DE2224400A1

DE2224400A1 - Funkortungssystem, insbesondere landesystem

Info

Publication number: DE2224400A1
Application number: DE2224400A
Authority: DE
Inventors: Karl Kohler
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1972-05-18
Filing date: 1972-05-18
Publication date: 1974-01-17
Also published as: JPS5234357B2; JPS5058995A; US3854138A; AU5588673A; ES414854A1; DE2224400C3; DE2224400B2; BE799706A; GB1387530A; IT987706B; FR2185033A1

Description

Die Bodenstationen des heute verwendeten Instrumentenlan'desystems (ILS) arbeiten entweder nach dem Einträgerverfahren oder nach dem Zweiträgerverfahren. Mit einer Trägerfrequenz arbeiten die ungerichteten Stationen (Landeanflugbake) und die Stationen mit gebündeltem Strahlungsdiagramm mit Nebenstrahlung (geformte Landekursanlage).

Bei dem Zweiträgerverfahren werden von zwei Antennenzeilen zwei gerichtete Strahlungsdiagramme abgestrahlt, von denen eines, das sogenannte Kursdiagramm, das einen schmalen Winkelbereich beiderseits der unveränderlichen Kurslini'e umfaßt, dem Piloten die Ablage von der Kurslinie anzeigt und von denen das andere das sogenannte Rundumdiagramm (clearance), das, sofern sich' das Plugzeug außerhalb des Bereichs des Kursdiagramms befindet, dem Piloten anzeigt, auf welcher Seite der Kurslinie das Flugzeug ist. Es dient somit dazu, i-n dem genannten Bereich einen definierten Zustand

15. Mai 1972 /

Ne/An

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K.Kohler-iJ _% *

des Ablageanzeigers im Flugzeug herzustellen, nämlich eine der beiden Endlagen. Die erwähnten gerichteten Strahlungsdiagramme kann man auch als Gruppen- oder Simultandiagramme bezeichnen, da sie von mehreren gleichzeitig strahlenden Strahlern herrühren.

Das ILS-System ist relativ anfällig gegen Fehler, die durch Mehrwegausbreitung hervorgerufen werden. Dies gilt für den Landekursteil und für den Gleitwegteil. Die Störanfälligkeit ist bei Zweiträgerverfahren kleiner ,als bei Einträgerverfahren.

Landesysteme mit wählbarem Anflugwinkel sind ebenfalls be-kannt

Es wird erwähnt, daß eine ähnliche Bodenstation wie bei der Erfindung bei anderen Systemen, z.B. bei Dopplerortungssystemen, bekannt ist. Dort dient die aufeinanderfolgende Anschaltung der Strahler der Antennenzeilen jedoch zur Erzeugung einer Dopplerfrequenz, die bei der Erfindung empfangsseitig überhaupt nicht ausgewertet wird.

Es wird auch noch erwähnt, daß in der älteren Anmeldung P 21 03 58Ο.3 geschützt ist, die Strahler einer Antennenzeile der Reihe nach strahlen zu lassen, um in der Bordstation die unterschiedlichen Phasen addieren zu können. Die Ermittlung von Zeigern und deren vektorielle Addition ist dort nicht beschrieben.

In der älteren Anmeldung P 22 03 442.0 werden die Strahler einer Antennenzeile ebenfalls nacheinander angeschaltet. Die bordseitige Auswertung der empfangenen Impulse erfolgt jedoch anders als bei der vorliegenden Erfindung.

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K. Kohler -4 - 3 -, "

Aufgabe

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrtuide, ein vollständig neues Funkortungssystem zu schaffen, bei dem ein Teil der Störungen, die durch Mehrwegausbreitung hervorgerufen werden, bordseitig eliminiert werden.

Das neue System ermöglicht außerdem die Wahl des AnflugwinkeB durch virtuelle Drehung der Strahlungsdiagramme in Richtung des Empfängers.

Vorteile

Bei den Gruppendiagrammen wird ein Teil der Fehler, die durch Mehrwegausbreitung entstehen, durch reflektierte Rundum strahlung hervorgerufen. Dieser Fehleranteil entfällt bei den virtuellen Diagrammen. Da in der Bodenstation zu einem Zeitpunkt nur ein Strahler strahlt, können gegenseitige Kopplungen der Strahler völlig vermieden werden, indem man geschaltete Dioden an geeigneter Stelle in»die Speiseleitung einfügt. Außerdem ist nur eine Strahler zeile und eine Frequenz erforderlich. Das neue System eignet sich zur Machbildung von Ein- und Zweiträgerverfahren.
Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Landebahn, eine

. Antennenzeile mit η = 18 Strahlern und drei Empfängerpositionen;

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K. Kohler -4 -A-

Fig. 2a bis

2c die an Bord zur Gewinnung des Rund»

umträgers aus den Impulsen von den Strahlern 1. 9 und 1. 10 der Antennenzeile nacheinander während eines Durchlaufs in den in Fig. 1 gezeigten Empfängerpositionen ermittelten Zeiger und deren Summen;

Fig. 3a bis

3c die an Bord zur Gewinnung des Rund-

umseitenbands aus den Impulsen von den Strahlern 1. 7 bis 1.12 der Antennenzeile nacheinander während eines Durchlaufs in den in Fig. 1 gezeigten Empfängerpositionen ermittelten Zeiger und deren Summen;

Fig. 4 die realen Gruppendiagramme von Rundum

träger und -seitenband bzw, die entsprechenden virtuellen Diagramme;

Fig. 5 den Verlauf der aus den Diagrammen nach

Fig. 4 gewonnenen Rundumanzeigegröße;

Fig. 6 die realen Gruppendiagramme von Kursträger

und -seitenband bzw. die entsprechenden virtuellen Diagramme;

-5-

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K. Kohler -4 - 5 -.,

Fig. 7 den Verlauf der aus den Diagrammen nach

Fig. 6 gewonnenen Kursanzeigegröße;

Fig. 8 bis

Fig. 11 die den in den Fig. 4 bis Fig. 7 gezeigten

Diagrammen· entsprechenden Diagramme bei einem gewählten Anflugwinkel ' Sk =20°;

Fig: 12 den Verlauf der Rundumanzeigegröße für die

Flugzeugpositionen ^ = 20 und <$ = -45 in Abhängigkeit vom Winkel ^α und

Fig. 13 ein Blockschaltbild eines Bordempfängers.

Anhand der Fig. 1 bis 6 wird zuerst die Wirkungsweise des Systems erläutert, und zwar beispielsweise für den Landekurs gemäß ICAO.

In Fig. 1 ist 2 eine Rollbahn in Draufsicht; am einen Ende ist eine horizontale Antennenzelle 1 mit gleichen Strahlern 1. 1 bis 1. 18 angeordnet, die zueinander parallel ausgerichtet sind. Der Abstand d der als Dipole gezeichneten Strahler ist für die Erläuterung gleich der Hälfte der Betriebswellenlänge λ ₃ also d = >/2. Es sind drei Anflugwinkel bzw. Empfängerpositionen A ( ^ = o°), B ( 5 * 10°) und C(S= 30°) eingezeichnet. Die Strahler 1. 1 bis 1. 18 werden der Reihe nach mit einem nicht gezeigten Sender verbunden und strahlen Impulse ab, die eine HF-Schwingung enthalten, deren Amplitude und Phase für alle Strahler gleich ist. Vor jedem Ab strahl zyklus wird über den Strahler . 1. 1 eine Impulsgruppe abgestrahlt.

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3 0 9 8 R 3 ./ 0 6 1 ?

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Im Empfänger werden die Impulse im Takt der Anschaltung der Strahler der Antennenzeile verarbeitet und beim Auftreten der Impulsgruppe wird festgestellt, daß nun der Impuls vom Strahler 1. 1 folgt, so daß sich eine eindeutige Zuordnung der empfangenen Impulse zu den Strahlern ergibt. Wählt man den vom Strahler 1. 1 empfangenen Impuls als Bezugsimpuls, dann können mit einer im Empfänger vorhandenen Meßeinrichtung die Phasen Ψ 2 bis Ψ 18 für die von den Strahlern 1. 2 bis 1. 18 empfangenen Impulse gegenüber der Phase ψ 1 des Bezugsimpulses gemessen werden. Ebenso können die Amplituden A2 bis A18 der empfangenen Impulse, bezogen auf die Amplitude Al des Bezugsimpulses, gemessen werden. Für die folgende Erläuterung wird angenommen, daß keine Störungen vorliegen. Dann nehmen die Amplituden A2 bis A18 alle den Wert der Amplitude Al an. Für die Erläuterung wird angenommen, daß dieser Wert 1 ist.

Da man jeden Impuls eindeutig einem Strahler zuordnen kann, erhält man so für jeden Impuls im Empfänger ein Zahlenpaar, bestehend aus Betrag (Amplitude) und Phase. Jedes Zahlenpaar stellt eine komplexe Zahl bzw*' einen Zeiger dar. Diese komplexe Zahl stellt die Feldstärke dar, die der betreffende Einzelstrahler am Ort des Empfängers, bezogen auf den Bezugs strahl er, erzeugt. Da der vom Strahler 1. 1 kommende Impuls der Bezugsimpuls ist, hat das zugehörige Zahlenpaar immer die Phase 0 für alle Empfängerpositionen. Die Phasen der Zahlenpaare für die Impulse von den anderen Strahlern hängen von der Empfängerposition ab.

Die gemessene Feldstärke, d. h. die ermittelten Zeiger der Impulse von allen Strahlern, werden im Empfänger gespeichert. Aus den Meßwerten werden, wie später erläutert, alle die Informationen gewonnen, die beim bekannten ILS-System aus den von den gleichzeitig strahlenden

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Kurs- und Rundumantennen (clearance) empfangenen Signalen abgeleitet werden, nämlich Kursträger, Kursseitenband, Rundumträger und Rundumseitenband.

Es wird nun zunächst erläutert, wie bei der Erfindung die Runduminformation gewonnen wird. Hierbei wird der Anschaulichkeit wegen die Zeigerdarstellung verwendet.

Die Runduminformation wird aus Rundumträger und Rundumseitenband

Rund ¹JjIL-gewonnen. Es wird zuerst der/Träger behandelt. Hierzu werden von den gespeicherten Meßwerten nur die von den Strahlern 1. 9 und 1. 10 empfangenen Meßwerte ausgewertet.

In den Fig. 2a bis c sind jeweils oben die Zeiger des Rundumträgers für die in Fig. 1 gezeigten Empfängerpositionen A, B und C dargestellt. Die Zahlen geben die Strahler-Nummer an.

Würde man die Strahler 1. 9 und 1. 10 der Antennenzeile nach Fig. 1 gleich zeitig mit gleicher Phase und Amplitude strahlen lassen, so ergäbe sich im Raum ein reales Gruppendiagramm gemäß . Kurve CT nach Fig. 4. Diese.Kurve zeigt das Gruppendiagramm des Rundumträgers auf

ο
den beiden Seiten der Kurslinie 6=0. Die Hauptkeule dieses Gruppendiagrammes liegt in der Richtung - <$ = 0 .

Da die Strahler aber nacheinander strahlen, ist im Raum nie dieses Gruppendiagramm vorhanden, sondern nur das Einzeldiagramm jeweils eines Strahlers. Aus den nacheinander empfangenen Impulsen und den daraus ermittelten Zeigern der Einzeldiagr'amme kann der Empfänger trotzdem die zu seiner Position gehörenden Werte des realen Gruppen-

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diagramms ermitteln, und zwar durch Bildung des Betrages der vektoriellen Summe der Zeiger der Impulse von den Strahlern 1. 9 und 1. 10. Der Empfänger enthält deshalb auch eine Einrichtung, die die Zeiger vektoriell addiert und den Betrag der Zeigersumnae bestimmt.

In den Fig. 2a bis c ist jeweils unten die Zeigeraddition dargestellt. Die Zeigersumme ist jedesmal mit V bezeichnet.

Für einen Empfänger in der Position A ( δ = 0 ) müssen alle Impulse einen gleich langen Weg zurücklegen (Fig. 2a). Da das HF-Signal in den Impulsen gleichphasig abgestrahlt wurde, muß es auch gleichphasig ankommen. Sämtliche Zeiger haben daher die Phase 0. Der Betrag S der Zeigersumme V ist S = 2 .

Für die Position B ( i* 10 ) sind die gemessenen Zeiger der Impulse von den Strahlern 1. 9 und 1. 10 und deren Summe in Fig. 2b dargestellt. Da die von den verschiedenen Strahlern abgestrahlten Impulse verschieden lange Wege bis zum Empfänger zurücklegen, sind die entsprechenden Phasen voneinander verschieden und die Zeiger haben verschiedene Richtungen. Die Phase ist jeweils um den Wert 2·π -y . sin δ

χ Ο ^O

gedreht, d. h. für ° = 10 und d ⁼ -um 31 pro Strahler; für den Strahler 1. 9 also 250 . Der Betrag S der Zeigersumnae V ist S = 1.92.

Fig. 2c zeigt die gemessenen Zeiger der Impulse von den Strahlern 1. 9 und 1. 10 und deren Summe für die Empfängerposiiion C ( δ = 30 ). Die Zeiger sind hier von Strahler zu Strahler jeweils um 90 gedreht. Der Betrag S dieser Zeigersumnae V ist S = 1.41.

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Würde man so für jeden Azimut δ durch vektorieile Addition der beiden Zeiger eine Zeigersumme S bestimmen, so wurden die Beträge der Zeigersummen für alle Winkel δ aufgetragen über δ eine Kurve ergeben, die virtuelles Diagramm genannt werden soll. Die Bezeichnung "virtuell" bringt zum Ausdruck, daß dieses Diagramm im Raum real nicht vorhanden ist.. Es ist aber identisch mit dem realen Gruppendiagrämm m ch Fig. 4, das entsteht, wenn die Strahler 1. 9 und 1. 10 der Antennenzeile nach Fig. 1 gleichzeitig mit gleichem Betrag und glei eher Phase gespeist werden.

Es wird nun das Rundum seitenband behandelt.

Hier werden von den gespeicherten Meßwerten die von den Strahlern 1. bis 1.12 empfangenen Impulse ausgewertet. Die Meßwerte werden nicht mit der gemessenen Amplitude weiterverarbeitet, ausgenommen die beiden mittleren, sondern mit von der Mitte der betrachteten Strahler nach außen abnehmender Amplitude. Die Amplituden der Strahler 1. 7 und 1.12 werden mit dem Faktor l/5 und die der Strahler 1. 8 und 1. 11 mit dem Faktor l/3 multipliziert. Da im Empfänger das Doppelkeulendiagramm des Rundumseitenbandes nachgebildet werden soll, ist es notwendig, die Phasen der Meßwerte von der einen Hälfte der Strahler, nämlich der Strahler 1. 7 bis 1. 9, um 180 zu drehen bzw. deren Amplitude zu invertieren. Die so veränderten Zeiger werden vektoriell addiert und der Betrag S der Zeigersumme V gebildet.

In den Fig. 3a bis 3c sind jeweils wieder oben die Zeiger des Rundumseitenbandes für die in Fig. 1 gezeigten Empfängerpositionen A, B und C und unten die Zeigersummen dargestellt. Die im Zusammenhang mit den Fig. 2a bis 2c angestellten Betrachtungen über reales Gruppendia-

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gramm und virtuelles Diagramm gelten für die Fig. 3a bis 3c entsprechend. Die sich ergebende Kurve ist in Fig. 4 gestrichelt gezeichnet und mit S bezeichnet.

Wie erläutert, werden bisher die beiden folgenden Beträge gebildet:

^Sct = I ^Vct I =1 ^Zn ^{+ Z}n
2 1

^Scs ⁼ I ^Vcsl =1 - 1 ψ-2 - \ ψ -1 -^Zn ₊ §ü₊l ₊ l ^ ₊2 ₊±

Hierbei ist Ζ_υ ( ν = l n) der Zeiger, der aus den Meßwerten des

Impulses voni v-ten Strahler gewonnen wird . η ist die Anzahl der Strahler.

Aus diesen beiden Beträgen wird nun nach der Gleichung

q 3

λ es _ 120 es f 3 )

π " 3 ir d " S,*. «^ " S„*

die Rundumanzeigegröße Oc gebildet. Die Kurven Scs und Set sind, wie Fig. 4 zeigt, so gewählt, daß ihr Verhältnis S / S_c1_ in der Kursrichtung

δ =0 durch den Wert 0 geht und daß es in einem Sektor beiderseits der Kurslinie 6=0 linear verläuft. Es ist zweckmäßig, das Verhältnis mit einem Faktor zu multiplizieren, so daß die Anzeigegröße in einem schmalen Sektor beiderseits der Kurslinie δ= ο mit der Winkelablage des Empfängerstandorts von der Kurslinie 6=0 identisch ist. Im vorliegenden Beispiels ist dieser Faktor ——- . Tr^r-, · Durch andere

-H-

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Wahl des Faktors könnte man auch erreichen, daß die Rundum-Anzeigegröße gleich der Differenz der Modulationsgrad (DDM) ist, die durch die bekannten Verfahren geliefert wird. Bezeichnet man die Kursbreite mit Sl (das ist diejenige Winkelabweichung in Grad von der Kurslinie 6=0, bei der die DDM den Wert 0, 155 annimmt), dann wäre der neue

Faktor —	, 155 Jk · "	180 —■* π	' 3	λ	d
Es wäre	also			π
	DDM	_ o,	155		180
				TT

^Scs ( 3a

3 ττ d Set

θ in Abhängigkeit von der Flugzeugposition δ ist in der Fig. 5 dargestellt. Da diese im Rundumbereich gewonnene Rundum-Anzeigegröße θ hauptsächlich dazu dient, die Richtung der Abweichung von der Kurslinie anzugeben, ist es erforderlich, diese zu bestimmen. Hierzu dient die Gleichung

S =1 V + i V ! hierin ist ( χ² * _ι) ( Ά )

^c et es

Ist S(, ^> S_ct, dann befindet sich der Empfänger auf der einen Seite der Kurslinie, d.h. im Bereich positiver Winkel <$ ; ist S_ _^K S^ dann befindet sich der Empfänger im Bereich negativer Winkel δ . Die Bestimmung der Rundum-Anzeigegröße O ' erfolgt laufend mit jeweils neuen Meßwerten.

Wird im Empfänger festgestellt, daß! die Rundum-Anzeigegröße ©_c einen Wert erreicht hat, der einem Winkel . <S entspricht, der kleiner als 3 ist, dann werden im Empfänger aus den Meßwerten ähnliche Vektorsummen für den Kursträger KT und das Kurs seitenband KS wie bei der beschriebenen Rundumstrahlung gebildet.

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K. Kohler -4

Es werden hierbei allerdings die Zeiger aus denMeßwerten der Impulse aller Strahler vektoriell addiert. Vor der Vektoraddition werden die Amplituden aller Zeiger durch Multiplikation mit Faktoren i , für den Kursträger bzw. i für das Kurs seitenband verändert. Die
Faktoren für den Zeiger Z sind

i . = 1 - 0, 5 cos

vkt

i = ι _ o, 5 cos vks

^v 2	)	2	ⁿ J
' 1		π ^:
_ 2	₄	η

Da das Kurs seitenband ebenfalls ein Zweikeulendiagramm ist, werden wieder zusätzlich die Phasen der Impulse der einen Hälfte der Strahler

um 180 gedreht, d. h. deren Amplituden invertiert. Die Gleichungen

für die Bestimmung von Kursträger

und Kurs seitenband S sind:

ks

^;kt

³Xs

ks

ν _ η

ν =

iv_kt · Zv

5 )

ks

. Zv -

η/2 Σ

V=I

ν ks

Bestimmt man die Beträge der beiden Gleichungen für alle Winkel 6 dann erhält man die in der Fig. 6 dargestellten Kurven KT und KS. Die im Zusammenhang mit der Kurve CT in Fig. 4 angestellten Betrachtungen über reales Gruppendiagramm und virtuelles Diagramm gelten für diese Kurven der Fig. 6 entsprechend.

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K. Kohler -4

Aus den Beträgen der beiden Vektorsummen wird die Kurs-Anzeigegröße Q_k nach der folgenden Gleichung ermittelt .

180 2 ^{λ S}ks 40 ^Sks

40
Auch hier ist der Paktor —- so gewählt, daß die Kurs-Anzeigegröße

TT Ci

O in einem Sektor beiderseits der Kurslinie δ *0 identisch ist mit der Winkelablage des Empfängerstandorts δ von der Kurslinie ^δ = 0. Man könnte auch erreichen, daß die Kurs-Anzeigegröße mit der DDM übereinstimmt. Dann muß sein:

DDM = -i

Das Vorzeichen, d. h. die Richtung, der Kurs-Anzeigegröße wird durch Vergleich von

mit S^-t^ermittelt' ^die Kurs-Anzeigegröße Q^ und deren Vorzeichen dienen direkt zur Steuerung des Ablageanzeigers im Flugzeug. Die Bestimmung von Q^. geschieht laufend mit den jeweils neuen Meßwerten, solange bis der Landeanflug beendet ist. Falls ein Durchstarten erforderlich geworden ist, wird wieder auf die Rundumermittlung umgeschaltet, sobald Q^. einen Wert annimmt, der einem δ > 3 entspricht.

Es läßt sich zeigen, daß die Fehler infolge Mehrwegausbreitung gleich ausfallen, unabhängig davon, ob virtuelle Diagramme oder reale Gruppendiagramme verwendet werden, sofern die Diagramme nur gleich sind. Deshalb verhält sich die virtuelle Nachbildung von Kursträger-

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und Kursseitenbanddiagramm hinsichtlich der Fehler durch Mehrwegausbreitung genau so wie das entsprechende reale Gruppendiagramm. Die Fehler durch Mehrwegausbreitung setzen sich bei den realen Gruppendiagrammen aus zwei Anteilen zusammen. Einmal die Faktoren, die durch die Nebehzipfel hervorgerufen werden. Der andere Anteil kommt durch die reflektierte Rundumstrahlung zustande. Der zweite Anteil ist größer als der erste. Beim virtuellen Verfahren tritt der zweitgenannte Fehler überhaupt nicht auf. Ein weiterer Vorteil des virtuellen Verfahrens ist die Einsparung der zweiten Strahlerzeile. Eventuell auftretende Verkopplungen der Antennen können beim virtuellen Verfahren sehr gut beherrscht werden. Da jeweils immer nur ein einziger Strahler in Betrieb ist, können sämtliche Strahler durch Einfügen von geschalteten Dioden an geeigneter Stelle in den Speiseleitungen nahezu völlig entkoppelt und unwirksam gemacht werden. Diese Möglichkeit ist bei den realen Gruppendiagrammen nicht gegeben.

Es wird nun eine Weiterbildung der Erfindung beschrieben, die darin besteht, daß sich das anfliegende Flugzeug den Anflugwinkel selbst wählen' kann. Unterschiedliche Anflugwinkel sind besonders für den Gleitweg erwünscht, da der günstigste Gleitweg für die verschiedenen Flugzeugtypen verschieden ist. Beim Landekurs sind unterschiedliche Anflugwinkel bei VTOL - Flugzeugen und Hubschraubern, insbesondere au($j für militärische Verwendung, wichtig.

Derartige Landesysteme mit wählbarem Kurs sind an sich bekannt; sie arbeiten mit dauernd geschwenkten Gruppendiagrammen. Dabei muß von der Bodenstation zur Bordstation dauernd der Winkel übertragen werden, den das Maximum des Gruppendiagramms gerade hat, da allein aus der Amplitude einer Feldstärkemessung keine. Ortungsinformati on gewonnen werden kann.

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Bei der Weiterbildung der Erfindi ng werden keine am Boden dauernd geschwenkten Gruppendiagramme verwendet, sondern es werden im Empfänger die Werte virtuell gebildet, die am Ort des Empfängers vorhanden wären, wenn die beiden Gruppendiagramme in die Richtung des gewünschten Anflugwinkels gedreht wären.

Würde man nämlich die Strahler der Antennenzeile nach Fig. 1 gleichzeitig mit gleicher Amplitude und mit um ν.α(ν = 1...η;α = konstanter Winkelwert) veränderten Phasen speisen, so wurden sich im Raum reale Gruppendiagramme ergeben, die um einen Winkel gegenüber den Gruppendiagrammen gedreht sind, die in Richtung der Kurslinie

<S = ο strahlen. Dieser Winkel ergibt sich aus nachstehender G iLeichung:

• δ ^α° ( 9 )

^arC

Wegen der aufeinanderfolgenden Anschaltung der Strahler gibt es diese gedrehten Gruppendiagramme im Raum nicht. Man kann sich jedoch gedrehte virtuelle Diagramme denken, die auf ähnliche Weise Zustandekommen, wie die ungedrehten virtuellen Strahlungsdiagramme. Diese gedrehten Gruppendiagramme bzw. die gedrehten virtuellen Diagramme haben nahezu den gleichen Verlauf wie die ungedrehten Diagramme in den Fig. 4 und 6, jedoch in Richtung der ° -Achse verschoben.

Um im Empfänger die oben erwähnten Werte virtuell zu bilden, werden die Phasen ψ der gespeicherten Meßwerte der Impulse aller Strahler um Vielfache des Winkels ^α geändert, wobei sich ^α aus dem gewünschten Anflugwinkel δ^ aus der Gleichung (9) ergibt:

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α = - 2 * . j . sin «_k (10)

Die geänderten Phasen Ψ' ergeben sich aus den gemessenen Phasen ^v nach der Gleichung

Ψ'_{ν =} ψ_ν+ν . α (V=I ... η) ( ¹I )

Es werden nun wieder die Werte für Rundumträger und -seitenband nach den Gleichungen (1) und (2) ermittelt. Dabei werden anstelle der gemessenen Zeiger Z_v die Zeiger Z'_v mit den geänderten Phasen verwendet.

Die sich ergebenden virtuellen Diagramme sind in Fig. 8 für einen Anflugwinkel 6 =20 dargestellt, wobei das Rundumträgerdiagramm wieder mit CT und das Rundumseitenbanddiagramm wieder mit CS bezeichnet ist.

Fig. 9 zeigt die dazugehörige Rundum-Anzeigegröße G_c, die nach der Gleichung (3) ermittelt ist.

Wie man aus der Fig. 9 sieht, reicht das Vorzeichen von( S_c - S ..)nicht aus, um eindeutig über die Richtung der Ablage zu entscheiden. Im betrachteten Fall bei &y. =2o° folgt aus(S„ - S_ct)^< ο , daß sich der Empfänger im Sektor °_p< δ < 6. befindet, wobei sich δ_σ aus

der Gleichung

sin ^δρ. = sin &_k - ( 1? )

berechnet. Hieraus folgt zwar eindeutig δ < δ, . Wenn dagegen ( es

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sei immer noch δ \r > 0) der Ausdruck(S_p" - ^-) > 0 ausfällt, kann entweder ^ sein oder δ < "^. Es ist also zunächst keine eindeutige Aussage möglich, ob δ größer oder kleiner ist als ¹^. Durch eine Zusatzrechnung im Empfänger kann aber diese Frage eindeutig geklärt werden. Man muß nämlich die Berechnung von S^ und S _nnach den Formeln (1) bis (3) auch noch für ^α = 0 durchführen. Die Vorzeichen von S_c - S₀f einmal für ^α =0, das andere Mal für ^α = - 2 ^π r- . sin *v , .bestimmen in eindeutiger Weise die Richtung der Ablage. Man muß zwei Fälle unterscheiden, je nach dem Vorzeichen von Ot^ . Für c% > 0 ist δ >δ\<· ^ falls beide Vorzeichen positiv ausfallen, sonst ist δ < δ^ . Für δν < 0 ist ^^<(^k , falls beide Vorzeichen negativ ausfallen, sonst ist δ >δ^ . Damit läßt sich das Vorzeichen von O_c (Gleichung 3) eindeutig festlegen.

Der Empfänger bleibt auf der Rundumeinstellung, falls ! Q_n · ^> 3 ausfallt, und es wird nur die Richtung der Ablage vom eingestellten Kurs δ . zur Anzeige ausgegeben.

Sobald iO„ 1 ^< 3 wird, schaltet der Empfänger auf die Kursermittlung um und es wird nun Kursträger- und -seitenband nach den Gleichungen (5) und (6) ermittelt, wobei wieder die geänderten Phasen verwendet werden. Die sich ergebenden virtuellen Diagramme sind in Fig. 10 gezeigt.

Aus den Beträgen der beiden Vektorsuinmen wird die Kurs-Anzeigegröße nach der folgenden Gleichung ermittelt:

1 40 ^KS ( 7h )

k cos δ γ ' π 2

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Das Vorzeichen von Q^ wird dabei aus Gleichung (8) gewonnen. Die Kurs-Anzeigegröße ist in einem schmalen Sektor von -1,5 beiderseits der eingestellten Kurslinie gleich der Ablage in Winkelgrad des Empfängers von dieser Kurslinie. Sie wird direkt angezeigt. Ihr Verlauf ist in Fig. 11 gezeigt.

Man kann-sich die Wirkungsweise im-Empfänger so vorstellen, daß-mit der Veränderung der Zeiger um den Winkel να die ursprünglich auf den virtuellen Diagrammen für = 0 liegenden, der Empfangsrichtung zugehörigen virtuellen Punkte auf die entsprechenden virtuellen Punkte der gedrehten virtuellen Diagramme übergehen, d. h. es werden die Feldstärken ermittelt, die vorhanden wären, wenn die Diagramme in Richtung des eingestellten Kurses gedreht wären.

Bei der Grundform des Systems nach der Erfindung ist der Anflugwinkel starr festgelegt und nur in einem schmalen Sektor beiderseits der Kurslinie wird die Ablage des Empfängers von der Kurslinie angezeigt. Bei der ersten Weiterbildung ist durch Einführen der Phasenänderung um den konstanten Winkel der Kurs - ^ wählbar. Sein Wert ist vom Benutzer des Empfängers einzugeben. Aber auch hier ist eine genaue Richtungsbestimmung nur in der Xähe der eingestellten Kurslinie möglich.

Es wird nun eine andere Weiterbildung beschrieben, bei der der Winkel α verschiedene Werte annehmen kann. Diese Maßnahme versetzt den Empfänger in die Lage, den Azimut auch außerhalb des schmalen Sektors zu bestimmen. Es wird hierbei nur die Verarbeitung der Zahlenpaare im Empfänger geändert, die Bodenanlage und der Meßteil des Empfängers bleiben ungeändert.

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Nach dem Einschalten arbeitet der Empfänger zunächst im Suchbetrieb. Dabei wird die Rundumstrahlung nach den Gleichungen (1) bis (3) ermittelt und zwar zuerst mit^a =0. Je nach dem Azimut des Empfängers ergibt sich dabei.ein positiver oder ein negativer Wert von G^ (Fig. 5). Ist ι θ. Κ 2 , dann wird der Suchbetrieb beendet und auf die Kursdia-

gramme umgeschaltet. Ergibt sich dagegen ein Wert 1 Q<j ^> 2 , dann ist das Vorzeichen sign ( O ) entscheidend für den weiteren Portgang der Signalverarbeitung. Die Rundumstrahlung wird für einen neuen Wert der Winkels ^α wiederholt, nämlich

= . sign ( O_c ) . 6°

Die Zahl 6 ist so gewählt, daß für die neue Rechnung der Kurs 'S ^ um etwa 2 in Richtung zum Standort des Empfängers verschoben wird. Beim Ergebnis O₀ (a^) ist wieder zu prüfen, ob sein Betrag kleiner als 2 ist. Wenn ja, ist der Suehvorgang abgeschlossen und es wird auf Kursbetrieb umgeschaltet. Bei'nein wird der Vorgang mit ^α = 2*α^ wiederholt. .So fährt man fort mita = 3·α^; a = 4 _a^usw. bis G_c (a ) einmal dem Betrag

ο
nach unterhalb von 2 bleibt. Dann wird zum Kursbetrieb umgeschaltet. Fig. 12 zeigt den Ablauf des Suchbetriebs. Als Empfängerstandort ist einmal 5= 20 gewählt und in einem zweiten Beispiels = - 45 . Für

<$ = 20° liefert die erste Rechnung ( α = 0°) das Ergebnis O_r (o) = 13, Man muß also mit α= _ 6 , -12 ; -18 usw. fortrechnen. Erst die Rechnung mita= -60 liefert ein Ergebnis, dessen Betrag kleiner als ist, nämlich Q (-60) = 0, 528. Für einen Empfänger im Azimut δ = -45 wird bei der ersten Rechnung ( ^a= o) die Richtungsinformation O (o) = -19, 156 ermittelt. Daher sind die weiterenRechmmgenm.it ^α = 6 , 12 usw. durchzuführen. Erst bei der Rechnung mit^a =126 findet man ein Ergebnis, dessen Betrag kleiner als 2 ist, nämlich

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O (126) = - 0, 570. Jetzt schaltet der Empfänger auf Kursbetrieb um.

Das Ziel des Suchbetriebs war, einen grc£ en Wert für ^α zu gewinnen, so daß der zugehörige Betrag von O_c kleiner als 2 wird. Führt man mit diesem⁰ den Kursbetrieb durch, dann ist sichergestellt, daß der Empfänger im Bereich der Hauptkeulen der virtuellen Kursdiagramme liegt. In einem zweiten Schnitt wird gemäß der Gleichung (10) aus ^α der Wert ^y ermittelt. Dann stellt

δ = 6_k + Q ( 12 )

einen guten Näherungswert für den Azimut des Empfängers dar. Da aber, wie Fig. 5 zeigt, die Kurve G^ innerhalb des Bereichs - 2 beiderseits &, nicht streng linear verläuft, ist δ noch nicht sicher der genaue Wert. W an rechnet daher

α = -2ΤΓ . j . sin <5 ( 13 )

und führt für dieses neue Phaseninkrement α den Kursbetrieb ein zweites Mal durch. Das führt zu einem neuen Gfr; sein Wert liegt im linearen Bereich der Kurve Q^. Mit Hilfe von Gleichung (9) läßt sich jetzt der Azimut δ des Empfängers ermitteln.

Wenn sich der Empfänger in einem schnellfliegenden Flugzeug befindet, so ändert er trotzdem seinen Standort zwischen zwei aufeinanderfolgenden Antennenzyklen nur wenig, da die Zyklen schnell aufeinanderfolgen. Hat man also für einen Durchlauf den Standort & genau ermittelt, so kann dieser Wert als Ausgangspunkt für die Auswertung beim nächsten Durulauf dienen. Der Empfänger ermittelt dazu α aus Gleichung (13) und

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arbeitet im Kursbetrieb, wobei sich gegenüber früher nur die Zeiger im Zwischenspeicher geändert haben, da dieselben aus dem neuen Durchgang stammen. Das Ergebnis der Rechnung ist θ^. Addiert man dies zum alten Wert δ _} so erhält man den neuen Azimut <"> . Man braucht also den Suchbetrieb nicht jedesmal neu zu wiederholen, sondern kann die Kursdiagramme sozusagen am Empfänger festbinden und mitschleppen, wenn der Empfänger seinen Standort verändert "(tracking).

Indem der Empfänger die gebündelten virtuellen Kursdiagramme auf seinen Standort ausrichtet, können Störer, die im Bereich der Nebenkeulen liegen, nur noch stark reduzierte Meßfehler infolge Mehrwegausbreitung erzeugen.

Es wird nun das Blockschaltbild des Empfängers nach Fig. 13 beschrieben Die HF-Impulse werden von einer Antenne 3 aufgenommen und gelangen von dort über eine abstimmbare Vorstufe 4 zur Mischstufe 5, an deren anderem Eingang eine HF-Schwingung von einem Oszillator 6 liegt. Dem Ausgang der Mischstufe 5 ist ein erster ZF-Teil 7 nachgeschaltet. Hinter dem ersten ZF-Teil liegt ein Umschalter 8, der in der gezeichneten Stellung den ersten ZF-Teil mit einem Oszillator 10 verbindet. Befindet sich der Umschalter 8 in der anderen Stellung, dann ist der erste ZF-Teil mit einem zweiten ZF-Teil 9 verbunden, an dessen Ausgang eine Amplitudenmeßeinrichtung 11 und eine Phasenmeßeihrichtung 12 angeschlossen sind. Der Ausgang des Oszillators 10 ist mit den zweiten Eingängen der Amplitudenmeßeinrichtung 11 und der Phasenmeßeinrichtung 12 verbunden. Die Ausgänge der Meßeinrichtungen 11 und 12 führen zu einem Rechner 13, an dessen Ausgang der Ablageanzeiger und eventuell eine Anzeigeeinrichtung für Azimut bzw. Elecation angeschlossen ist.

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Am Ausgang des ersten ZF-Teils 7 ist auch eine Einrichtung 15 zur Erkennung der Impulsgruppe und zur Betätigung des Umschalters 8 und Steuerung des Rechners 13 angeschlossen. Erkennt die Einrichtung 15 die Impulsgruppe, dann gibt sie ein Signal an den Rechner 13 und bringt den Umschalter in die gezeichnete Stellung, so daß der dann folgende Impuls vom ersten Strahler auf den hochgenauen Oszillator 10 gelangt und diesen bezüglich Amplitude und Phase synchronisiert.

Nach dem ersten Impuls gelangt der Umschalter 8 in die nicht gezeigte Stellung, so daß die folgenden Impulse über den zweiten ZF-Teil 9 auf die Meßeinrichtungen 11 und 12 gelangen. Die Phase und die Amplitude des Ausgangssignals des Oszillators 10 sind die Meßgrößen des ersten Impulses und sie dienen als Bezugsgrößen für die Messung der Phasen und der Amplituden der Impulse vom zweiten bis η-ten Strahler. Die Amplituden- und die Phasenmeßeinrichtung sind bekannt und werden daher nicht näher erläutert.

Die Phasenwerte Ψ_ν und die Amplitudenwefte Α_υ(^ν = 1. . . η) werden im Speicher des Rechners oder in einem getrennten Speicher am Speicherplatz ^v abgespeichert. Die Einspeicherung wird von einem nicht gezeigten Zähler gesteuert, der mit dem gleichen Takt wie die Anschaltung der Strahler der Antennenzeile weitergeschaltet und der beim Auftreten der Impulsgruppe in die Anfangslage gebracht wird;

Aus den Amplitudenwerten A_n, und den Phasenwerten ^ ermittelt nun der Rechner die Rundum- und Kurs-Anzeigegrößen O und O wie oben beschrieben.

Patentansprüche Bl. Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche

.j Funkortungssystem, insbesondere Landesystem, bei dem in der Bordstation die- Abweichung in einem schmalen Winkelbereich beiderseits eines vorgegebenen Werts von Azimut bzw. Elevation angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet,

daß in der Bodenstation η gleiche und im gleichen Abstand zueinander angeordnete Strahler einer Antennenzeile bzw. -reihe zyklisch nacheinander Impulse einer HF-Schwingung · mit gleichem Betrag und gleicher Phase abstrahlen, daß vor jedem Abstrahlzyklus eine ImpulsgruDpe abgestrahlt wird,

daß in der Bordstation für jeden Impuls jedes Strahlers Phase und Amplitude der HF-Schwingung, bezogen auf einen der Impulse, gemessen und die Meßwerte vektoriell addiert, werden und der Betrag dieser ersten Summe ermittelt wird, wobei dieser Betrag der Amplitude der Feldstärke entspricht, die ein Gruppendiagramm mit eine.r Hauotkeule senkrecht zur Antennenzeile am Ort des Empfängers erzeugen würde, und daß außerdem die unveränderten Meßwerte der einen Hälfte der Strahler und die in der Phase um " l80 gedrehten Meßwerte der anderen Hälfte der Strahler vektoriell addiert werden und der Betrag dieser zweiten Summe ermittelt wird, wobei dieser Betrag der Amplitude der Feldstärke entspricht, die ein Gruppendiagrämm mit zwei Hauptkeulen mit dazwischenliegendem Nulleinzug senkrecht zur Antennenzeile am Ort des

15- Mai 1972

Ne/An ./.

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Empfängers erzeugen würde, und daß der Quotient der beiden Beträge gebildet und als Ortungsinformation verwendet wird.
2. Funkortungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Meßwerte vor der Weiterverarbeitung verändert werden.
3. Funkortungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung einer Rundumstrahlung (clearance) die Vektorsummen aus den Meßwerten einer Anzahl von Strahlen im Mittelbereich der Antennenzeile empfangenen Impulse .gebildet werden. ,
4. Funkortungssystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bordstation der Anflugwinkel wählbar ist und daß vor der Vektorsummenbildung durch die Einstellung des Anflugwinkels die Phase des ersten Impulses' um einen vom eingestellten Anflugwinkel abhängigen Winkel ( ^α ) und die Phasen der folgenden Impulse um das ihrer Ordnungszahl entsprechende Vielfache (2 ot ,3« rf* ) dieses

Winkels ( ^α ) verändert werden, derart, daß die Vektorsummen den Feldstärken entsprechen, die entstehen würden, wenn die beiden Gruppendiagramme in Richtung des eingestellten Anflugwinkels strahlen würden.
5. Funkortungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Bestimmung der Flugrichtung die Phasen der Meßwerte der von den Strahlern im Mittelbereich der Antennenzeile empfangenen Impulse eines Antennenzyklusses

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mit sich schrittweise ändernden Werten des Winkels (^a ) geändert werden, wobei für jeden Wert des Winkels (^a) die beiden Vektorsummen und der Quotient ihrer Beträge gebildet werden, solange bis der dem Quotienten.zugeordnete Winkel in einem schmalen Winkelbereich beiderseits der zum gerade vorhandenen Wert des Winkels ( α ) zugehörigen Diagrammrichtung liegt, daß anschließend die Phasen der Impulse aller Strahler um das ihrer Ordnungszahl entsprechende Vielfache dieses Wertes des Winkels ( α ) geändert werden und die beiden Vektorsummen und der Quotient der Beträge gebildet werden, wobei der Quotient der Ablage der Flugrichtung von der Diagrammrichtung entspricht, daß aus dem Wert des Winkels ( α) die Diagrammrichtung ermittelt wird und daß die Summe aus diesem Winkel und aus der Ablage als Ortungsinformation angezeigt wird.

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