DE2320910A1

DE2320910A1 - Vor-empfaenger

Info

Publication number: DE2320910A1
Application number: DE19732320910
Authority: DE
Inventors: Karl Kohler
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1973-04-25
Filing date: 1973-04-25
Publication date: 1974-11-07
Also published as: AU6808774A; GB1464761A

Description

Standard Elektrik Lorenz AG "^^UvJ|U

Stuttgart

K. Kohler -6

VOR-Empfänger

Stand der Technik;

Der boden-und bordseitige Aufbau der VOR-Geräte und die Arbeitsweise des VOR-Systems ist in dem Buch von M. Kayton und W. R. Fried "Avionics Navigation Systems", Wiley 1969, S. 163 bis 170, beschrieben.

Es werden normale VOR-Bodenstationen und Doppier- VOR-Bodenstationen (DVOR), die nach dem Einseitenband-(SSB), Zweiseitenband-(DSB)- oder alternierenden Seitenband-(ASB) Verfahren arbeiten, verwendet. Alle diese Bodenstationen strahlen die Signale so ab, daß sie von dem bekannten Bordgerät verarbeitet werden können.

Ein DVOR-Drehfunkfeuer, das nach dem ASB-Verfahren arbeitet,

23.2.1973 A09845/0S8 3 -2-

K. Kohler -6 - 2 -

ist in der Zeitschrift "SEL-Nachrichten" 16 (1968), Heft 2, S. 44 bis 53, beschrieben.

Mit der Einführung der DVOR-Bodenstationen wurde eine wesentliche Erhöhung der Genauigkeit des VOR-Systems erreicht, wobei insbesondere mit dem ASB-Verfahren sehr günstige Ergebnisse erzielt werden. Eine weitere Verbesserung der Systemgenauigkeit durch bodenseitige Maßnahmen erscheint derzeit nicht möglich und auch die Meßgenauigkeit der heute verwendeten Empfänger kann kaum mehr wesentlich gesteigert werden.

Aufgabe;

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine neue Auswerteeinrichtung für einen VOR-Empfänger anzugeben, die beim Empfang von Signalen, die von einer Bodenstation nach dem ASB-Verfahren abgestrahlt, werden, wirksam wird.

Lösung;

Die Aufgabe wird mit den im Anspruch angegebenen Mitteln gelöst. Eine Weiterbildung der Erfindung kann dem Unteranspruch entnommen werden.

409845/0583 -3-

K. Kohler -6 - 3 -

Vorteile;

Der neue VOR-Empfänger ist unabhängig von der Genauigkeit mit der das 30 Hz-Bezugssignal von der Bodenstation abgestrahlt wird, da dieses Signal nicht zur Azimutbestimmung verwendet wird. Man erzielt aus diesem Grunde und deshalb, weil die eigentliche Messung sehr genau ist, insgesamt eine höhere Genauigkeit als beim bekannten VOR-Empfänger.

Beschreibung;

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die von.einer bekannten Kreisantenne mit

39 Strahlern nach dem ASB-Verfahren abgestrahlten halbwellenförmigen HF-Signale,

Fig. 2 eine geometrische Darstellung zur Veranschaulichung, wie die von dem neuen Empfänger gemessenen Phasendifferenzen Zustandekommen,

Fig. 3 die periodische Kurve der Phasenwerte der von den einzelnen Strahlern empfangenen Impulse,

-4-

409845/0583

bezogen auf den Strahlernr.0 die sich an Bord ergeben wurden, wenn keine Störungen vorhanden sind, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild des neuen Empfängers.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst kurz das in der Literaturstelle "SEL-Nachrichten" beschriebene, nach dem ASB-Verfahren arbeitende DVOR-Drehfunkfeuer beschrieben, mit dem der neue Empfänger zusammenarbeitet.

Die Antennenanlage dieses Drehfunkfeuers besteht aus 39 Rundstrahlantennen, die äquidistant auf einem Kreis vom Halbmesser

Q f

R = -^p— . Λ angeordnet sind, und einer weiteren Rundstrahlantenne j»

in der Mitte des Kreises. Der Sender erzeugt eine mit 30 Hz amplitudenmodulierte Trägerfrequenz £ die von der Mittenantenne abgestrahlt wird. Die 30 Hz-Amplitudenmodulation dient im Empfänger als Bezugssignal. Der Sender erzeugt außerdem zwei Folgen von halbwellenförmigen HF-Impulsen, von denen die eine Folge die Frequenz f + 9.960 Hz und die andere die·Frequenz f - 9960 Hz hat. Die in den Impulsen enthaltenen HF-Schwingungen des oberen Seitenbandes sind kohärent; dasselbe gilt für das untere Seitenband. Mit Hilfe von Antennenschaltern werden die HF-Impulse der* Reihe nach auf die 39 Rundstrahlantennen geschaltet, wobei die Umschaltung an den Trennstellen zwischen den HF-Impulsen erfolgt. Die Impulse für das untere Seitenband stehen zeitlich genau auf Lücke mit den Impulsen für das obere Seitenband. Fig. 1 zeigt die Abstrahlfolge. Die Umlauffrequenz ist 30 Hz.

In den bekannten Empfängern wird das Signal demoduliert. Dabei ent-

409845/0583

K. Kohler -6 - 5 -

steht aus den Beiträgen der Außenantennen ein mit 30 Hz frequenzmoduliertes Signal mit der Frequenz 9 960 Hz, wobei die Phase der 30 Hz richtungsabhängig ist. Weiter entsteht bei der Demodulation das 30 Hz-Bezugssignal mit richtungsunabhängiger Phase. Nach Frequenzdemodulation der 9 960 Hz liefert ein Phasenvergleich zwischen den beiden 30 Hz-Schwingungen den gesuchten Azimut.

Der neue Empfänger arbeitet grundsätzlich anders. Es wird, wie unten näher erläutert wird, vor der Demodulation das untere Seitenband unterdrückt, so daß nach der Demodulation kein frequenzmoduliertes Signal wie beim bekannten Empfänger, sondern einzelne NF-Impulse mit der Frequenz 9 960 Hz vorhanden sind, deren Phasen einzeln gemessen werden. Die Phasen der NF-Impulse sind gleich den Lauf wegunterschieden der HF-Impulse, die von den unterschiedlichen Entfernungen der einzelnen Antennen der Kreisantenne herrühren. Diese Phasen bleiben bei der Frequenzumsetzung erhalten.

Die Empfangsfrequenz wird vor der Unterdrückung des unteren Seitenbandes in eine möglichst niedere Zwischenfrequenz herabgesetzt, so daß die Aussiebung des oberen Seitenbandes einfacher möglich ist.

Aus der Umlauffrequenz der Bodenantenne und aus der Anzahl der

Strahler ergibt sich At* —57r~öö ^sec# ^r ^^e D^aue^ eines Impulses.

Die Schwingungsdauer der 9 960 Hz ist tT» — sec. Es haben also —: ■ 8, 5 Schwingungen der 9 960 Hz in einem HF-Impuls Platz.

Um die Phasen der einzelnen NF-Impulse messen zu können, wird im Empfänger eine 9 960 Hz-Vergleichsfrequenz erzeugt. Zur Phasen-

-6-409845/0583

messung zählt man die Zeit zwischen den Nulldurchgangen der 9 960 Hz der Impulse und den Nulldurchgängen der Vergleichsfrequenz. Die Phasen lassen sich nur im Bereich zwischen O und 360 messen. In Wirklichkeit liegen die Phasen - wegen des Antennendurchmessers von etwa 5 Λ in einem Bereich von 1.800 . Die richtigen Phasenwerte muß man daher im Empfänger in bekannter Weise durch Addition oder Subtraktion von Vielfachen von 360 wiederherstellen.

Die restituierten ( d. h. um die verlorengegangenen Vielfachen von

2JT berichtigten) 39 Phasenwerte genügen noch nicht, um den Azimut des Empfängers zu bestimmen. Man benötigt zusätzlich die Zuordnung zwischen ihnen und den Strahlern auf dem Kreis der DVOR. Da die Strahler der Reihe nach angeschaltet werden, genügt es, einen einzigen davon zu identifizieren. Zu diesem. Zweck werden die Strahler auf dem Kreis der DVOR so angeordnet, daß der Strahler mit der Nummer 0 (0 ist identisch mit 39) genau in Nordrichtung zeigt. Das 30 Hz-Bezugssignal ist so festgelegt, daß sein Nulldurchgang von positiven nach negativen Werten in genau dem Zeitpunkt auftritt, wenn der in Nordrichtung ausgerichtete Strahler 0 das obere Seitenband abstrahlt und zwar gerade in der Impulsmitte. Man muß daher nur aus diesem Nulldurchgang einen Impuls ableiten und mit diesem einen Zähler auf Null stellen, der dann von der Nullstellung synchron mit der Anschaltung der einzelnen Antennen weiterzählt. Damit hat man zu jedem Phasenmeßwert Wf die zugehörige Nummer ΊΓ.

Es wird nun die Ermittlung des Azimut aus den Phasenwerten erläutert. In Fig. 2 ist die Kreisantenne mit 39 Strahlern angedeutet. Die Mittelantenne bzw. der Kreismittelpunkt ist mit M bezeichnet. Der Strahler ist genau in Nordrichtung angeordnet. Ein Flugzeug befinde sich in

409845/0583

einem Raumpunkt mit dem Azimut ν = 35 .

Der Empfänger empfängt nacheinander die von den 39 Strahlern abgegebenen HF-Signale und mißt für jedes Signal die Phasendifferenz zu dem vom O. Strahler kommenden Si gnallauf. Der Laufwegunterschied zwischen dem vom If"-ten Strahler (T^-= O ... 38), dessen Verbindungslinie zum Kreismittelpunkt M mit der Nordrichtung einen Winkel ι!γ· bild et, und dem vom O.Strahler empfangenen Signal ist

Δ& und somit ist die Phasendifferenz ψ^" —τ- Au Aus der

Fig. 2 ist zu sehen, daß

(D

ist. Mit I/*—— ist also

Würden die Impulse von allen Strahlern ungestört durch Mehrwegausbreitungen im Empfänger eintreffen und würde man die Phasendifferenz der Impulse aller Strahler, bezogen auf den Impuls vom O.Strahler, dem Bezugsstrahler, messen, dann würde sich für einen Antennenumlauf die in Fig. 3 dargestellte Kurve ergeben. Die Kurve ergibt sich auch rechnerisch aus Gleichung (2), wenn 17 * 35° eingesetzt wird. Wie man sieht, handelt es sich bei der Kurve um eine cos-Funktion, deren Maximum um den Winkel (^r gegen die Nordrichtung verschoben ist.

Insbesondere durch Mehrwegausbreitungen sind die Phasenmeßwerte verfälscht und aus der sich in Wirklichkeit ergebenden ver-

-8-

409845/0583

K. Kohler -6 - 8 -

zerrten Kurve läßt sich nicht mehr auf einfache Weise der Azimut bestimmen.

Da es sich jedoch um eine periodische Funktion handelt, kann man eine Fourier-Zerlegung anwenden, um die Grundwelle der verzerrten Kurve zu ermitteln, die dann der Kurve nach Fig. 3 entspricht.

Man kann nach Fourier die an 39 äquidistanten Stellen vorgegebene Funktional/ (V) darstellen durch die endliche Reihe

Ao+- k\-Cazr^ki<KirQ^ka-<*>sVlrB (3)

T Q -t- 3>2.sivi 2VM+...BiS ·sw\ 43ΐ

£3 33 33

Die Koeffizienten der Grundwelle errechnen sich aus den gemessenen nach den G

S3

Werten nach den Gleichungen

21

Die Phase der Grundwelle ist der gesuchte Winkel (V* . Errechnet sich in bekannter Weise aus der Beziehung

(5) Ergibt sich dabei AK.O, denn wird o/um 180° erhöht.

Es wird nun eine Realisierung des neuen Empfängers anhand des Blockschaltbildes (Fig. 4) beschrieben. Der Empfänger ist für den Frequenzbereich 108 bis 118 MHz ausgelegt. Zur Vereinfachung wird

-9-4098 45/0 58 3

K. Kohler -6 - 9 -

angenommen, daß die empfangene Frequenz 110 MHz beträgt. Die Mittel zur Einstellung der Empfangsfrequenz sind nicht gezeigt.

Die Empfangsfrequenz von 110 MHz (Träger und beide Seitenbänder) gelangt von einer Antenne 50 auf eine erste Mischstufe 51, in der sie mit der Frequenz von 120 MHz eines Oszillators 52 gemischt wird. Somit beträgt die erste Zwischenfrequenz 10 MHz. Diese wird in einem ZF-Verstärker 53 verstärkt und einer zweiten Mischstufe 54 zugeführt, deren Ausgang ein zweiter ZF-Verstärker 55 für den auf 100 MHz herabgesetzten Träger und beide Sextenbänder nachgeschaltet ist. Ein Bandpaß 56 für 100 KHz und eine Phasenbrücke 57 gehören zu einer Phasenregelschleife mit einem spannungsgesteuerten Oszillator 59, der an seinem Ausgang eine Frequenz von 9, 9 MHz liefert, die die Oszillatorfrequenz für die zweite Mischstufe 54 ist. Ein Quarzoszillator 58 liefert die Vergleichsfrequenz von 100 KHz für die Phasenbrücke 57.

Das Ausgangssignal des zweiten ZF-Verstärkers 55 gelangt außerdem einerseits auf den links unten dargestellten Teil, der der NF-Teil des bekannten VOR-Empfängers ist, und andererseits auf den rechts unten dargestellten neuen NF-Teil.

Der linke Teil enthält einen AM-Gleichrichter 60, dessen Ausgangssignal einerseits auf einem Bandpaß 61 für 9 960 Hz und andererseits auf einen Tiefpaß 64 für 30 Hz gegeben wird. Dem Bandpaß 61 ist ein FM-Demodulator 62 und diesem ein Kurswähler 75 nachgeschaltet, der das 30 Hz-Umläufsignal liefert. Dieses Signal wird mit dem Ausgangs signal des Passes 64, das das 30 Hz-Bezugs signal ist, in einer Phasenmeßeinrichtung 63 verglichen. Der gemessene

-10-409845/0583

K. Kohler -6 - 10 -

Phasenwert entspricht dem Azimut, indem sich das Flugzeug befindet. Er gelangt über einen Umschalter 73 zu einem Anzeigeninstrument 74. Der Umschalter befindet sich in der nicht gezeigten Stellung, wenn Signale von einer normalen VOR-Bodenstation oder von einer DVOR-Bodenstation, die nach dem SSB- oder DSB-Verfahren arbeitet, empfangen werden.

Der rechts unten dargestellte neue NF-Teil enthält einen Hochpaß 67, der nur den herabgesetzten Träger und das obere Seitenband durchläßt. Am Ausgang dieses Hochpasses ist also das untere Seitenband nicht mehr vorhanden. Vom Hochpaß 67 gelangt das Signal auf einen AM-Gleichrichter 68 und von dort*auf einen-Paß 69 für 9 960 Hz. Am Ausgang dieses Passes sind halbwellenförmige NF-Impulse vorhanden; die in den Impulsen vorhandene Frequenz ist 9 960 Hz.

einen

Man kann statt des Hochpasses 67 auch Bandpaß für 110 kHz vorsehen und den HF-Gleichrichter 68 durch einen Mischer ersetzen, dem als zweites Signal die 100 kHz des Quarzoszillators 58 zugeführt wird.

Zum neuen NF-Teil gehört auch ein Zähler 66 mit 39 Stufen, dem die mittels eines Gleichrichters 76 gleichgerichteten Aus gangs signale des Passes 69 zugeführt werden. Der Zähler 66 wird beim negativen Nulldurchgang des 30 Hz-Bezugssignals auf Null gestellt. Die Impulse zur Nullstellung werden mittels eines,Differenziergliedes 65 vom Ausgangssignal des Passes 64 abgeleitet. Von der Nullstellung aus schaltet der Zähler 66 bei jedem Impuls am Ausgang des Passes 69 um einen Schritt weiter. Außerdem wird in einer Phasenmesseinrichtung 70 die Phase der 9 960 Hz jedes Impulses bezüglich der

-11-

409845/0583

K. Kohler -6 - 11 -

Phase des von einem Vergleichsfrequenzoszillator 72 erzeugten Signals gemessen. Der Oszillator 72 wird auf die Phase des Impulses vom O.Strahler synchronisiert. Gesteuert vom Zähler 66 gelangen die Phasenmeßwerte, zusammen mit der Nummer des Strahlers zu einem Rechner 71, der die Berechnungen nach den Gleichungen 4 und 5 durchführt. Vom Ausgang des Rechners gelangt der errechnete Azimutwert über den Umschalter 73 zum Anzeigeinstrument 74. Der Umschalter 73 gelangt, gesteuert vom Zähler 66, nur dann in die gezeichnete Stellung, wenn der Zähler stetig weiterschaltet. Dies ist dann der Fall, wenn Signale von einer ASB-Bodenstation empfangen werden.

Nach einer vollen Periode, die aus 39 HF-Impulsen besteht, müssen sich die Meßwerte wiederholen. Wenn jedoch die Vergleichsfrequenz nicht genau mit der 9 960 Hz-Meßfrequenz übereinstimmt, unterscheiden sich aufeinanderfolgende, zum gleichen Außenstrahler der DVOR gehörende Phasenmeßwerte um eine konstante Größe. Diese Größe kann man durch Vergleich der Meßwerte zweier aufeinanderfolgender Umläufe sehr genau ermitteln und zum Nachregeln der Vergleichsfrequenz verwenden. Dadurch wird die Vergleichs frequenz synchronisiert. :

2 Patentansprüche

3 Bl. Zeichnungen, 4 Figuren

409845/0 583

Claims

K. Kohler -6 - 12 - Patentansprüche

1.J VOR-Empfanger, der den Träger und mindestens ein Seitenband """ empfängt, und in dem durch Phasenvergleich eines 30 Hz-Umlaufsignals mit einem 30 Hz-Bezugssignal der Azimut ermittelt und als Navigationsinformation verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Seitenbänder in einem Demodulator (68) getrennt demoduliert wird, so daß sich beim Empfang von Signalen, die von einer Großbasisantenne mit η auf einem Kreis angeordneten Strahlern und einer Mittenantenne nach dem ASB-Verfahren (alternierendes Seitenband) abgestrahlt werden, eine Folge halbwellenförmiger 9 960 Hz-Signale mit der Folgefrequenz 30. η Hz ergibt, daß in einer Phasenmeßeinrichtung (70) nacheinander, beginnend mit dem vom 1. Strahler der Kreisantenne empfangenen Signal, die Phasen aller 9 960 Hz-Signale jeweils eines Antennenumlaufs bezogen auf eine Vergleichsfrequenz (72) gemessen werden und daß aus den Phasenmeßwerten in einer Recheneinrichtung (71) mittels der Fourierintegration der Azimut ermittelt wird. . '

2. VOR-Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in ZF-Lage das untere Seitenband mittels eines Filters (67) unterdrückt wird, daß die Signale nach der Demodulation auf einen Paß (69) für 9 960 Hz gelangen, dessen halbwellenförmige Ausgangssignale einem Zähler (66) mit der Stufenzahl η zugeführt

. -13-

409845/Ό583

werden, der bei jedem negativen Nulldurchgang des 30 Hz-Bezugssignals auf Null gestellt wird und nur dann weiterschaltet, wenn ASB-Signale vorhanden sind, daß der Recheneinrichtung (71) die Phasenmeßwerte zusammen mit den vom Zähler (66) gelieferten Strahlernummern zugeführt werden und daß der Ausgang der Recheneinrichtung (71) dann mit dem Anzeigeinstrument (74) verbunden wird, wenn der Zähler (66) weiterschaltet.

409845/0583

Leerseite