von den beiden Satelliten Sl und S 2 empfangen wird und nach einer Frequenzumsetzung phasengetreu an die Bodenstation B weitergegeben wird. Das Abfragesignal von der Bodenstation B, das vom Satelliten Sl an das Flugzeug F weitergesandt wird, wird auf einer anderen Frequenz /f übertragen. Aus der Phasendifferenz zwischen den beiden vom Flugzeug Fan die Satelliten Sl und S2 ausgesandten Signalen und der nach üblichen Verfahren gewonnenen Höhe h des Flugzeuges F über der Erdoberfläche und daraus berechnet dem Mittelpunkt der Erde E läßt sich die Position des Fügzeugs Fermitteln. Um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, wird das vom Flugzeug F ausgesandte Signal mit mehreren Tonfrequenzen moduliert. Die berechnete Fugzeugposition wird dem Flugzeug über einen der beiden Satelliten Sl und S2 mitgeteilt. Dieses Verfahren setzt die gleichzeitige Erfassung der beiden Satelliten Sl und S 2 durch die Antenne des Flugzeugs Fvoraus.

Von der Flugzeugantenne wird außerdem gefordert, Signale, die nicht auf direktem Weg zur Antenne gelangen, sondern auf Umwegen, z. B. nach Reflexion auf der Meeresoberfläche, möglichst zu unterdrücken.

Jirektes und reflektiertes Signal überlagern sich lämlich am Ort des Flugzeugs mit verschiedener und •eränderlicher Phase und verzögern oder verkleinern las resultierende Signal je nach Amplitude, Phase und »olarisation des reflektierten Signals. Im allgemeinen ist Jie Meeresoberfläche nicht vollkommen glatt. Dadurch irhält das reflektierte Signal den Charakter eines Signalrauschens. Mit zunehmender Rauhigkeit der See wird das reflektierte Signal außerdem diffus. Diffuses Mehrwegerauschen kann sich zum Empfängerrauschen jddieren und damit die Nachriehtenübertragungsstrekke Flugzeug—Satellit wesentlich verschlechtern.

Aus dem Aufsatz »How Computers align Phased-Array Radars« in der Zeitschrift »Electronics«. 15. November 1963, Seiten 29-33, und der US-Patentschrift 35 60 975 ist ein phasengesteuenes Antennensystem zur Erzeugung mehrerer voneinander unabhängiger unterschiedlich gerichteter Strahlen zur Verfolgung von Satelliten bekannt. Beim System nach der US-Patentschrift 35 60 975 ist dabei aut dem Flugzeug eine flächenhaft ausgebildete elektronisch phasengesteuerte Antenne mit mehreren Einzelstrahlern angebracht, die zur Strahlnachsteuerung auf zwei Satellitenpositionen phasenmäßig eingestellt werden. Die Steuerung der verschiedenen Ein/elstrahler erfolgt über Phasenschieber. In dieser Patentschrift isi eine Butler-Matrix erwähnt, mit der jedoch bei Ausdehnung dei Strahlerelemente über eine gekrümmte Oberfläche durch Abschaltung der Leistungszuführung zu den äußeren Strahlerelementen erreicht werden soll, daß sich auch bei starker Auslenkung des Strahles noch ein annehmbares Strahlungsdiagramm zur Aufrechterhaltung der Verbindung mit einem der Satelliten ergibt. Da bei dieser bekannten Anordnung zur Phaseneinstellung der Einzelstrahler Phasenschieber verwendet werden. läßt sich in nachteiliger Weise ein voneinander unabhängiger Betrieb zweier auf die Satelliten ausgerichteter Strahlen nicht erreichen. Es sind dort für die beiden Systeme zur Erzeugung der beiden Strahlen zur Verhinderung von Interferenzen unterschiedliche PoIarisationen erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Flugzeugantennensystem unter Verwendung phasengesteuerter Antenneneinrichtungen zu schaffen, so daß sich gleichzeitig zwei oder mehrere unabhängige Strahlen in verschiedenen Richtungen bei einer einzigen Frequenz und einer einzigen Polarisation bilden lassen und außerdem eine ausreichende Unterdrückung der Mehrwegesignale erreicht wird. Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Flugzeugnavigationsantennensystem der eingangs genannten Art bezieht, wird dies dadurch erreicht, daß die elektronisch phasengesteuerte Antenne zur Erzeugung mehrerer voneinander unabhängiger, unterschiedlich gerichteter Strahlen bei einer Betriebsfrequenz über eine Butler-Matrix phasenmäßig eingestellt wird, die aus einem Leitungsverteilernetzwerk aus entkoppelten Netzwerken und festen Phasendrehgliedern besteht und deren Zahl an Eingängen im allgemeinen der Anzahl der Einzelstrahler entspricht, so daß die maximal mögliche Anzahl von voneinander unabhängigen Strahlrichtungen mit der Strahlerzahi identisch ist, daß ein Bordrechner vorgesehen ist, der bei bekannter Flugbahn die Auswahl der richtigen Strahlrichtungen während des Fluges durch Einschalten des entsprechenden Eingangs der Butler-Matrix vornimmt und/oder daß ein Schwellwertdetektor vorgesehen ist, der aufeinanderfolgend alle Strahlrichtungen nach dem Kriierium optimaler Empfangsbedingungen untersucht und eine Einschaltung von denjenigen Eingängen der Bütler-Matrix auf den/die Senaer bzw. Empfänger bewirkt, die den optimalen Strahlrichtungen entsprechen.

Die Strahlrichtungen sind im Raum fixiert, also nicht S ständig optimal auf die Satellitenposition ausgerichtet Dadurch sind während de.» Fluges Variationen des Gewinns möglich. Die untere Pegelgrenze für eine Strahlumschahung ist im allgemeinen durch den Pegel im gemeinsamen Schnittpunkt zwischen den Strahlen jo definiert. Durch eine Berechnung der Kurven gleichen Gewinns für den Fall, daß alle Eingangsklemmen der Matrix gleichzeitig aktiviert sind, läßt sich der Erfassungsbereich der Amennensirahlen des betrachteten Systems ermitteln.

i$ Ein Antennensystem ohne Bezug auf eine Satellitenanwendung, jedoch unter Einschaltung einer Butler-Matrix zur Erzeugung mehrerer voneinander unabhängiger Strahlen ist aus »IRE Transactions on Antennas and Propagation«, Juli I %1. Seiten 350 - 352, bekannt. Grundsätzlich kann zur Strahlsteuerung die Matrix in der Hochfrequenzebene ode- η der Zwischenfrequenzebene liegen. Wird die Antenne von einem zentralen Sender gespeist, so ist eine Erreger-Matrix in der Hochfrequenzebene zweckmäßig. Die Leitungsverluste des Netzwerkes sind jedoch bei der Bestimmung des Systemgewinns zu berücksichtigen. Diese Verluste können vermieden werden, wenn sich hinter jedem Einzelstrahler ein aktives Sende-Empfangselemeni befindet und die Strahlsteuerung in der nachfolgenden Zwischenfrequenzebene durch eine geeignete Matrix durchgeführt wird.

Die in der Matrix vorgesehenen entkoppelten Netzwerke sind vorteilhaft 3-dB-Koppler. Ein solcher Koppler ist mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen versehen, wobei bei Speisung am einen Eingang an den beiden Ausgängen zwei phasenmäßig um 90° verschobene Signale abgegeben werden und bei Speisung am anderen Eingang ausgangsseitig eine zum vorhergenannten Speisefall umgekehrte Phasenlage entsteht. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:

F i g. 2 die Wirkungsweise eines 3-dB-Kopplers einer Butler-Matrix;

Fi g. 3 den Aufbau eines 3-dB-Kopplers; Fig. 4 die Erreger-Matrix (Butler-Matrix) einer ebenen Antennengruppe aus vier Strahlerelementen·, F i g. 5 die Phasenbedingung der Matrix nach F i g. 4: Fig.6 das Blockschaltbild eines Flugzeugtransponders zum Betrieb mit zwei Satelliten, wobei die Matrix des Antennensysnems in der Mikrowellenebene liegt, und

Fig. 7 das Blockschaltbild eines Flugzeugtransponders zum Betrieb mit zwei Satelliten, wobei die Matrix des Antennensystems in der Zwischenfrequenzebene

»egt·

In Fig.2 ist schematisch ein in der Butler-Matrix verwendeter 3-dB-Koppler dargestellt, der zwei Eingänge t und 2 sowie zwei Ausgänge a und b aufweist. Die Tabelle gibt die Amplitude und die Phasenlage der

Signale an den Ausgängen a und b an, wenn einer der beiden Eingänge 1 und 2 mit einer normierten Ampütudengrößt! 1 beaufschlagt wird. In jedem Fall steht an den beiden Ausgängen .i und b das i/j.'2-fache der normierten Amplitude an. Wird der Eingang

<>5 angesteuert, so sieht am Ausgang b ein gegenüber dem Ausgang a un, -40° phasenverschobenes Signal an. Eine umgekehrte Phasensituation an den Ausgängen a und b entsteht bei der Ansteuerung des Eingangs 2 des

3-dB-Kopplers.

In Fig.3 ist ein Schaltungsbeispiel eines solchen 3-dB-Kopplers in konzentrierter Schaltkreistechnik dargestellt. Er ist aus π-Gliedern aus Induktivitäten L und Kapazitäten C zusammengeschaltet. Die Bezeichnungen der Ein- und Ausgänge stimmen mit denjenigen in Fig.2 iiberein. In der Mikrowellentechnik wird ein solcher 3-dB-Koppler z.B. aus λ/4-Leitungselementen und entsprechenden Wellenwiderstandstransformatoren aufgebaut.

Fig.4 zeigt eine Erreger-Matrix (Butler-Matrix) einer ebenen Antennengruppe aus vier Strahlerelementen Ai, A₂, A₃ und A₄ zur Erzeugung von vier Strahlrichtungen. Sie besteht im wesentlichen aus vier zusammengeschalteten 3-dB-Kopplern 3,4,5 und 6. Die Eingänge der Matrix sind mit /1, /2, /3 und /4 bezeichnet. Angesteuert werden von der Matrix die Antennenelemente Ai, A₂, A₃ und A₄. Die für die Strahlauslenkung erforderlichen linearen Phasenprogressionen werden aus den Phasendreheigenschaften der 3-dB-Koppler 3, 4,5 und 6 abgeleitet.

Die Tabelle in F i g. 5 beinhaltet die Phasenbedingungen an den Antennenelementen Ai, A₂, A₃ und A₄ bei Beaufschlagung der verschiedenen Eingänge /1 bis k der Matrix. ²S

Bessere Ergebnisse als bei einer aus vier Elementen bestehenden Antenne werden durch eine Anordnung von 2x3 Elementen erzielt. Für einen minimalen Gewinn von etwa 5 dB einschließlich der Polarisationsverluste reicht es bereits aus, eine einzige Strahlergrup- pe dieser Konfiguration auf der Oberseite des Flugzeugrumpfes anzuordnen. Zweckmäßig werden als Einzelstrahler Kreuzschlitzantennen verwendet. Die Mehrwegesignalunterdrückung ist gut. denn im Bereich der niedrigen Elevationswinkel ist die Kreuzschlitzantenne im wesentlichen vertikal polarisiert. Sind höhere Gewinnwerte verlangt, so kann entweder auf beiden Seiten des Flugzeugrumpfes je eine Antenne dieser Art aus sechs Strahlerelementen angeordnet werden. Man kann jedoch auch andere Konfigurationen wählen, wie beispielsweise eine Gruppe aus 3x3 Elementen oder aus 4x4 Elementen, die auf der Oberseite des Flugzeugrumpfes angeordnet sind.

F i g. 6 zeigt das Blockschaltbild eines Flugzeugtransponders zum Betrieb mit zwei Satelliten, wobei die Matrix des Antennensystems in der Mikrowellenebene liegt. Die vorher in ihrer Funktionsweise beschriebene und jetzt mit 7 bezeichnete Matrix befindet sich unmittelbar hinter den Einzelstrahlern 8. Mikrowellenschalter 9 verbinden die durch eine Programmsteuerung und/oder Schwellwertsteuerung 10 definierten Matrixausgänge mit den für den Betrieb mit zwei Satelliten erforderlichen beiden Elektroniksystemen zur Signalverarbeitung. Die beiden Elektroniksysteme sind identisch und nur durch den Videokanal 11 und die Steuerung tO miteinander verbunden. Jede Einheit enthält einen Duplexer 12, der die Sendefrequenz fs von der Empfangsfrequenz ίε trennt Ein Lokaloszilator 13 speist den Mischer des Empfängers 14 und des Senders 15. Das Video-Empfangs- und -Sendesignal 16 ist in der Zwischenfrequenz fzFe und fzFs enthalten. Charakteristisch für dieses System ist die Anordnung der Matrix 7 in der Mikrowellenebene. Bei Verwendung von Keramiksubstraten als Trägermaterial der Mikrostripleitungen können die Leitungselemente klein gehalten werden. Außerdem können die Phasendrehglieder und die Hybridnetzwerke der Matrix, beispielsweise die 3-dB-Koppler, sehr einfach und exakt durch Leitungslängen realisiert werden. Für die Mikrowellenschalter 9 werden Diodenschalter verwendet. Hohlleiterschalter haben zwar wesentlich geringere Verluste, weisen jedoch größere Schaltzeiten auf. Der die Schwellwertsteuerung 10 betätigende Schwellwertdetektor 17, der sukzessive alle Strahlrichtungen nach dem Kriterium optimaler Empfangsbedingungen untersucht, bewirkt über die Hochfrequenzschalter 9 die Einschaltung der den optimalen Strahlrichtungen entsprechenden Eingänge der Butler-Matrix. Mit 18 sind Einrichtungen für die Datenein- und -ausgabe sowie für Kommunikationszwecke bezeichnet.

In Fig. 7 ist das Blockschaltbild eines Flugzeugtransponders zum Betrieb mit zwei Satelliten dargestellt, wobei die Phasendreh-Matrix 19 des Antennensystems in der Zwischenfrequenzebene liegt. Jedes Modul 20 hinter einem Einzelstrahler 21 der Flächenantenne enthält einen Duplexer 22 zur Trennung von Sendefrequenz /sund Empfangsfrequenz /f. Die Sendefrequenz fs wird durch Heraufmischen der Sendezwischenfrequenz fzFh in einem Mischer 23 erzeugt und in einem Leistungsverstärker 24 auf den gewünschten Pegel gebracht. Ein Lokaloszillator 25 speist neben dem Sendezweig auch einen Empfangsmischer 26. dem das empfangene Signal über einen Verstärker 27 zugeführt wird. Die Zwischenfrequenzen f/n und fzFe für Senden und Empfang können in einem weiteren Duplexer wieder vereinigt werden und der Matrix 19 zugeführt werden. Sind die daraus resultierenden Bandbreiteforderung^pn an die Matrix 19 nur schwerlich zu realisieren, so ist es sinnvoll, die Zwischenfrequenzen für Senden und Empfang nicht zusammenzuführen, sondern für jede Frequenz eine eigene Matrix vorzusehen. Ein Schaltersystem 28. das durch ein Bahndatenprogramm bei bekannter Flugbahn oder durch einen Schwellwertdetektor 29 zur aufeinanderfolgenden Untersuchung aller Strahlrichtungen nach dem Kriterium optimaler Empfangsbedingungen gesteuert wird, verbindet die Matrixausgänge direkt an die für den Betrieb mit zwei Satelliten erforderlichen Videokanäle 30 und 31. Die Betätigung der Schalter 28 in der Zwischenfrequenzebene geschieht durch die mit 32 bezeichnete Einrichtung zur Programmsteuerung aufgrund der vorbekannter Bahndaten und/oder zur Schwellwertsteuerung auf grand der Ansteuerung von Seiten des Schwellwertde tektors 29. Die an die Videokanäle 30 und 31 angeschlossene Einrichtung zur Datenein- und -ausgab« sowie zur Kommunikation ist mit 33 bezeichnet.

Der Flugzeugtransponder mit der Phasendrehmatrr in der Zwischenfrequenzebene zeigt gegenüber einen System mit der Matrix in der Mikrowellenebene eini Reihe technischer Vorteile, vor allem im Hinblick au einen möglichst hohen Systemgewinn bei Erzeugun; der Mikrowellenenergie mit Halbleiterelementen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Flugzeugnavigationsantennensystem zur gleichzeitigen Erfassung zweier Synchronsatelliten eines aeronautischen Satellitensystems, unter Verwendung einer auf dem Flugzeug angebrachten, flächenhaft ausgebildeten und elektronisch phasengesteuerten Antenne mit mehreren Einzelstrahlern, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronisch phasengesteuerte Antenne {A\ bis At, in F i g. 4;

8 in F i g. 6) zur Erzeugung mehrerer voneinander unabhängiger, unterschiedlich gerichteter Strahlen bei einer Betriebsfrequenz über eine Butler-Matrix (3, 4, 5, 6 in Fig.4; 7 in Fig.6) phasenmäßig eingestellt wird, die aus einem Leitungsverteilernetzwerk aus entkoppelten Netzwerken und festen Phasendrehgliedern besteht und deren Zahl an Eingängen (l\ bis h) im allgemeinen der Anzahl der Einzelstrahler (A\ bis Λ4) entspricht, so daß die maximal mögliche Anzahl von voneinander unabhängigen Strahlrichtungen mit der Strahlerzahl identisch ist, daß ein Bordrechner (18) vorgesehen ist. der bei bekannter Flugbahn die Auswahl der richtigen Strahlrichtungen während des Fluges durch Einschalten des entsprechenden Eingangs der Butler-Matrix (7) vornimmt und/oder daß ein Schwellwertdetektor (17) vorgesehen ist, der aufeinanderfolgend alle Strahlrichtungen nach dem Kriterium optimaler Empfangsbedingungen untersucht und eine Einschaltung von denjenigen Eingängen der Butler-Matrix (8) auf den/dis Sender (15) bzw. Empfänger (14) bewirkt, die den optimalen Strahlrichtungen entsprechen.

2. Flugzeugnavigationsantennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Speisung der Antenne von einem zentralen Sender (15) die Butler-Matrix (7) in der Hochfrequenzebene liegt.

3. Flugzeugnavigationsantennensystem nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß sich hinter jedem Einzelstrahler (21) ein aktives Sende-Empfangselement '20) befindet und daß die Butler-Matrix (19) in der Zwischenfrequenzebene liegt.

4. Flugzeugnavigationsantennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als entkoppeltes Netzwerk ein 3-dB-Koppler (F i g. 2 und 3) mit zwei Eingängen 1,

2) und zwei Ausgängen (a, b) vorgesehen ist, der bei Speisung am einen Eingang (z. B. 1) an den beiden Ausgängen (a, b) zwei um 90° in der Phase verschobene Signale abgibt und bei Speisung am anderen Eingang (z. B. 2) ausgangsseitig eine zum vorhergenannten Speisefall umgekehrte Phasenlage entstehen läßt.

5. Flugzeugnavigationsantennensystem nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einschaltung der Eingänge der Butler-Matrix (7) Diodenschalter (9) vorgesehen sind.

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