DE2224400C3

DE2224400C3 - Navigationssystem, insbesondere Landesystem

Info

Publication number: DE2224400C3
Application number: DE2224400A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Math. 7251 Heimerdingen 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: 1975-05-07
Also published as: JPS5058995A; ES414854A1; GB1387530A; JPS5234357B2; BE799706A; IT987706B; DE2224400A1; FR2185033A1; AU5588673A; US3854138A; DE2224400B2

Description

Die Bodenstationen des heute verwendeten Instrumentenlandesystems (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 Kurslinie umfaßt, dem Piloten die Ablage von der Kurslinie anzeigt und von denen das andere, das sogenannte Rundumdiagramm (clearance), — sofern sich das Flugzeug außerhalb des Bereichs des Kursdiagramms befindet —, dem Piloten anzeigt, auf welcher Seite der Kurslinie das Flugzeug ist Es dient somit dazu, in dem genannten Bereich einen definierten Zustand 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 Zweitträgerverfahren kleiner als bei Einträgerverfahren.

Landesysteme mit wählbarem Anflugwinkel sind ebenfalls bekannt.

Eine ähnliche Bodenstation wie bei der Erfindung ist bei Dopplernavigationssystemen bekannt. Bei diesen dient die aufeinanderfolgende Anschaltung der Strahler der Antennenzeile zur Erzeugung einer Dopplerfrequenz, die bei der Erfindung empfangsseitig überhaupt nicht ausgewertet wird.

Es wird ei währ 1, daß in dem älteren Patent deutsche Patentschrift 2 203 442, das ein Funknavigationssystem zur Messung von Azimut oder Elevation betrifft, in der Bodenstation die Strahler einer Antennenzeile ebenfalls nacheinander angeschaltet werden. In der Bordstation werden für jeden Impuls jedes Strahlers Phase und Amplitude der HF-Schwingung, bezogen auf einen der Impulse gemessen und die Meßwerte vektoriell addiert, und es wird der Betrag dieser

:rsten Summe ermittelt, wobei dieser Betrag der Amplitude der Feldstärke entspricht, die ein Gruppeniiagramm mit einer Hauptkeule senkrecht zur Anennenzeile am Ort des Empfangers erzeugen würde. Die weitere Auswertung geschieht in anderer Weise, Ade bei der Erfindung.

Der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung liegt dk Aufgabe zugrunde, ein Funknavigationssystem nach Art des ILS-Systems zu schaffen, bei dem bordseitig mit Hilfe von virtuellen Diagrammer ein Teil der Störungen, die durch Mehrwegausbreitung hervorgerufen werden, eliminiert werden.

Das neue System ermöglicht außerdem die Wahl des Anflugwinkels durch Drehung der virtuellen Strahlungsdiagramm« in Richtung des Empfangers.

Bei den Gruppendiagrammen wird ein Teil der Fehler, die durch Mehrwegausbreitung entstehen, durch reflektierte Rundumstrahlung 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 Strahlerzeile und eine Frequenz erforderlich. Das neue System eignet sich zur Nachbildung von Ein- und Zweiträgerverfahren.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Landebahn, eine Antennenzeile mit η = 18 Strahlern und drei Empfängerpositionen,

F i g. 2a bis 2c die an Bord zur Gewinnung des Rundumträgers aus den Impulsen von den Strahlern 1.9 und 1.10 der Antennenzeile nacheinander während eines Durchlaufs in den in F i g. 1 gezeigten Empfangerpositionen ermittelten Zeiger und deren Summen.

F i g. 3a bis 3c die an Bord zur Gewinnung des Rundumseitenbands aus den Impulsen von den Strahlern 1.7 bis 1.12 der Antennenzeile nacheinander während eines Durchlaufs in den in F i g. 1 gezeigten Empfängerpositionen ermittelten Zeiger und deren Summen,

F i g. 4 die realen Gruppendiagramme von Rundumträger und -seitenband bzw. die entsprechenden virtuellen Diagramme,

ι i g. 5 den Verlauf der aus den Diagrammen nach F i g. 4 gewonnenen Rundumanzeigegröße,

F i g. 6 die realen Gruppendiagramme von Kursträger und -seitenband bzw. die entsprechenden virtuellen Diagramme,

F i g. 7 den Verlauf der aus den Diagrammen nach F i g. 6 gewonnenen Kursanzeigegröße,

h ι g. 8 bis F i g. 11 die den in den F i g. 4 bis F i g. 7 gezeigten Diagrammen entsprechender Diagramme bei einem gewählten Anflugwinkel \ = 20 ,

Fig. 12 den Verlauf der Rundumanzeigegröße für die Flugzeugpositionen d — 20 und Λ = -45 in Abhängigkeit vom Winkel α und

Fi g. 13 ein Blockschaltbild eines Bordcmpfiingers.

An Hand der F i g. 1 bis 6 wird zuerst die Wirkunesweise des Systems erläutert, und zwar beispielsweise für den Landekurs gemäß ICAO.

In F i g. 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 /, d — λ/2. Es sind drei Anfiugwinkel bzw. Empfängerpositionen A (O = 0°), B (O = 10") und C {δ = 30 ) eingezeichnet. Die Strahler 1.1 bis 1.18 werden der Reihe nach mit einem nichtgezeigten Sender verbunden und strahlen Impulse ab, die eine HF-Schwingung enthalten, deren Amplitude und Phase für alle Strahler gleich ist. Vor jedem Abstrahlzyklus wird über den

ίο Strahler 1.1 eine Impulsgruppe abgestrahlt.

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 y> 18 für die von den Strahlern 1.2 bis 1.18 empfangenen Impulse gegenüber der Phase ψ I des Bezugsimpulses gemessen werden. Ebenso können die Amplituden A 2 bis /118 der empfangenen Impulse, bezogen auf die Amplitude A 1 des Bezugsimpulses, gemessen werden.

2s Für die folgende Erläuterung wird angenommen, daß keine Störungen vorliegen. Dann nehmen die Amplituden A 2 bis A18 alle den Wert der Amplitude A1 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 Bezugsstrahler, 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 Tür die Impulse von den anderen Strahlern hängen von der Fmpfängerposition 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 Kurs- und Rundumantennen empfangenen Signalen abgeleitet werden, nämlich Kursträger, Kursseitenband, Rundumträger und Rundumseitenband.

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

Die Runduminformation wird aus Rundumträger und Rundumseitenband gewonnen. Es wird zuerst der Rundumträger 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 2c sind jeweils oben die Zeiger des Rundumträgers für die in F i g. 1 gezeigten Empfangerpositionen A, B und C dargestellt. Die Zahlen geber die Strahler-Nummer an.

Würde man die Strahler 1.9 und 1.10 der Antennenzeile nach Fig. 1 gleichzeitig mit gleichei Phase und Amplitude strahlen lassen, so ergäbe siel·

im Raum ein reales Gruppendiagramm gemäß Kurve CT nach Fig.4. Diese Kurve zeigt das Gruppendiagramm des Rundumträgers auf den beiden Seiten der Kurslinie δ = 0°. Die Hauptkeule dieses Gruppendiagrammes liegt in der Richtung ό = 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 Einzeldiagramme kann der Empfänger trotzdem die zu seiner Position gehörenden Werte des realen Gruppendiagramms 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 Zeigersumme bestimmt.

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

Für einen Empfänger in der Position A (h = 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 (t> = 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 aen Wert 2 ■ .·? _} ■

sin f> gedreht, d.h. Tür A = 10' und d = ^ um 31 pro Strahler; für den Strahler 1.9 also 250. Der Betrag S der Zeigersumme V ist S = 1.92.

F i g. 2c zeigt die gemessenen Zeiger der Impulse von den Strahlern 1.9 und 1.10 und deren Summe für die Empfängerposition C (Λ = 30 ). Die Zeiger

Z_n + Z_n

sind hier von Strahler zu Strahler jeweils um 90° gedreht. Der Betrag S dieser Zeigersumme V ist S = 1.41. Würde man so für jeden Azimut δ durch vektorielle Addition der beiden Zeiger eine Zeigersumme S S bestimmen, so würden die Beträge der Zeigersummen für alle Winkel 6 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

ίο ist. Es ist aber identisch mit dem realen Gruppendiagramm nach F i g. 4, das entsteht, wenn die Strahler 1.9 und 1.10 der Antennenzeile nach F i g. 1 gleichzeitig mit gleichem Betrag und gleicher Phase gespeist werden.

Es wird nun das Rundumseitenband behandelt. Hier werden von den gespeicherten Meßwerten die von den Strahlern 1.7 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 abnehmbarer Amplitude. Die Amplituden der Strahler 1.7 und 1.12 werden mit dem Faktor 1/5 und die der Strahler 1.8 und 1.11 mit dem Faktor 1/3 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 F i g. 3a bis 3c sind jeweils wieder oben die Zeiger des Rundumseitenbandes für die in Fig.!

gezeigten Empfängerpositionen A, B und C und unten die Zeigersummen dargestellt. Die im Zusammenhang mit den F i g. 2a bis 2c angestellten Betrachtungen über reales Gruppendiagramm und virtuelles Diagramm gelten für die F i g. 3a bis 3c entsprechend.

Die sich ergebende Kurve ist in F i g. 4 gestrichelt gezeichnet und mit S bezeichnet.

Wie erläutert, werden bisher die beiden folgenden Beträge gebildet:

Z_n + Z_n

= · Z_n
2

Hierbei ist Zv (r = 1... n) der Zeiger, der aus den Meßwerten des Impulses vom p-ten Strahler gewönne« wird, η ist die Anzahl der Strahler.

Aus diesen beiden Beträgen wird nun nach der Gleichung

180
.τ

3-τ «J

S^

S„

120

43·

60

die Rundumanzeigegröße «_c gebildet. Dk Kurven S„ and S_n sind, wie F i g. 4 zeigt, so gewählt, daß ihr VerhältnisS_nZS_n in der Kursrichtung 0=0 durch den Wert 0 geht und daß es in einem Sektor beiderseits der Kurslinie A = O linear verläuft. Es ist zweckmäßig, das Verhältnis mit einem Faktor zu multiplizieren, so daß die Anzeigegröße in einem schmalen Sektor beiderseits der Kurslinie Λ = O mit der Winkelablage des Empfängerstandorts von der Kurslinu 6 = 0 identisch ist. Im vorliegenden Beispiel ist diese

Faktor

180

. Durch andere Wahl des Faktor

könnte man auch erreichen, daß die Rundum-An zeigegröße gleich der Differenz der Modulations grade (DDM) ist, die durch die bekannten Verfahre! geliefert wird. Bezeichnet man die Kursbreite mit t (das ist diejenige Wrnkelabwejchung in Grad voi der Korslinie ή = 0, bei der die DDM den Wert 0.15 annimmt), dann wäre der neue Faktor ^{Ol55 l8n}

Es wäre also

I)DM -

0.155 180

S₁,

Θ in Abhängigkeit von der Flugzeugposition ό ist in der F i g. 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_c = I Kri + ' * Ks I hierin ist U² = -1). (4)

Ist S_c > S_c,, dann befindet sich der Empfänger auf der einen Seite der Kurslinie, d.h. im Bereich positiver Winkel ό; ist S_c < S_c„ dann befindet sich der Empfänger im Bereich negativer Winkel δ. Die Bestimmung der Rundum-Anzeigegröße 6>_c erfolgt laufend mit jeweils neuen Meßwerten. _!5

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

Es werden hierbei allerdings die Zeiger aus den Meßwerten der Impulse aller Strahler vektoriell addiert. Vor der Vektoraddition werden die Amplituden aller Zeiger durch Multiplikation mit Faktoren i_rkJ für den Kursträger bzw. i,._ks für das Kursseilenband verändert. Die Faktoren für den Zeiger Z₁. sind Das Vorzeichen, d. h. die Richtung, der Kurs-Anzeigegröße wird durch Vergleich von

s* = I v_k, + i ■ νJ

Da das Kursseitenband 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 S₁, und Kursseitenband S_ks sind:

(5)

s». = WJ ---- ΙΣ «Α,-ζ,Ι.

Bestimmt man die Beträge der beiden Gleichungen für alle Winkel Λ, dann erhält man die in der F i g. 6 dargestellten Kurven KT und KS. Die im Zusammenhang mit der KurveCT in Fig.4 angestellten Betrachtungen über reales Gruppendiagramm und vir- tueHes Diagramm gelten fiir diese Kurven der F i g. 6 entsprechend.

Aus den Beträgen der beiden Vektorsummen wird die Kurs-Anzeigegröße Q_k nach der folgenden Gleichung ermittelt: _S5

180

40

(7)

Auch hier ist der Faktor ^ so gewählt, daß die ,

"f/ OO

Kurs-Anzeigegröße Q_k in einem Sektor beiderseits der Kursiinie ό — 0 identisch ist mit der Winkelablage des Empfängerstandorts Λ von der Kurslinie A = Q. Man könnte auch erreichen, daß die Kurs-Anzeigegröße mit der DDM übereinstimmt. Dann muß sein:

°^{155 18}° ²

DDM =

ntd

(7a, mit S_k, ermittelt, die Kurs-Anzeigegröße Q_k und deren Vorzeichen dienen direkt zur Steuerung des Ablageanzeigers im Flugzeug. Die Bestimmung von Q* geschieht laufend mit den jeweils neuen Meßwerten so lange, bis der Landeanflug beendet ist. Falls ein Durchstarten erforderlich geworden ist, wird wieder auf die Rundumermittlung umgeschaltet, sobald Q_k einen Wert annimmt, der einem f> > 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- und Kursseitenbanddiagramm hinsichtlich der Fehler durch Mehrwegausbreitung genauso 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 Nebenzipfel 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 Anflugwinke] bei VTOL-Flugzeugen und Hubschraubern, insbesondere auch für militärische Verwendung, wichtig

Derartige Landesysteme mit wählbarem Kurs sine an sich bekannt; sie arbeiten mit dauernd geschwenk ten Gruppendiagrammen. Dabei muß von der Boden station zur Bordstation dauernd der Winkel über tragen werden, den das Maximum des Gruppendia gramms gerade ist, da allein aus der Amplitude eine Feldstärkemessung keine Ortungsinformation gewon nen werden kann.

Bei der Weiterbildung der Erfindung werden keim am Boden dauernd geschwenkten Gruppendiagramm verwendet, sondern es werden im Empfänger die Wert virtuell gebildet, die am Ort des Empfängers vorhande wären, wenn die beiden Gruppendiagramme in di Richtung des gewünschten Anflugwinkels gedrer wären.

Würde man nämlich die Strahler der Antennen/eil nach F i g. 1 gleichzeitig mit gleicher Amplitude un mit um r-ti(r=l...n:« = konstanter Winkehver veränderten Phasen speisen, so würden sich im Ram

reale Gruppendiagramme ergeben, die um einen Winkel δ gegenüber den Gruppendiagrammen gedreht sind, die in Richtung der Kurslinie ö = 0 strahlen. Dieser Winkel ergibt sich aus nachstehender Gleichung:

δ = —arc sin

360 · d/λ

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 umgedrehten virtuellen Strahlungsdiagramme. Diese gedrehten Gruppendiagramme bzw. die gedrehten virtuellen Diagramme haben nahezu den gleichen Verlauf wie die ungedrehten Diagramme in den F i g. 4 und 6, jedoch in Richtung der O-Achse verschoben.

Um im Empfänger die obenerwähnten Werte virtuell zu bilden, werden die Phasen y, der gespeicherten Meßwerte der Impulse aller Strahler um Vielfache des Winkels ο geändert, wobei sich α aus dem gewünschten Anflugwinkei o_k aus der Gleichung (9) ergibt:

α = -2.τ · — · sin V (10)

Die geänderten Phasen y'_v ergeben sich aus den gemessenen Phasen y>_v nach der Gleichung positiv ausfallen, sonst ist δ < d_k. Für ö_k < 0 ist δ < 6_k, falls beide Vorzeichen negativ ausfallen, sonst ist δ > d_k. Damit läßt sich das Vorzeichen von ß_c (Gleichung 3) eindeutig festlegen.

Der Empfänger bleibt auf der Rundumeinstellung,

falls |<9_C| > 3° ausfällt, und es wird nur die Richtung der Ablage vom eingestellten Kurs δ_Ιι zur Anzeige ausgegeben.

Sobald 10_C| < 3° wird, schaltet der Empfänger auf

ίο die Kursermittlung um, und es wird nun Kursträgerund -seitenband nach den Gleichungen (5) und (6) ermittelt, wobei wieder die geänderten Phasen verwendet werden. Die sich ergebenden virtuellen Diagramme sind in F i g. 10 gezeigt.

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

= yi„ + ν ■ α {ν = 1 ... η).

(Π)

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

Die sich ergebenden virtuellen Diagramme sind in F i g. 8 für einen Anflugwinkel d_k = 20° dargestellt, wobei das Rundumträgerdiagramm wieder mit CT und das Rundumseitenbanddiagramm wieder mit CS bezeichnet ist.

Fig.9 zeigt die dazugehörige Rundum-Anzuigegröße<9_c, die nach der Gleichung (3) ermittelt ist.

Wie man aus der F i g. 9 sieht, reicht das Vorzeichen von (S_c - S„) nicht aus, um eindeutig über die Richtung der Ablage zu entscheiden. Im betrachteten Fall bei />_k = 20° folgt aus (S_c - S_rt) < 0, daß sich der Empfänger im Sektor δ_β < f> < f>_k befindet, wobei sich dg aas der Gleichung

sin ό_β = sin \ fX~ "-'

berechnet Hieraus folgt zwar eindeutig f> < A₄. Wenn dagegen (es sei immer noch 6_t > 0) der Ausdruck (S₀ — S_a) > 0 ausfallt, kann entweder Λ > λ₄ sein oder A < ti_g. Es ist also zunächst keine eindeutige Aussage möglich, ob f> größer oder klein»;r ist als <\ Durch eine Zusatzrechnung im Empfänger kann aber diese Frage eindeutig geklärt werden. Man muß nämlich die Berechnung von S_c, und S, nach den Formeln (1) bis (3) auch noch für η = 0 durchführen. Die Vorzeichen von S₁. - S_r, einmal für <i = 0. das

andere Mal für α = - 2.τ . · sin A₄. bestimmen in

eindeutiger Weise die Richtung der Ablage Man muß zwei Fälle unterscheiden, je nach dem Vorzeichen von α,. Für n_k > 0 ist Λ > Λ*, falls beide Vorreichen cos

<^7b>

Das Vorzeichen von &_k 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

as Empfängers von dieser Kurslinie. Sie wird direkt angezeigt. Ihr Verlauf ist in F i g. 11 gezeigt.

Man kann sich die Wirkungsweise im Empfänger so vorstellen, daß mit der Veränderung der Zeiger um den Winkel v„ die ursprünglich auf den virtuellen Diagrammen für δ = 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 <5_t wählbar. Sein Wert ist vom Benutzer des Empfängers einzugeben. Aber auch hier ist eine genaue Richtungsbestimmung nur in der Nähe 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 Empfanger· bleiben ungeändert.

Nach dem Einschalten arbeitet <ki Empfänger zu nächst im Suchbetrieb. Dabei wird die Rundum strahlung nach den Gleichungen (11 bis O) ermittelt und zwar zuerst mit α = 0. Je nach dem Azimu des Empfängers ergibt sich dabei ein positiver ode

ein negativer Wert von «, (Fig 5). Ist !«J < 2 dann wird der Suchbetrieb beendet und auf die Kurs diagramme umgeschaltet. Ergibt sich dagegen eii Wert iw_f ■ > 2°. dann ist das Vorzeichen sign (H entscheidend für den weiteren Fortgang der Signal

verarbeitung. Die Rundumstrahlnne wird fur eine neuen Wert de« Winkels >i wiederhol;, nämlich

sign(

Die Zahl 6° ist so gewählt, daß für die neue Rechnung der Kurs 6_k um etwa 2° in Richtung zum Standort des Empfängers verschoben wird. Beim Ergebnis (-)_c (α,) ist wieder zu prüfen, ob sein Betrag kleiner als 2° ist. Wenn ja, ist der Suchvorgang abgeschlossen, und es wird auf Kursbetrieb umgeschaltet. Bei nein wird der Vorgang mit α = 2 · α, wiederholt. So fährt man fort mit '< = 3 ·'/,; a = 4 ■ «, usw. bis M_c(") einmal dem Betrag nach unterhalb von 2° bleibt. Dann wird zum Kursbetrieb umgeschaltet. Fig. 12 zeigt den Ablauf des Suchbetriebs. Als Empfängerstandort ist einmal δ = 20° gewählt und in einem zweiten Beispiele = -45°. Für ό = 20" liefert die erste Rechnung (α = 0°) das Ergebnis 0_C (0) = 13,20. Man muß also mit α = -6°, --12°; -18° usw. fortrechnen. Erst die Rechnung mit α = —60° liefert ein Ergebnis, dessen Betrag kleiner als 2" ist, nämlich ß_c ( — 60) = 0,528. Für einen Empfänger im Azimut <) = —45 wird bei der ersten Rechnung (n = 0) die Richtungsinformation <9_C (0) = - 19,156 ermittelt. Daher sind die weiteren Rechnungen mit a = 6°, 12" usw. durchzuführen. Erst bei der Rechnung mit α = 126° findet man ein Ergebnis, dessen Betrag kleiner als 2^C ist, nämlich G_c (126) = -0,570. Jetzt schaltet der Empfänger auf Kursbetrieb um.

Das Ziel des Suchbetriebs war, einen groben Wert für α zu gewinnen, so daß der zugehörige Betrag von ß_c kleiner als 2 wird. Führt man mit diesem α 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 <)_k ermittelt. Dann stellt

(12)

35

einen guten Näherungswert für den Azimut des Empfängers dar. Da aber, wie F i g. 5 zeigt, die Kurve (-)_k innerhalb des Bereichs ± 2° beiderseits S_k nicht streng linear verläuft, ist <5 noch nicht sicher der genaue Wert. Man rechnet daher

d . _v

— · sin f>

(13)

und führt für dieses neue Phaseninkrement α den Kursbetrieb ein zweites Mal durch. Das führt zu einem neuen (->_k; sein Wert liegt im linearen Bereich der Kurve (-)_k. Mit Hilfe von Gleichung (9) läßt sich jetzt der Azimut d 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 Λ genau ermittelt, so kann dieser Wert als Ausgangspunkt für die Auswertung beim nächsten Durchlauf dienen. Der Empfänger ermittelt dazu » aus Gleichung (13) und arbeitet im Kursbetrieb, wobei sich gegenüber früher nur die Zeiger im Zwischenspeicher geändert haben, da dieselben aus dem neuen to Durchgang stammen. Das Ergebnis der Rechnung ist fy. Addiert man dies zum alten Wert <ί. so erhäl! man den neuen Azimut Λ. 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.

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 abslimmbare 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 Umschalter8 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 Phasenmeßeinrichtung 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. Elevation angeschlossen ist.

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 IC sind die Meßgrößen des ersten Impulses, und sie dienen als Bezugsgrößen für die Messung der Phaser 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 y>, und die Amplituden werte 4, (t = 1... n) werden im Speicher des Rechners odei in einem getrennten Speicher am Speicherplatz 1 abgespeichert. Die Einspeicherung wird von einerr nicht gezeigten Zähler gesteuert, der mit dem gleicher Takt wie die Anschaltung der Strahler der Antennen zeile weitergeschaltet und der beim Auftreten dei Impulsgruppe in die Anfangslage gebracht wird.

Aus den Amplituden werten A, und den Phasen werten y, ermittelt nun der Rechner die Rundum und Kurs-Anzeigegrößen H₁ und M₁ wie oben be schrieben

Micr/11 *< Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Navigationssystem, insbesondere Landesystem, bei dem wie beim ILS-System in der Bord- s station die Abweichung beiderseits eines vorgegebenen Werts von Azimut oder Elevation angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bodenstation in bekannter Weise η gleiche und im gleichen Abstand zueinander angeordnete Strahler einer Antennenzeile oder -reihe zyklisch nacheinander Impulse einer HF-Schwingung mit gleichem Betrag und gleicher Phase abstrahlen und vor jedem Abstrahlzyklus eine Impulsgruppe 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 vektorieü addiert werden und der Betrag dieser ersten Summe ermittelt wird, wobei dieser Betrag der Amplitude der Feldstärke entspricht, die ein Gruppendiagramm mit einer Hauptkeule 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 180' 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 Gruppendiagramm mit zwei Hauptkeulen mit dazwischenliegendem Nulleinzug senkrecht zur Antennenzeile am Ort des Empfängers erzeugen würde, und daß der Quotient der beiden Beträge gebildet und als Ortungsinformation verwendet wird. 3s

2. Navigationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Meßwerte vor der Weiterverarbeitung verändert werden.

3. Navigationssystem 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. Navigationssystem 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 in) und die Phasen der folgenden Impulse um das ihrer Ordnungszahl entsprechende Vielfache(2·!, 3<i.. . n«| 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. Navigationssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Bestimmung von Azimuth bzw. Elevation die Phasen der Meßwerte der von den Strahlern im Mittelbereich der Antennenzeile empfangenen Impulse eines Antennenzyklusses mit sich schrittweise ändernden Werten des Winkels («) geändert werden, wobei für jeden Wert des Winkels (a) die beiden Vektorsummen und der Quotient ihrer Beträge gebildet werden, so lange, bis der dem Quotienten zugeordnete Winkel in einem schmalen Winkelbereich beiderseits der zum gerade vorhandenen Wert des Winkels (α) zugehörigen Diagrammrichmng liegt, daß anschließend die Phasen der Impulse aller Strahler um das ihrer Ordnungszahl entsprechende Vielfache dieses Wertes des Winkels («) 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 *us diesem Winkel und aus der Ablage als Ortungsinfonnation angezeigt wird.