DE2161520A1

DE2161520A1 - Doppler-ILS-System

Info

Publication number: DE2161520A1
Application number: DE19712161520
Authority: DE
Inventors: Henri Bretigny sur Orge; Letoquart Bruno Paris; Becavin (Frankreich)
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1970-12-11
Filing date: 1971-12-10
Publication date: 1972-06-22
Also published as: GB1343308A; US3787861A; NL7116864A; FR2119826A1; FR2119826B1

Description

Doppler-ILS-Systein

Das Doppler-ILS-Lanüehilfesystera weist gegenüber dem klassischen ILS-System den Vorteil auf, daß keine Lande-Anflugbahn vorgeschrieben ist: Dem Flugzeug bleibt die Wahl seines Höhenwinkels und seines Seitenwinkels frei.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung, . welche die Verbesserung der Genauigkeit des Systems ohne Vergrößerung der Meßdauer oder der besetzten Bandbreite ermöglicht. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht . die Erzielung einer sehr guten Genauigkeit unter Beibehaltung einer vernünftigen Ausdehnung der Antenne auf dem Boden.

Nach der Erfindung ist ein Sender für ein Doppler-ILS System, der eine Winkelmessung an Bord eines Flugzeugsermöglicht, mit einem Antennensystem, bestehend aus einer Antennenzeile, deren Antennen so gespeist werden, daß sie der Reihe nach jeweils während der gleichen Dauer T^ eine Strahlung der Frequenz f^ senden, wobei der Abstand d

zwischen diesen Antennen kleiner als λ^/2 sin 9_Q ist, wenn λ ^

. Lei/Ba

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die der !frequenz f^ entsprechende Wellenlänge und Q_Q das Maximum des Absolutwerts des zu messenden Winkels sind, und aus einer Hilfsantenne, die gleichzeitig mitder Ausstrahlung der Frequenz f.. durch die Antennen der Antennenzeile eine Strahlung mit einer von der Frequenz f^ wenig verschiedenen Frequenz Z-, aussendet, gekennzeichnet durch ein zweites Antennensystem, bestehend aus einer Antennenzeile, deren Antennen so gespeist werden, daß sie der Reihe nach jeweils während der gleichen Dauer T₂ ^eine Strahlung der Frequenz f₂ aussenden, die gleich der Frequenz f^ oder davon verschieden ist, wobei der Abstand D zwischen diesen Antennen größer als A₂/2sin9 i³^» wenn X₂ ^{die der} Frequenz fp entsprechende Wellenlänge ist, und aus einer Hilfsantenne, die gleichzeitig mit der Aussendung der Frequenz f₂ durch die Antennen der zweiten Antennenzeile eine Strahlung mit einer von f₂ wenig verschiedenen Frequenz f, aussendet, wobei die. beiden Antennensysteme im Diplexbetrieb arbeiten.

Nach der Erfindung ist ein Empfänger, der für die Zusammenarbeit mit einem Sender der zuvor angegebenen Art bestimmt ist, mit einer Empfangaanordnung für die Signale S.. und. S~, die von der Antennenzeile bzw. der Hilfsantenne des ersten Antennensystems stammen, und mit einer Schaltung, der die Signale S.. und S₅ zugeführt werden und die ein Signal (erstes Meßsignal) liefert, dessen Frequenz mit einer gewissen Annäherung ein Maß für den zu messenden Winkel bildet, gekennzeichnet durch eine Empfangsanordnung für die Signale S₂ und S., die von der Antennenzeile bzw. der Hilfsantenne des zweiten Antennensystems stammen, eine Schaltung, der die Signale S₂ und S. zugeführt werden und die ein Signal (zweites Meßsignal) liefert, dessen Frequenz mit einer Mehrdeutigkeit von K/T₂(K = ganze Zahl) ein Maß für den zu messenden Winkel bildet, und durch eine Anordnung, der das erste Meßsignal und das zweite Meßsignal

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zugeführt werden und die einen Zahlenwert liefert, der von dem Wert des zu messenden Winkels abhängt, und die folgende Form hat:

b(h + Tn^ + q)

worin b und h Konstantei sind, K eine von der Frequenz des ersten Meßsignals abhängende ganze Zahl ist und q eine durch die frequenz des zweiten Meßsignals bestimmte ganze Zahl ist, die dem Absolutwert nach kleiner als 1/T₂ ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigen: '

Fig.1 eine geometrische Figur zur Erläuterung des Prinzips der Doppler-ILS-Systeme,

Pig.2 das Funktionsschema einer Ausführungsform eines Senders nach der Erfindung,

Fig.3 das Funktionsschema einer Ausführungsform eines Empfängers nach der Erfindung und

Fig.4 und 5 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Empfängers von Fig.3.

Das Doppler-ILS-System ist ein Landehilfssystem, das die Messung der Position des Flugzeugs durch dessen Höhenwinkel und Seitenwinkel durchführt. Die Entfernungsmessung erfolgt durch ein vollkommen getrenntes Gerät, das nicht zum Gegenstand der Erfindung gehört und hier nicht weiter erörtert wird.

Der Höhenwinkel und der Seitenwinkel werden nach dem in Fig.1 gezeigten Prinzip gemessen.

Es wird ein rechtwinkliges Koordinatensystem O, x, y, ζ angenommen, bei dem die z-Achse die Vertikale durch den Meßpunkt ist und die y-Achse die horizontale Bezugsgerade ist, von der aus die Seitenwinkel geraessen werden.

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Es sei M ein fester Raumpunkt und m seine Projektion auf die xy-Ebene; sein Höhenwinkel ist mit Q_g und sein Seitenwinkel mit θ bezeichnet.

Ferner ist eine bewegliche Quelle A vorhanden, die eine Strahlung der !Frequenz f aussendet und sich mit der Geschwindigkeit ν entlang der x-Achse bewegt.

Eine klassische Rechnung zeigt, daß die am Punkt M empfangene Frequenz den folgenden Wert hat:

f + Af mit -4£ =

X C

Darin ist θ der Seitenwinkel des Punkts M und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen.

Wenn sich eine bewegliche Quelle A. welche die Frequenz f_ aussendet, mit einer Geschwindigkeit ν entlang der z-Achse bewegt, hat die am Punkt M empfangene Frequenz den Wert

Af ν sin θ

f_ + Af mit --ρ-⁸ - ^{s s}

ss f

fc worin 9„ der Höhenwinkel ist.

s
•In diesen Ausdrücken müssen der Winkel θ und der Winkel 9„

als positiv oder negativ angesehen werden, je nachdem,ob die normale Projektion der betreffenden Quelle auf die Gerade OM sich dem Punkt M nähert oder vom Punkt M entfernt.

Zur Erzielung ausreichender Geschwindigkeiten wird in Wirklichkeit die bewegliche Quelle mit Hilfe einer Antennenzeile simuliert, die entlang der Achse der fiktiven Bewegung angeordnet ist, wobei jede Antenne der Reihe nach sendet. Die Annäherung ist umso besser, je zahlreicher die Antennen

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_. ar'—

sind, und je näher beieinander sie liegen.

Die Abtastung der Antennen zeile kann "sägezahnförmig" erfolgen;, wenn also alle Antennen der Antennenzeile in einer gegebenen Richtung zum Strahlen gebracht worden sind, "wird der Vorgang in der gleichen Richtung erneut begonnen. Man kann auch eine "hin- und hergehende " Abtastung durchführen, die also abwechselnd in der einen und in der anderen Richtung erfolgt.

Die vorstehende Erläuterung zeigt, daß hier nur der Fall einer der beiden Winkelmessungen betrachtet zu werden braucht, beispielsweise die Messung des Seitenwinkels; die hierzu gemachten Angaben können ohne weiteres auf den Fall der Messung des Höhenwinkels übertragen werden.

Die Geschwindigkeit ν ist notwendigerweise sehr klein gegen c, was zur 3?olge hat, daß die zu messenden Frequenzabweichungen Af sehr gering sind. Andrerseits ist der hier in Betracht zu ziehende Punkt M in Wirlichkeit beweglich. Um sich zugleich von der ersten Schwierigkeit,die technologischer. Art ist,und der zweiten Schwierigkeit, die grundsätzlicher Art ist, zu befreien, ist es bekannt, mit Hilfe einer in der Nähe der Ante η netzeile angeordneten Hilf san tenne eine Strahlung der Frequenz f = f + f auszusenden, wobei f ausreichend klein gegen f ist, daß die Bewegung des Plugzeugs die von der "beweglichen Quelle" kommende Strahlung und die von der feststehenden Hilfsantenne kommende Strahlung in gleicher Weise beeinflußt, während andrerseits f_r ausreichend groß ist, daß die Frequenz f + Af stets positiv und groß genug ist, um eine genaue Messung zu ermöglichen.

Das Flugzeug empfängt dann die beiden Frequenzen f + Af + A f_Q und f + f · + A f_β

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worin Äf_Q den von der Bewegung des Flugzeugs stammenden Dopplereffekt ausdrückt.

Durch Überlagerung dieser beiden Frequenzen erhält man die zuvor erwähnte Frequenz f_r + Af, wobei f_r bekannt ist.

In Wirklichkeit ergibt das Doppler-IlS -System nicht vollständig die gewünschte Genauigkeit.

Vie zu ersehen war , gilt:

f = f J sin θ

Unter sonst gleichen Bedingungen (ausreichende Sendeleistung für die Verringerung des vom Rauschen verursachten Fehlers, ausreichende Länge der Antennenzeile für die Verringerung des Meßfehlers) wächst die Genauigkeit offensichtlich mit dem Produkt fv. Nun ist aber ν gleich d/T, worin d der Abstand zwischen zwei Antennen der Antennenzeile und T die Strahlungsäauer jeder Antenne der Antennenzeile sind.

Ein Kleinstwert ist für T durch die für das ausgestrahlte Signal nach den internationalen Normen erlaubte Bandbreite vorgeschrieben, da diese Bandbreite offensichtlich mit 1/T wächst.

Man muß also versuchen, das Produkt fd zu vergrößern.

Hierbei muß die Annäherung berücksichtigt werden, die darin besteht, daß die kontinuierliche Bewegung einer Quelle mit Hilfe einer Umschaltung von N strahlenden Elementen simuliert wird.

Während nämlich im Fall einer wirklichen Bewegten Quelle das sich aus der Überlagerung zwischen den von der beweglichen Quelle kommenden Signalen und den von der Hilfsantenne kommenden Signalen ergebende Signal einer

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einzigen Linie f +Af gleichgesetzt werden kann( unter der Annahme f > f_Q) gilt für das gleiche Überlagerungssignal, in dem Fall, daß die bewegliche Quelle durch eine Umschaltung von E" Antennen simuliert ist, ein komplizierterer Ausdruck.Es läßt sich zeigen, daß für die verhältnismäßig große Anzahl von strahlenden Elementen, die in der Praxis erforderlich ist, das Spektrum dieses Überla gerungs SignaIs einem linienspektrum 2Ij (f_r + E.) gleichgesetzt werden kann, dessen Linien in gleichen Abständen 1/1 liegen. Die der Frequenz f in diesem Signal am nächsten liegende Linie, die Hauptlinie genannt wird, hat die maximale Amplitude, aber sie bildet offensichtlich die die Information tragende Linie

f + fv sin θ f d sin θ ^{r c r} XI

worin λ die der Frequenz f entsprechende Wellenlänge ist, nur für den Fall, daß gilt:

d sin

was ergibt :

ld sin θ

Damit Mehrdeutigkeiten vermieden werden, wird bei den bisher verwendeten Systemen ein Wert von d angewendet, der diese Bedingung in dem Meßintervall erfüllt; wenn also θ dem Absolutwert nach der größte Wert des zu messenden Winkels ist, gilt d<A/2 sin θ_ο· Wenn beispielsweise für eine Seitenwinkelmessung ein Meßintervall von - 90° bis + 90° benötigt wird, muß gelten:

f d < f I = §
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Man trifft auf eine abolute Grenze für das Produkt fd. Wenn man nämlich f erhöht, verringert sich λ und damit die obere Grenze von d; wenn man λ vergrößert, was die Vergrößerung von d erlauben würde, verringert sich f.

Das Sende- und Empfangs system der erfindungsgemäßen Anordnung beruht auf dem folgenden Prinzip.

Der Sender verwendet zwei Antennensysteme, von denen jedes aus einer Antennenzeile und einer Hilfsantenne gebildet ist. Das erste Antennensystem ist klassicher Art, d.h., daß der Abstand d zwischen den Antennen der Antennenzeile kleiner als A.j/2 sin θ ist, wobei λ. die der Sendefrequenz f^_ entsprechendeWelIeηlänge und G₀ dem Absolutwert nach der Größtwert des zu messenden Winkels sind ; dieses Antennen- . system ermöglicht ewpfangsseitig in an sich bekannter Weise die Feststellung des gemessenen Winkels mit einer verhältnismäßig kleinen Genauigkeit,aber ohne Mehrdeutigkeit. Bei dem anderen Antennensystem ist der Abstand D zwischen den Antennen der Antennenzeile größer als λρ/2 sin θ , wobei A₂ -die der Sendefrequenz f₂ entsprechende Wellenlänge ist. Dieses Antennensystem ermöglicht durch Messung der Frequenz eine Spektrallinie des aus der Überlagerung zwischen den beiden Empfangssignalen des zweiten Antennensystems resultierenden Signals eine genaue Winkelmessung, die aber mit einer Mehrdeutigkeit behaftet ist, die einer Frequenzunbestimmtheit von K/T₂ entspricht, wobei K eine ganze Zahl und t₂ die Sendedauer jeder Antenne der Antennenzeile sind; diese Mehrdeutigkeit wird mit Hilfe der klassischen Messung behoben, wie bei der Beschreibung des Empfängers noch erläutert wird.

Die Erfindung soll beisρieIshalber für den folgenden konkreten Fall beschrieben werden:

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Der betreffende Winkel ist der Seitenwinkel, der zwischen - 90° und + 90° liegt.

Die beiden Antennensysteme arbeiten im Zeit-Diplex-Betrieb; deshalb können die beiden Antennenzeilen auf der gleichen Frecuenz f senden, der eine Wellenlänge λ entspricht, und die Hilfsantenne kann den beiden Systemen gemeinsam sein, wobei diese Hilfsantenne eine Streuung der Frequenz f - f ~ ^fo ausstrahlt.

Man wählt beispielsweise f_Q= 5 MHz, f_r = 100 kHz.

Die beiden Antennenzeilen bestehen jeweils aus 32 getrennten Dipolen. Bei der ersten Äntennenzeile beträgt der Abstand zwischen den Antennen d = λ /3 und bei der zweiten Antennenzeile D = 3 λ = 9d.

Die beiden Antennenzeilen werden "sägezahnförmig" abgetastet, wobei die Sendedauer ;jeäer Antenne im Verlauf einer Abtastung den Wert T hat, der beispielsweise 20 as beträgt, so daß die fiktive Geschwindigkeit der Quelle also ν = d/T für die erste Antennenzeile und 9d/T = 9ir für die zweite Antennenzeile beträgt. Die Abtastrichtung und die Vereinbarungen über das Vorzeichen sind so gewählt, daß der Seitenwinkel und die Doppler-Frequenzabweichung das gleiche Vorzeichen haben.

Der Sender (Fig.2) enthält einen HP-Oszillator 1 der Frequenz f und eine Anordnung 3, die mit großer Genauigkeit auf Grund der Frequenz f eine Strahlung der Frequenz f + f liefert, wobei f sehr klein gegen f ist. Diese Anordnung 3 kann

ο
beispielsweise von der Art eines Seitenband generators sein.

Der Oszillator 1 speist den T rager eil gang eines Amplitudenmodulators 5, dessen Modulationseingang mit Hilfe eines mit zwei Steuereingängen ausgestatteten Umschalta:s 6 entweder αϊ it einem Niederfrequenzoszillator 7 der Frequenz F oder mit einem Niederfrequenzoszillator 8 der Frequenz F¹ verbunden

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- ίο -

werden kann, wobei die Frequenzen F und F¹ außerhalb des Frequenzbandes der später definierten Signale TL· und I^ gewählt werden.

Der Ausgang des Modulators 5 speist einen Sender 9» der zu dem Dipol 30, der die Hilfsantenne der beiden Systeme ist, eine amplituden modulierte Schwingung der Frequenz f_Q liefert.

Die Anordnung 3 speist einen Sender 4 mit der Frequenz f = f_o Her Sender kann über einen Umschalter 13, der einen HF-Eingang, zwei Ausgäige und zwei Steuereingänge hat, entweder einen Umschalter 14 oder einen Umschalter 15 speisen. Jeder dieser beiden zuletzt genannten Umschalter hat 32 Ausgänge und 32 Steuereingänge; die Ausgänge des Umschalters 14 sind mit den 32 Dipolen der klassischen Dipolzeile 10 verbunden , und die Ausgänge des Umschalters 15 sind mit den 32 Dipolen der zusätzlichen Dipolzeile 20 verbunden.

Diese Anordnung wird von einer Synchronisieranordnung gesteuetc, die einen Taktgeber 21 der Frequenz 1/T und einen "modulo 32"-Ringzähler 22 aufweist, der vom Taktgeber 21 gespeist wird.

Die 32 Ausgänge des Zählers 22, an denen jeweils bei einem seiner 32 möglichen Zählerstände 1, 2.... 31, 32 ein Signal erscheint, sind mit den 32 Steuerei ngänge η jedes der Umschalter 14 und 15 verbunden.

Der Ausgang des Zählers 22, an dem für den Zählerstand ein Signal erscheint, ist außerdem mit dem Eingang eines "modulo m + n"-Binärzählers 25 verbunden, dessen Ausgänge mit den Eingängen eines Codierers 24 verbunden sind, der zwei Ausgänge hat, von denen der erste Ausgang ein Signal des Wertes 1 für die Zustände 1 bis m des Zählers 25 und in den übrigen Fällen ein Signal des Wertes 0 liefert,

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während der zweite Ausgang ein Signal des Wertes 1 für die Zustände (m+1) bis (m+n) und ein Signal des Wertes O für die übrigen Fälle liefert.

Diese beiden Ausgänge sind mit den beiden Steuereingängen jedes der Umschalter 6 und 13 so verbunden, daß für die Zustände 1 bis m desZählers 25 der Umschalter 13 den Umschalter H und der Oszillator 7 den Modulator 5 speist, während für die Zustände m + 1 bis m + n der Modulator 13 den Umschalter 15 und der Oszillator 8 den Modulator 5 speist. '-""

Die Umschalter 6, 13, 14 und 15 können Dioden-Umschalter sein.

Die Wirkungsweise der Anordnung ergibt sich unmittelbar aus den beschriebenen Verbindungen. ·

Der Sender arbeitet mit einer Gesamtperiode von (m + n)i' mit T¹ = 32 T.

Während der m ersten Zeiten T' erfolgt eine m-raalige Abtastung der Dipolzeile 10, wobei diese eine Strahlung der Frequenz f aussendet, während die Hilfsantenne 30 eine mit dem Signal der Frequenz F modulierte Strahlung sendet.

Während der η letzten Zeiten T¹ erfolgt eine n-malige Abtastung der Dipolzeile 20, während die Hilfsantenne 30 eine mit dem Signal der Frequenz F¹ modulierte Strahlung aussendet.

Da das zweite Antennensystem die Genauigkeit ergibt, ist es vorteilhaft, η größer als m zu nehmen, beispielsweise m = 5, η = 50.

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Pig.3 zeigt das Schema einer Ausführungsform des entsprechenden Empfängers.

Dieser enthält eine Antenne 40, die einen Hochfrequenzempfänger 41 speist. Der Empfänger 41 liefert an seinem Ausgang ein Nie.derfrequenzsignalgemiseh, das während der Senüetätigkeit der ersten Dipolseite des Senders folgende Signale enthält:

- ein Signal IL, das durch Überlagerung zwischen den von der Dipolzeile mit dem Abstand d und von der Hilfsantenne

w kommenden Empfangssignalen erhalten wird;

- ein Signal der Frequenz P, das durch Demodulation des von der Hilfsantenne kommenden Empfangs Signa Is erhalten wird.

Während der Sendetätigkeit der zweiten Dipolzeile sind diese beiden Signale einerseits durch ein Signal U₂ ersetzt., das durch Überlagerung zwischen den von der Dipolzeile mit dem Abstand D und der Hilfsantenne kommenden Empfangs Signalen erhalten wird, und andrerseits durch ein Signal der Prequenz F^f, das durch Demodulation des von der Hilfsantenne kommenden fc Empfangssignals erhalten wird.

Die Verwertung dieser Signale soll an Hand der Diagramme von Pig.4 und 5 erläutert werden.

Das Signal U₁ enthält eine Linie, die der Prequenz f am nächsten liegt und die Frequenz f_r + Af₁ hat, wobei:

Af - fv sin θ _ d sin θ _ sin 9

-AT

Me gesuchte Information ausdrückt. Diese Linie, die daa "erste Meßsignal" darstellt, liegt notwendigerweise in dem

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Intervall:

^fr - W ^{bis f}r

und sie ist notwendigerweise die einzige Linie in diesem Intervall.

Fig.4 zeigt die Kurve der Änderung von Af.. als Punktion von θ in dem Intervall von - 90° bis + 90°, wobei der Wert E von Äfj dem Winkel 9 = 90° entspricht, also :

d 1

Das während des Betriebs des zweiten Antennensystems verwendete zweite Meßsignal ist die zuvor definierte Hauptlinie des Signals Ug, das durch. Überlagerung zwischen den_e Signalen Sp und S. erhalten wird und die Frequenz f + δ f ? hat.

Wenn mit E die Frequenzabweichungen der Spektrallinien des Signals Ug von f bezeichnet werden, zeigt Fig.5 den mittleren Abschnitt der Kennlinienschar, die E als Funktion von θ für die verschiedenen linien wiedergibt, wobei die Kurve C der die Information tragenden Linie R entspricht, für die also gilt:

i? - 9 fv sin 9 _ D sin 9 _ 5 sin 9 c ~ AT ~ T

Die Kurven Cj, Cg, ^Li* ^L? ^uaw* ^en^^sP^recb6n den Linien R.., ^R2> ^R-1» ^R-2' ^{äie s3}-^{cl1 aus c} durch Verschiebungen um 1/T, 2/T, -1/T, -2/T usw. parallel zur Achse der Frequenzabweichung ableiten. Die Messung der Frequenz der Linie R₁ anstelle derjenigen der Linie R ergibt also einen Fehler um i/l hinsichtlich der Doppler-Frequenzabweichung.

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Die Linie R ist nur dann mit der Haupt linie des Spektrums identisch , wenn gilt:

3 sin θ

also für sin θ < 1/6 und θ zwischen etwa + 9,5°, wobei der entsprechende Abszissenpunkt auf der Kurve C_Q als Ordinate den Wert E¹ = 1/21 hat.

^wischen 9,5° und 30° wird die Linie R_-1 die Haupt linie, und dann für wachsende positive Werte der Winkel werden dies nacheinander die Linien R_-2» R_v für die negativen Winkel sind dies jenseits -9,5° nacheinander die Linien R₁, 2* ^5*

Die diese Intervalle begrenzenden Werte von θ sind diejenigen, für die zwei Linien vorhanden sind, für welche die Abweichungen E am kleinsten und dem Absolutwert nach gleich sind.

Die Grenzwerte sind durch die folgende Gleichung gegeben:

D sin Q _ 2 K+1
λ T 2T

worin K eine ganze Zahl ist. Dies ergibt für D = 3 λ : 6 sin Ö = 2K+1.

Dies ergibt für die möglichen Werte von K(-3 bis +2) sechs Werte von T, die in ansteigender Ordnung mit Q₁, Q^...Q^ bezeichnet sind, und dem Absolutwert nach einander paarweise gleich sind:

^Θ1 = " ^Θ6» ^Θ2 * ~ ^Θ5* ^Θ3 ⁼ ~ ⁹4 20 9826/0731

Die acht. Werte -9O⁰^₁, G₂....O₅, Q₆ , + 90° begrenzen sieben Wertebereiche von ©,die nachstehend als Bereich 1, 2... 7 für wachsende algebraische Werte von θ bezeichnet sind.

Andrerseits findet sich in jedem dieser Bereiche ein Schnittpunkt einer Kurve C mit der Θ-Aphse. Die den Bereichen 1, 2...7 entsprechenden sieben Schnittpunkte entsprechen Werten ©'^..G',, von Θ, wobei diese Werte Lösungen der folgenden Gleichung sind:

2 D sin θ 2Κ

~ (K = ganze Zahl)

Dies, ergibt für D = 3 λ : 3 sin θ = K, wobei die Lösungen den sieben Werten von -3 bis +3 für K entsprechen.

Der Ausgang des Empfängers 41 ist mit zwei Anordnungen 43 und 42 verbunden, von denen die erste ein auf die Frequenz F abgestimmtes Bandfilter enthält,'dera eine Schwellens chaItung nachgeschaltet ist, während die zweite ein auf die Frequenz F' abgestimmtes Bandfilter ist, dem ebenfalls eine Schwellenschaltung nachgeschaltet ist, so daß die erste Anordnung ein Signal des Wertes 1 liefert, wenn die erste dipolzeile des Senders strahlt, und in allen übrigen Fällen ein Signal des Wertes 0, während die zweite Anordnung ein Signal des Wertes liefert, wenn die zweite Dipolzeile des Senders strahlt, und in allen übrigen Fällen ein Signal des Wertes 0.

Der Ausgang des Empfängers 41 speist andrerseits einen Umschalter 44 mit zwei Steuereingängen, die an die Ausgänge der Anordnungen 42 bzw. 43 angeschlossen sind, und mit zwei Ausgängen, von denen der eine an ein Filter 45 angeschlossen ist, während der andere mit dem Eingang eines Umschalters 46 verbunden ist, der zwei jeweils mit einem Filter 47 bzw. 48 verbundene Ausgänge und zwei 4Steuereingänge hat.

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Der Umschalter 44 wird durch die Ausgangs signale der Anordnungen 42 und 43 so gespeist, daß er das Filter 45 beim Vorhandensein des Signals der Frequenz F und den Umschalter 46 beim Vorhandensein des Signals der Frequenz F¹ qpeist.

Das Filter 45 ist ein auf die Frequenz f abgestimmtes Bandfilter, dessen Bandbreite von f_r - E_Q bis f_r + E₀ geht.

Da die Bedingung d/λ < 1/2 bedeutet, daß E₀ < -1/21, liefert das Filter 45 beim Vorhandensein des Signals U₁ nur die Spelctrallinie der Frequenz f +Δ f..

Die Filter 47 und 48 sind so ausgeführt, daß das eine oder das andere Filter nur die am nächsten bei der Frequenz f. liegende Spelctrallinie des Signals Ug durchläßt, wobei das Filter 47 die Aufgabe hat, diese-Linie dann zu übertragen, wenn ihre Frequenz größer als f ist, während das Filter diese Linie übertragen soll, wenn ihre Frequenz kleiner als f ist. Diese Filter haben die folgende Bandbreite:

f_r -,:■ £ bis f_r + |ψ +£ und f_r- ^ -£ bis f_r + 6

worin da3 Glied £. einen kleinen Wert hat, der den Fehler bei der ungenauen Messung berücksichtigen soll, wie später erläutert wird.

Die Ausgänge der Filter 47 und 48 sind über eine Addierschaltung 49 mit einer Impulsformerschaltung 50 verbunden, die für jeden Zyklus ihres Eingangssignals einen Impuls liefert. Das Filter 45 speist direkt eine gleichartige Impulsforserschaltung 51«

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Die Schaltungen 50 und 51 speisen jeweils einen Binärzähler 52 bzw. 53.

Die Kapazität des Zählers 53 beträgt wenigstens m(f_r + E_o)32T , "wobei f und E in Hertz und T in Sekunden ausgedrückt sind.

Der Zähler 52 hat eine Gesamtkapazität, die wenigstens den folgenden Wert hat:

n(f_r + E₀ +£+ |) 321.

Er besitzt eine erste Stufe 52a der Kapazität 32n., die über ein Oder-Gatter 79, das zwei Eingänge hat, mit einer zweiten Stufe 52b verbunden ist.

Der Zähler 53 sowie die Stufen 52a und 52b sind mit Null Stelleingängen Z ausgestattet.

Die ρ Ausgänge des Zählers 53 sind ^ieils mit den ρ Eingängen jedes der sechs Decoder 81 bis 86 verbunden, von denen der Einfachheit wegen nur drei dargestellt sind. Diese sechs Decoder.sind einfache Detektoren für jeweils eine der sechs Zahlen N., IL, ... Ng, die später genauer erläutert werden. Jeder dieser Decoder hat einen einzigen Ausgang, der ein Signal des Wertes 1 liefert, wenn die vom Zähler 53 angezeigte Zahl gleich der diesem Decoder ~ entsprechenden Zahl N^ ist, während er in allen übrigen Fällen ein Signal des Wertes 0 abgibt.

Die Ausgänge der sechs Decoder 81 bis 86 sind mit jeweils einem der sechs Eingänge eines Oder-Gatters 90 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang einer monostabilen Kippschaltung 91 verbunden ist, die mit einem Eingangs- Differenzierglied ausgestattet ist.

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Andrerseits sind die ρ Ausgänge des Zählers 53 jeweils rait den ρ Eingängen jedes von sieben zusätzlichen Decodern 71 bis 77 verbunden, von denen der Einfachheit wegen nur drei dargestellt sind; diese Decoder entsprechen den zuvor erwähnten Decodern und stellen jeweils eine von sieben Zahlen M, bis M₇ fest, die später genauer angegeben werden.

Die Ausgänge der sieben Decoder 71 bis 77 sind mit den sieben Eingängen eines Oder-Gatters 95 verbunden.

Die Ausgänge der monostabilen Kippschaltung 91 und des Oder-Gatters 95 sind mit zwei Eingängen eines Oder-Gatters 1bO verbunden, dessen Ausgang eine bistabile Kippschaltung 101 steuert, deren beide Ausgänge mit den Steuereingängen des Umschalters 46 verbunden sind. Der Ausgang der monostabilen Kippschaltung 41 ist auch mit dem zweiten Eingang des Oder-Gatters 79 verbunden.

Die Kippschaltung 101 weist auch einen Rückstelleingang Z auf.

Schließlich speist die Anordnung 42 eine Differenzierschaltung_v-_;33» die einen Impuls liefert, wenn das Aus gangs signal der Anordnung 42 von 1 nach 0 geht, jedoch nicht im entgegengesetzten EaIl.

Der Ausgang 35 der Differenzierschaltung 33 steuert die Löschung der Schaltungsteile 53, 52a, 52b und 101. Die Verbindungen zwischen dem Ausgang 35 und den Eingängen Z dieser Schaltungsteile sind nicht dargestellt, damit die Zeichnung nicht überladen wird.

Der Empfänger arbeitet in folgender Weise:

Am Ende eines Ueßzyklae verschwindet die Frequenz P¹ im Ausgangssignal des Empfängers. Das Aus gangssignal der

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Anordnung 42 geht von 1 nach O,und die zuvor erwähnten Schaltungsteile werden auf Null zurückgestellt.

Am Beginn des folgenden Nkßzyklus steuern die Anordnungen und 43 den Umschalter 44 in der Weise, daß das Ausgangssignal des Empfängers zu dem Filter 45 geleitet wird, welches das erste Meßsignal liefert. Dieses wird von der Schaltung in Impulse "umgewandelt; und zwar einen Impuls pro Zyklus, und der Zähler 53 zählt diese Impulse.

Die sechs Zahlen N.. bis Ng entsprechen jeweils einem der sechs zuvor definierten Winkel &* bis 0g unter Berücksichtigung der Zähldauer m ·32Τ.

Dies bedeutet, daß gilt:

N₁ = f_r + δ f₁(G₁) im ·32Ι

wobei Af.(9.) die dem Winkel Θ. (Fig.4) entsprechende Frequenzabweichung in Hertz ist.

Die Zahlen M₁ bis Μγ entsprechen in gleicher Weise den zuvor definierten sieben Werten GJ, θ'₂... θ¹™ des . Winkels Q.

Jedesmal, wenn der Zähler N durch einen der Werte N₁ bis Ng geht, wird ein Impuls zum Oder-Gatter 79 geschickt.

Es ist also folgendes zu erkennen: Wenn der mit Hilfe des ersten Meßsignals gemessene Winkel G in dem j~ten Bereich der zuvor definierten sieben fer te be reiche enthalten ist, hat die Stufe 52b des Zählers 52 am Ende dieser ersten Messung (j - 1) Impulse empfangen, die (j-i)32n Impulsen am Eingang der Stufe 52a gleichwertig sind.

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Die Kippschaltung 101, die anfänglich im Zustand O war, ändert ihren Zustand jedesmal dann, wenn sie einen Steuerimpuls empfängt, der einem der Werte Θ-, bis Qg oder B'^bis θ'₇ entspricht, so daß ihr Endzustand von Q^ abhängt; Ihre Ausgänge sind mit den Steuereingängen des Umschalters 46 so verbunden, daß dieser seinen Signaleingang mit dem Filter 48 verbindet, wenn sich die Kippschaltung im Zustand "O" befindet, und mit dem Filter 47 » wenn sich die Kippschaltung im Zustand "1" befindet; beim Endzustand der Kippschaltung 101 am Ende der Zählung wird entweder das Filter 48 oder das Filter 47 gespeist, je nachdem, ob sich θ in dem erstßn Intervall oder in dem zweiten Intervall der beiden durch Θ'. getrennten

Intervalle des Bomchs j befindet.

Wenn die zweite Dipolzeile des Senders zu strahlen beginnt, richtet der Umschalter 44 das Ausgangssignal des Empfängers zum Umschalter 46; es wird entweder das Filter 47 oder das Filter 48 gespeist, wie zuvor erläutert wurde.

Folgendes ist. zu bemerken:Wenn der zu messende Winkel θ in der Nähe eines der Grenzwerte Θ.. bis Gg liegt, kann es vorkommen, daß der Winkel θ durch die erste Messung in einen Bereich eingeordnet wird, der neben dem richtigen Bereich liegt, und die durchgeführte Korrektur unterscheidet sich dem Absolutwert nach um 1/THz gegenüber der theoretischen Korrektur« I^eser Korrektur fehler wird jedoch durch einen Ehler des gleichen Wertes und entgegengesetzten Vorzeichens bei der Frequenz der Haupt Ii ηit kompensiert,

Ju flieuum Tall wird inmlioh nicht mehr die Hauptlinie von einem der liltor 47 odor 48 ausgewählt, sondern eine Linie, dorn η Fr^queuK si nil von drr.iouigeu dor Hauptlinie um 4 1/T rJei um - 1/T untoi'sulieirlci. Die Your.iuni -a £. in dem Durch la ß-I' c- rf ic h (1 cv Y i It ei 4 7 und 4 <-< I·'.- rüe Irs i oh 1 i g t äia ae Ta tun ehe,

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und die Verwendung von zwei Filtern verbindert„ daß zwei Linien gleichzeitig gewählt werden.

Ganz allgemein gilt folgendes:

man mit Af₂ nicht notwendigerweise die der Hauptlinie entsprechende Frequenzabweichung bezeichnet, sondern diejenige einer Linie, die in der einen oder anderen Weise im Signal U₂ gewählt worden ist, gilt: ( unter der Annahme, daß die beiden Messungen exakt sind} die nominelle Beziehung:

Δ f₂ + ^ = ~ Af₁ (K = ganze Zahl)

worin der richtige Wert von K eindeutig durch die folgende Beziehung bestimmt ist:
J-* Ά -£»

Aus diesem Grund kann man sagen, daß der richtige Wert K von K von der Frequenz des ersten Meßsignals abhängt, was nicht ausschließt, daß er auch von der Frequenz des zweiten Meßsignals abhängt, obgleich bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel dieser Wert allein durch die gemessene Frequenz des ersten Meßsignals bestimmt ist.

Ferner ist zu bemerken: Wenn θ in der Nähe von einem

Wert Θ¹. liegt, und er durch die erste Massung in unrich-J

tiger Weise in Bezug auf Θ¹ . plaziert wird, wird unter

ti

Berücksichtigung der in den Grenzen der Durchlaßbänder der Filter 47 und 48 auftretenden Konstante £ wiederum die Hauptlinie gewählt; außerdem hat dies keinen Fehler bei der Korrektur zur Folge.

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Das zweite Meßsignal wird durch die Schaltung 50 in Impulse umgewandelt, und diese Impulse speisen den Zähler 52.

Am Ende dieser zweiten Messung von der Dauer nT¹ zeigt der Zähler die folgende Zahl an:

s = η j f_r + (^sjr ) + Af₂ 32T

Der Wert des Sinus des zu messenden Winkel θ ist durch folgende Beziehung gegeben:

D sin Q ₌ 3 sin θ _{= Af} /_Q% _t1 - 4

Er leitet sich also aus s durch eine lineare Beziehung ab, weil sich (j-4)/T von (j-i)/T um die Konstante 3/T unterscheidet.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen für den Fachmann ersichtlich. Beispielsweise können die Zeiten T₁ und T₂ ^er Strahlung ,ieder Antenne für die beiden Dipolzeilen verschieden sein; man verwendet dann in den zuvor angegebenen Formeln je nach Lage des Falls entweder T oder T₂. Die beiden Antennenzeilen könnten auch gemeinsame Antennen aufweisen.

Andrerseits könnte der Sender ohne weiteres so abgeändert werden, daß anstelle einer "sägezahnförmigen" Abtastung der Antennenzeilen eine "hin-und hergehende" Abtastung durchgeführt wird. Bekanntlich ändert dies nichts an den Empfangs schaltungen, vorausgesetzt, daß für die Dipolzeilen je nach der Abtastrichtung zwei Frequenzen f_Q + f_r bzw. f - ±_v verwendet werden.

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Ebenso könnte man andere Codiersysteme zur Anzeige des in Betrieb befindlichen Antennensystems in Betracht ziehen: Frequenzmodulation des von der Hilfsantenne gesendeten SignalSj Modulation durch codierte Impulse usw.

DIg Frequenzen der Meßsignale können durch andere klassische Mittel bestimmt werden, wie durch das Verfahren der Zählung schneller Impulse, bei welchen die Anzahl der von einem Hilf stakt geber während einer vorbestimmten Anzahl von Perioden des Meßsignals gelieferten Impulse gezählt wird; dies hat entsprechende Änderungen für die Bestimmung der Korrektur K /Tp zur Folge.

Schließlich könnte auf Kosten von Änderungen, die dem Fachmann offensichtlich sind, aber zu. weniger einfachen Erapfangsschaltungen führen wurden, die Mplexierung der beiden Antennensysteme eine Frequenz-Diplexierung sein, wobei die beiden Antennenzeilen auf zwei Frequenzen f^ bzw. fp strahlen und die beiden Systeme jeweils eine Hilfsquelle enthalten, von denen diejenige des ersten Systems eine Frequenz f, in der Nähe von f,, und diejenige des zweiten Systems eine Frequenz f. in der Nähe von f₂ liefern.

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Claims

Patenta nsprüohe

Sender für ein Doppler-ILS-System, der eine Winkelmessung an Bord eines Plugzeugs ermöglicht, mit einem Antennensystem, bestehend aus· einer Antennenzeile, deren Antennen so gespeist werden, daß sie der Reihe nach jeweils während der gleichen Dauer T₁ eine Strahlung der Frequenz f₁ senden, wobei der Abstand d zwischen diesen Antennen kleiner als λ-]/2 sin 9_Q ist, wenn λ., die der !Frequenz f.. entsprechende Wellenlänge und θ das Maximum des Absolutwerts des zu messenden Winkels sind, und aus einer Hilfsantenne, die gleichzeitig mit der Ausstrahlung der Frequenz f.. durch die Antennen der Antennenzeile eine Strahlung mit einer von der Frequenz f^ wenig verschiedenen Frequenz f, aussendet, gekennzeichnet durch ein zweites Antennensystem, bestehend aus einer Antennenzeile, deren Antennen so gespeist werden, daß sie der Reihe nach jeweils während der gleichen Dauer Tp eine Strahlung der Frequenz f₂ aussenden, die gleich der Frequenz f.* oder davon verschieden ist, wobei der Abstand D zwischen diesen Antennen größer als λ p/sin θ ist, wenn λρ die der Frequenz fp entsprechende Wellenlänge ist, und aus einer Hilf santenne , de gleichzeitig mit der Aussendung der Frequenz f_? durch die Antennen der zweiten Antennenzeile eine Strahlung mit einer von f₂ wenig verschiedenen Frequenz f, aussendet, wobei die beiden Antennensysteme im Diplexbetrieb arbeiten.

2. Empfänger, der für die Zusammenarbeit mit einem Sender nach Anspruch 1 bestimmt ist, mit einer Empfangsanordnung für die Signale S.. und S~, die von der Antennenzeile bzw. der Hilfsantenne des ersten Antennensystems stammen, und mit einer Schaltung, der die Signale S₁ und S₅ zugeführt werden und die ein Signal (erstes Meßsignal) liefert, dessen Frequenz mit einer gewissen Annäherung einMaß für den zu

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messenden Winkel bildet, gekennzeichnet durch eine Empfangsanordnung für die Signale S₂ und S^, die von der Antennenzeile bzw. der Hilfsantenne des zweiten Antennensystems stammen, eine Schaltung, der die Signale S₂ und S. zugeführt werden, unä die ein Signal (zweites Meßsignal) liefert, dessen Frequenz mit einer Mehrdeutigkeit von K/T₂ (K = ganze Zahl) ein Maß für den zu messenden Winkel biläet, und durch eine Anordnung, der das erste Meßsignal und das zweite Meßsignal zugeführt werden und die einen Zahlenwert liefert, der von dem Wert des zu messenden Winkels abhängt, und die folgende Form hat? :

b(h + sr* + q)

worin b und h Konstante sind, K eine von der Frequenz des ersten Meßsignals abhängende ganze Zahl ist und q eine durch die Frequenz des zweiten Meßsignals bestimmte ganze Zahl ist, die dem Absolutwert nach kleiner als 1/T*

3. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antennensysteme im Zeit-Diplexbetrieb arbeiten, daß f₁ = f₂ und f, = f., daß die Hilfsantenne den beiden Systemen ge-

" meinsara ist, und daß eine Anordnung vorgesehen ist, welche das ihr zugeführte Signal auf zwei verschiedene Weisen moduliert, je nachdem, ob das erste Antennensystem oder das zweite Antennensystem in Betrieb ist.

4. Sender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das der Hilfsantenne zugeführte Signal abwechselnd durch zwei Mederfrequenzsignale der Frequenz F bzw. F« amplitudenmoduliert wird.

5. Empfänger nach Anspruch 2, der für die Zusammenarbeit mit einem Sender nach Anspruch 4 bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sein Niederfrequenzausgang parallel zwei Filter speist, die auf die Frequenz F bzw. die Frequenz F¹ abgestimmt sind, daß ein erster Umschalter vorgesehen ist, der wenigstens

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einen Steuereingang hat, der an den Ausgang eines der Filter angeschlossen ist und sein Eingangssignal entweder zu einem dritten Filter liefert, welches das erste Meßsignal abgibt, oder zu einem zweiten Umschalter mit zwei Ausgängen, die mit den Eingängen eines vierten Filters bzw. eines fünften Filters verbunden sind, von denen das eine ^x · oder das andere das zweite Meßsignal in Abhängigkeit von der Frequenz des ersten Meßsignals liefert.

Empfänger nach Anspruch 2 oder 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung, der das erste Meßsignal und das zweite Meßsignal zugeführt werden, eine erste Zählanordnung enthält, welche digitale Signale liefert die von der Frequenz des ersten Meßsignals abhängen, sowie eine erste Hilfsschaltung, welche Signale liefert, die die Lage des mit Hilfe der erst'en Zählanordnung gemessenen Winkelwertes, in dem ©inen oder in dem anderen von aufeinanderfolgenden Wertebereichen von O ausdrücken, .deren Grenzwerte wenigstens annähernd den Lösungen der folgenden Gleichung entsprechen:

worin K eine algebraische ganze Zahl ist, und eine zweite Hilfsschaltung, welche Signale liefert, die die Lage des mit Hilfe der ersten Zählanordnung gemessenen Wertes des Winkels ö in der einen oder anderen von zwei Gruppen von aufeinanderfolgenden Intervallen des Wertes von θ ausdrücken, deren Grenzwerte wenigstens annähernd den Lösungen der folgenden Gleichung entsprechen:

worin K¹ eine algebraische ganze Zahl ist, wobei eine der Gruppen durch die geradzahligen Intervalle und die andere

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Gruppe durch die ungeradzahligen Intervalle gebildet ist, und daß eine zweite Zählanordnung vorgesehen ist, der einerseits Impulse zugeführt werden, deren Anzahl von der Frequenz des zweiten Meßsignals abhängt, und andererseits Impulse, deren Anzahl durch die erste Hilfsschaltung bestimmt ist.

7. Empfänger nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Umschalter von der zweiten Hilfsschaltung gesteuert wird.

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