DE2336133C2 - Doppler-Radarsystem für Luftfahrzeuge zur Messung der wahren Geschwindigkeit und/oder des wahren Driftwinkels über bewegten Wasserflächen - Google Patents

Description

ö = 1/2

(Ä2+1)/(Ä2-1)'],

wobei Δ&ο=«o—«o' und R%=δίδ' mit R%=Konstante bzw. Äi=A₁ gelten.

wobei s und e' jeweils die Eichverschiebung des einen bzw. des anderen Antennensystems (14 bzw. 14') über Wasser bedeuten und Δε-ε-ε', AVo-V₀-Vo' sowie Äi-s/s' mit Äi-Konstante gelten.
3. Doppler-Radarsystem nach Anspruch 1 oder 2,

Geschwindigkeitsmessungen von Bord-Doppler-Ra-

> darsystemen ergeben im allgemeinen Ober dem Meer einen anderen Wert als über dem Land. Diese Werte beinhalten einen Bestandteil der als »Über-Wasser-Drift« und einen anderen Bestandteil der als »Wasser-Bewegungs-Effekt« bekannt ist Diese Bestandteile unterscheiden sich in den verschiedenen Radarsystemen und hängen von folgenden Variablen ab: Frequenz, Polarisation des übertragenen elektromagnetischen Signals, Strahlungswinkels der Antenne in bezug auf die horizontale Achse bzw. dem sogenannten »Blickwinkel« der Antenne.

Die Information aus einem Bord-Doppler-Radarsystem werden von Signalen abgeleitet, Vielehe von einem Flugzeug ausgesendet und von der Erde zurückgestreut werden. Grundsätzlich hängen die Geschwindigkeitsmessungen eines Radarsystems von jenen Objekten ab, weiche die Radarstrahlen zurückwerfen. Über dem Meer werden die Radarstrahlen von kleinen Wellen, Kronen von großen Wellen, Tröpfchen, von der Kräuselung und von dem Schaum des Wassers zurückgeworfen. Die Größe dieses Wasserbewegungseffektes entspricht der Hauptgeschwindigkeit des zurückstreuenden Mediums und ist häufig drei oder vier Knoten und kann in manchen Fällen ein Vielfaches davon sein. Dieser Wasserbewegungseffekt kann daher in einem Geschwindigkeitsmeßsyswra einen Fehler von 0,5 bis 1% oder mehr erzeugen. Vergleicht man dies mit der hohen Genauigkeit von ungefähr 0,1% bei den bekannten Doppler-Radaranlagen, so erkennt man, daß allein der durch den Wasserbewegungseffekt erzeugte

Fehler ein Doppler-Radarsystem bei einem Einsatz Ober dem Meer äußerst unzuverlässig macht Es ist ein Doppler-System bekannt, bei welchem in einen Rechner von Hand ein Wasserbewegungsvektor aber Wählschalter am Ausgang für die Doppler-Geschwindigkeit zuaddiert wird. Welcher Wert-jedoch eingegeben wird, hängt von der Annahme einer Bedienungsperson ab, unabhängig von dem tatsächlichen oder einem durch das Doppler-System angenäherten Luftgeschwindigkeitsvektor, welcher in einer bestimmten Höhe gemessen wird Technisch ist dies eine sehr ungenaue und unbrauchbare Methode.

Bei einem anderen Doppler-System werden die Variablen des Systems Ober Land an verschiedenen Erhöhungen gemessen, verglichen und bestimmt Die so erhaltenen Daten kennen zur Bestimmung der Wasserbewegung und zu einer Wtmrvorkorrektur verwendet werden. Aus der Natur der Sach« ergibt sich jedoch, daß die erforderliche Oatemrertrbcining einer Verfeinerung und Filterung bedarf, bei welcher die Wuserbewe-

gungswerte zuiättUche ZusttndsvtrUblen beinhalten. Durch diese Bestimmung treten folgend· Nachteile auf. Durch die Annäherung wird 2*it verbraucht! es ist ein Manöver erforderlich! die Bestimmung Ist mir durch-

fahrbar, wenn die Variablen ober Land bereits bestimmt sind; die Variablen müssen immer wieder neu bestimmt werden, da ein einmal bestimmter Wert im allgemeinen nicht ständig vorherrscht

, Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß, wie empirische Versuche gezeigt haben, verschiedene Doppler-Systeme systematisch verschiedene Werte für die tatsächliche Wasserbewegung ergeben.

Es wurde beobachtet, daß die Anteile der Wasserbewegung gegenüber der beobachteten Grundgeschwindigkeit im allgemeinen für zwei Systeme nicht gleich sind und darüber hinaus, daß das Verhältnis von den ermittelten Wasserbewegungsgeschwindigkeiten konstant ist wenn bei einem Systempaar über einem gleichen Meeresbereich zusätzlich die Parameter gleich is sind Aus den empirisch ermittelten Daten verschiedener Systeme wurde beobachtet daß die Systemparameter direkt abhängen von dem »Blick«- oder Gammawinkel, sowie der Polarisation und/oder der Betriebsfrequenz, wobei das Verhältnis der Wassergeschwindigkeitsanteile für zwei Systeme konstant ist Wenn also ein Dcpplcr-Systcrn mit zwei Systemen arbeitet welche die Differenz zwischen diesen kritischen Systertiparametern enthalten, dann ergeben sich verschiedene. Wassergeschwindigkeitsanteile, und ein anschließender Vergleich der Ausgänge kann eine Anzeige für die wahre Geschwindigkeit des Flugzeugs gegenüber Land ergeben.

Bei einem Betrieb über dem Meer wird gefordert daß sich die beobachtete Grundgeschwindigkeit Vq eines Systems von der wahren Geschwindigkeit V um einen Betrag ε V und um eine Zusatzgeschwindigkeit s unterscheidet entsprechend dem »Wasserbewegungseffekt« und wobei ε ein der Geschwindigkeit proportionaler Faktor ist welcher als »Über-Wasser-Eichungsdrift« bekannt ist Ähnliches gilt für die beobachtete Grundgeschwindigkeit V₀' des anderen Systems. Dies bedeutet

V₀=V(l+e)+sund V₀'= V(\ +ε')+5'.

Die Größew ε, s, ε' und s' sind im allgemeinen Funktionen des Wasserzustandes, d h. Funktionen der Geschwindigkeit der Wasserkräuselung, der Wellen, der Tröpfchen, des Schaumes und der Strömung.

Für eine Verbesserung der Grundgeschwindigkeit ist auch eine' Bestimmung des Driftwinkels gegenüber Land (besser als gegenüber der bewegten Meeresoberfläche) notwendig. Es wird daher weiter verlangt daß der beobachtete Driftwinkel <%o und «0' für die beiden Systeme auf den wahren Driftwinkel ix bezogen ist welcher über Land gemessen wird Daraus- bestimmt sich die Gleichung «ο—λ+<5 und α©'—»+δ', wobei δ und δ' Funktionen der Querbewegung des Wassers sind. Sd und sj sind ebenfalls Funktionen des Meereszustandes und ergeben ebenfalls ein konstantes Verhältnis für ein bestimmtes Systempaar.

Theoretische Überlegungen der Über-Wasser-Drift ε können aus der Kenntnis von Antennenmustern und anderen Charakteristiken von Doppler-Radar-Systemen und der Funktion 0 (ψ) gewonnen werden. Dabei ist φ der Einstellwinkel des Radarstrahls (gemessen von der Vertikalen) und σ ist der Reflexionskoeffizient der ein MaB für die Brechung der Strahlungsenergie von dem reflektierenden Meer ist Bei einem verfeinerten System, das die bekannte »Keulenstrahk-Technik verwendet ergibt )kb jedoch, daß der tatsächliche Wert von ( sehr klein ist und weitgehend vom Zustand des Meeres unabhängig ist

40

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65 Außerdem beruht die Erfindung auf der bisher unbekannten Erkenntnis, daß die Werte" $ s', δ wnd <5', welche aus Doppler-Radarsystemen mit verschiedenen Charakteristiken kommen, im allgemeinen mit einer bestimmten Systematik voneinander verschieden sind; d, h, daß diese Werte innerhalb bestimmter Grenzen durch bestimmte Funktionen und durch Funktionen, die den Meereszustand nicht explizit ausdrücken, bestimmt werden können. Konsequenterweise kann dann mit den Weiten ε, ε', s, s', δ und δ', welche alle bestimmbar sind, die wahre Grundgeschwindigkeit und der Driftwinkel des Flugzeuges über Wasser bestimmt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es/ausgehend von diesen Erkenntnissen und den Nachteilen der bisher bekannten Systeme, eine Bordmeßanordnung zur Ermittlung der Bewegungsgeschwindigkeit V und/oder des Driftwinkels λ über dem Meer und unter Ausnutzung des Doppler-Effektes zu schaffen, welche die wahre Geschwindigkeit und damit den Driftwinkel eines Flugzeuge.« über dem Meer ebenso genau ermittelt, wie über dem Festland, wobei die sogenannten Wasserbewegungseffekte eliminiert sind.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die, in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale erreicht

Nachstehend sind einige Ausführungsbeispieie der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines bekannten Doppler-Radarsystems mit keulenförmigen Strahlen,

Fig.2 ein Blockschaltbild einer ersten Anordnung, welche gleiche Blöcke wie F i g. 1 und zusätzlich Datenumsetzer für die Geschwindigkeit und für die Drift aufweist

Fig.3 ein verfeinertes Blockschaltbild eines Datenumsetzers von F i g. 2 für die Grundgeschwindigkeit,

Fig.4 ein verfeinertes Blockschaltbild eines Datenumsetzers von F i g. 2 für die Drift

F i g. 5 ein vereinfachtes Vektor-Diagramm mij einer Grundgeschwindigkeits- und einer Wasserbewegungskomponente,

F Lg. 6 ein Blockschaltbild einer zweiten Anordnung, welches andere Verbindungen mit dem Azimuth-Antriebsmotor, dem Frequenzfolger und dem Datenumsetzer für die Drift aufweist

Fig.7 ein verfeinertes Blockschaltbild mit einem kombinierten Datenumsetzer für die Grundgeschwindigkeit und die Drift für System, bei welchen die Driftkorrekturen eine Funktion des Meereszustandes sind, wobei der Meereszustand durch die Wasserbewegungsdaten bestimmt sind.

In F i g. 1 ist ein vereinfachtes Funktionsschältbild für ein keulenstrahlförmige,« Doppler-Radarsystem dargestellt, das in bekannter Weise der Messung der Über-Grund-Geschwindigkeit V eines über Land fliegenden Flugzeuäes und der Messung des'Driftwinkels α dient Der Driftwinkel <x stellt den Winkel zwischen der Horizontalprojektion der Mittellinie des Flugzeuges (heading) und der Horizontalprojektion des Geschwindigkeit» ektors (ground track) dar.

In Fig.2 ist ein Radarsystem dargestellt, das gleiche und mit gleichen Bezugsziffern bezeichnete Bestandteile aufweist wie das bekannte System von r i g. 1, wobei doppelte Bestandteile jeweils eine Bezugsziffer mit einem »'« aufweisen.

Bei der Ausführungsform von F i g. 2 ist ein Sender 10, der dem Sender 10 von F i g. 1 gleich ist, ein Empfänger 11 und ein Empfinger 11' vorgesehen. Der Sender 10 ist

V₀-

Vo'-K(1+e') +

jeweils mit einem RF-(Radiofrequenz)Schaltkreis 12 bzw. 12' verbunden, wobei der erste RF-Schaltkreis 12 mit dem Empfanger U und der zweite RF-Schaltkreis 12' mit dem Empfanger 1Γ verbunden ist. Die RF-Schaltkreise 12 und 12' sind durch eine Antennenan- s Ordnung, die einen Teil 14 und einen Teil 14' enthalt, verbunden. Der Teil 14 ist mit einer Antenne oder mit einem Amennensatz (nicht dargestellt) und der Teil 14' mit einer zweiten Antenne oder einem zweiten Antennensatz (nicht dargestellt) verbunden. ι ο

Ein Zeitgeber 13 weist Verbindungen mit den RF-Schaltkreisen 12 und 12', dem Sender 10 und den Empfängern 11 und 1Γ auf. Ein Azimuth-Antriebsmotor 15 ist mit der Antennenanordnung zur Steuerung der Antennenausrichtung verbunden. Ferner ist der Zeitgeber 13 mit je einem Frequenzfolger 16 und 16' verbunden, wobei der Empfänger 11 mit dem Frequenzfolger 16 und der Empfänger 1Γ mit dem Frequenzfolger 16' verbunden ist.

Der Frequenzfolger 16 weist einen Ausgang V₀ und einen zweiten Ausgang Ct₀-Ot auf. Der Ausgang Vo liefert ein Signal mit einer Scheingeschwindigkeit (scalar) während der zweite Ausgang O₀-S den Schein-Driftwinkel liefert, die ebenfalls eine scalare Größe ist und wobei Ct₀ der Schein-Driftwinkel eines Flugzeuges über Wasser von einem Kanal und S der Durchschnittswert des wahren Driftwinkels ist, der sich aus den zwei Kanälen bestimmt. In ähnlicher Weise liefert der Frequenzfolger 16' zwei Ausgänge, wobei der erste Ausgang V₀' und der zweite Ausgang «ο'-S ist. Beide Größen sind Scalare und geben die Scheingeschwindigkeit von dem Frequenzfolger 16' wieder. Die Größe Vo' gibt die Scheingeschwindigkeit an, während die Größe Ct₀ — öt den Scheindriftwinkel vom Frequenzfolger 16' angibt, wobei Ot₀' der Scheindriftwinkel des Flugzeuges über Wasser ist und von dem zweiten Kanal kommt.

Die Werte V₀, V₀, (X₀ und Ot₀ sind verschieden, wenn die einzelnen Charakteristiken der mit und ohne Strich versehenen Systeme verschieden sind. Wenn z. B. der mit einem Strich versehene Teil der Antennenanordnung 14' von der dazugehörigen Antenne ein horizontalpolarisiertes Signal und der Teil 14 von der dazugehörigen Antenne ein vertikalpolarisiertes Signal überträgt dann werden von den Frequenzfolgen 16 und 16' über Wasser verschiedene Signale erzeugt

Wenn zwei Antennensysteme verschiedene Anstell- A V₀ ·* V₀ - V₀ =

winkel ip hinsichtlich der Vertikalen haben, dann ergeben sich verschiedene Werte für V₀, V₀, «0 und «0'. = VAe+ V As;

Die ersten Ausgänge eines jeden der zwei Frequenzfolger 16 und 16' sind mit einem Datenumsetzer 26 für die Grundgeschwindigkeit verbunden, während die zweiten Ausgänge mit einem Datenumsetzer 27 für den Driftwinket verbunden sind.

DerDatenumsetzer26rurdieGrundgeschwindigkeit liefert nach verschiedenen Umformungen der Eingangssignale ein Ausgangssignal Ϋ, das den Durchschnittswert der wahren Fhigzeuggeschwindigkeit fiber Wasser darstellt

In ähnlicher Weise liefert der Datenurpsetzer 27 für 60 den Driftwinkel ein Ausgangssignal ä, das durch einen Verstärker 22 verstärkt eine Spannung liefert, die ausreicht um einen Azimuth-Antriebsmotor 15 zu betätigen, welcher mit der Antennenanordnung mechanisch verbunden ist Die Antennenanordnung dreht sich es so lange, bis sie eins Position S erreicht, dk den Durchschnittswert des wahren Driftwinkels des Flug- und s¹ =

zeugs über Wasser entspricht Mit der Antennenanordnung kann ein Antennenpositionsanzeiger 23 verbunden sein, der den wahren Driftwinkel des Flugzeugs anzeigt.

F i g. 2 stellt im wesentlichen ein Dopplersystem dar, das an sich bekannt ist Die Verdoppelung der entsprechenden Systeme, Funktionseinheiten und die zusatzliche Verwendung von Datenumsetzern ergibt ein verbessertes System, welches eine verbesserte Geschwindigkeitsanzeige des Flugzeuges und dessen Driftwinkel Über Wasser ergibt.

Wie bereits bekannt unterscheidet sich die beobachtete Grundgeschwindigkeit Vo von V über Wasser um einen Faktor ε der proportional der Geschwindigkeit ist und als Über-Wasser-Drift bezeichnet wird und um eine Zusatzgeschwindigkeit 5. welche dem durch den Wind bedingten Anteil der Wasserbewegung entspricht. Daraus ergibt sich V₀ und V₀'zu:

Die Größen ε, s, ε' und s' sind im allgemeinen Funktionen des »Meer«-Zustandes. Die Größen ε und ε' sind feste Funktionen und können entweder experimentell oder schätzungsweise bei einem bestimmten Meer-Zustand und einer besonderen Doppler-Anordnung bestimmt werden.

Es giht eine Anzahl von Frequenzbereichen des Senders, mehrere Anstellwinkel bzw. Polarisierungen, welche verschiedene Werte für s ergeben. Im vorliegenden Fall werden jene Parameter gewählt, welche sund s' ergeben, wobei s und s' sich um einen großen Betrag unterscheiden sollen und ein funktionelles Verhältnis aufweisen, das nur in einem geringen Umfang von dem Meer-Zustand abhängt.

Aus den Daten, die sich aus einer Anzahl von Flugversuchen mit verschiedenen spezifischen Doppler-Systemen unter Verwendung verschieden polarisierter Antennen mit verschiedenen Anstellwinkeln und verschiedenen Frequenzen ergaben, wurde festgestellt, daß über Wasser bei verschiedenen Meer-Zuständen gilt:

s/s'— R; wobei Λ eine Konstante ist

Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich folgendes Verhältnis:

-^ + is-s¹)

von (3) folgt:

und von (4)

AV₀-VAc = As;

da von (5) As
R-\

(4)

(5)

(4a)

(5a)
(5b)

Dann	folgt	aus	(4a),	(5a)	und	(5b)	VAO	Aa0	und	-ei.
	R			V A		R	(6a) ,-^c)	dann ist
id	R-	1		VA	c)	R-\(liVi /Al/	Aus (8)	Fig.
	D-	O

(6b)

Aiis(l) und (2)ergibt sich die wahre ürundgeschwindigkeit, bezogen auf das Land zu

und «i!i.:h durch

_ K) -*'
TT?

TT?

(7a)

(7b)

Unter Verwendung obiger Gleichungen zur Bestimmung des Drift winkeis ergibt sich, daß die Drift-oder i^r> »Kreuz-Spur«-Komponente der Wasserbewegung s_d analog zur Grundgeschwindigkeit oder den »Spur-Komponenten« bestimmt wird. So ergibt sich für ein System, das zwei Betriebsbereiche hat, bei einer Änderung der Frequenz, der Polarisation oder des w Anstellwinkels oder allgemein irgendeiner Kombination diese: drei Variablen:

sjs'd= R = const.

(8)

a₀ = α + δ
und

a'₀=a+6'
und wenn

Tür KS^und /,und aus (12) und (8a) 4<7„-(5(1-1//?) = <5 All

(12)

α_η = <5'(Ä-1) ;

da, aus (\0) a= a„-o. folgt, folgt aus (13a) _R

a = Ct_n-

Ja,,:

aus (11) und (I3b)

a = a_n

A σ₀ ;

^{und aus} CD ^und (^13b>

a = ao-

Die Beziehungen, die zur näherungsweisen Bestim- r, mung des Driftwinkels gegenüber Erde verwendet werden (besser als gegenüber der bewegten Meeresoberfläche) sind wie folgt (die Terminologie der vorangegangenen Abschnitte wird beibehalten und fortgesetzt):

ff = ά — wahrer Driftwinkel.

gemessen über der Erde. (9)

Die beobachteten Werte über dem Meer sind:

Aa„.

(13b)

(14a)

(14a)

(14b)

Durch einsetzen von (6a) in (7a) und (6b) in (7b) ergeben sich die folgenden Ausdrücke für V.

1 +c

V_n-

R~ '

(AV_n-V_n-Ac)

I+r'

(15b)

(10) (11) Wegen der Wirkungen der Dopplerschwankungsfehler und ebenso bestimmter Verzerrungsfehler ist eine Durchschnittsbildung der aus den beiden Kanälen gewonnenen Daten vorzuziehen. Daraus ergibt sich:

In ähnlicher Weise ergibt die Durchschnittsbildung von 14a und 14b folgende Gleichung:

= L )
2 j

60

\ (R-l)j

_n9> ^U8>

In Fi g. 3 ist eine Schaltung eines Datenumsetzers 26 für die Grundgeschwindigkeit dargestellt Diese Schaltung weist einen Eingang V₀ an einem Anschluß 31 und einen Eingang V₀' an_ einem Anschluß 32 auf. Am Ausgang 33 erscheint VaIs die wahre Grundgeschwindigkeit des Flugzeuges.

Der Datenumsetzer 26 ist so ausgelegt daß er die Gleichung (16) verwirklicht Die Anschlüsse 3! und 32 sind mit einer Analog-Substraktionsstufe 34 verbunden, welche am Ausgang die Differenz V₀- V₀' (ζ.Β. Δ V₀) liefert Der Ausgang der Analog-Subtraktionsstufe 34 ist mit einem Verstärker 36 und mit einem SchwellwertDetektor 35 verbunden. Der Verstärker 36 verstärkt das empfangene Signal, um das Eingangssignal, mit der festen Größe (R+ \)f(R-1) zu multiplizieren.

Die Anschlösse 31 und 32 und der Ausgang des

Verstärkers 36 sind mit einem Analog-Summierkreis 37 verbunden, dessen Ausgang ein analoges Verhältnis liefert, daß gleich der Summe der Signale von den Anschlüssen 31 und 32 minus dem Signal aus dem Verstärker 36 ist. Daher liefert der Ausgang des Summierkreises 37 einen Analog-Wert:

(V₀ + V₀')-(V₀ - V₀')(R+\)/(R-\).

Der Ausgang des analogen Summierkreises 37 ist mit einem Verstärker 38 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 38 und der Ausgang des Summierkreises 37 ist mit einem Differenz-Kreis 39 verbunden, der ein

und durch Erweiterung mit (K₀ - K₀')» A K₀'

[ / I/ ι I/

als identisch mit Gleichung (16).

Der Datenumsetzer 26 für die Grundgeschwindigkeit ist daher so ausgelegt, daß er die Gleichung (16) erfüllt. Wenn die Ausbildung des Keulenstrahls so wirksam ist, daß die Driftfehler e + s' der Eichung auf ein vernachlässigbares Maß vermindert werden, ist es offensichtlich, daß die Schleife mit dem Verstärker 38 entfallen kann. Für den Fall, daß die Arbeitsgenauigkeit eines Doppler-Systems den Driftfehler der Eichung als konstant erkennt, unabhängig vom Zustand des Meeres, dann kann der Datenumsetzer 26 auch bei »Nicht-Keulenstrahl«-Systemen verwendet werden.

Wenn die Meßanordnung über Land betrieben wird, dann ist V₀ und Vo' gleich, und der Ausgang des Verstärkers 36 ist Null. Die Driftkorrektur, in der Schleife mit dem Verstärker 38 sollte jedoch über Land abgeschaltet werden. Diese Abschaltung kann automatisch durch einen Schwellwertdetektor 35 durchgeführt werden. Wenn Δ V₀ einem bestimmten Wert überschreitet, zeigt dies einen Flug über Wasser an, und der Ausgang des Verstärkers 38 wird dann nicht mehr abgezogen. Es bestehen jedoch auch andere Möglichkeiten, um einen Rug über Wasser oder Land festzustellen und dementsprechend einen Abschalter 13S zu betätigen.

In Fig.4 ist ein Datenumsetzer für die Drift dargestellt, welcher der Antennenstabilisation dient wie dies z. B. in F i g. 2 angedeutet ist Dieses System benützt entsprechend den bekannten Servo-Verfahren die Tatsache, daß dann, wenn die Längsachse der Antennenanordnung nicht in Richtung der Grundspur verläuft die Doppler-Frequenzdrift für jeweils ein Paar von Sender-Strahlen in einem Vier-Strahlensystem nicht gleich ist Die Differenz zwischen den Driften eines jeden Strahlenpaares liefert am Ausgang des Frequenzfolgers ein Signal welches über einen Verstärker 22 (Fig.2) einen Azimuth-Antriebsmotor 15 betätigt, so daß die Antenne so lange gedreht wird, bis das Differenzsignal gegen Null geht Dies ist dann der FaIL wenn die Längsachse der Antenne in der selben Richtung wie die Grundspur verläuft Durch Verwendung dieses bekannten Verhältnisses von Antenneniängsachse und Fiugzeugiängsachse ist eine Messung des Driftwtnkels möglich, welche über einta Positionsanzeiger 23 (F i g. 2) ablesbar ist

ιο

Analog-Signal an den Anschluß 33 liefert, das gleich dem Wert am Ausgang des Summier-Kreises 37 minus dem Wert am Ausgang des Verstärkers 38 ist. Der Verstärker verstärkt das Signal um einen Faktor

Dieser Faktor ist eifie Konstante und ist bekannt, da die Werte e, ε', Δε und R bekannt sind. Da das Signal aus dem Summierkreis 37 mit diesem Faktor multipliziert wird, ergibt sich am Ausgang des Differenz-Kreises 39 ein Wert:

= 2K

(16a)

2 (R- i) i

w ι j (16b)

Bei einem Betrieb über Wasser bewirkt der

Wasserbewegungseffekt einen Fehler, bei dem »beobachteten« Driftwinkel. Dies bedeutet, daß an den beiden Zweit-Ausgängen der Frequenzfolger 16 und 16' Signale «o - « und Λο' - λ erscheinen. Die Schaltung von F i g. 4 weist daher zwei Eingangs-

jo anschlüsse 41 und 42 auf für die Signale («o-S) und («o'-*). Diese Anschlüsse 41 und 42 sind ähnlich wie in F i g. 3 mit einem Differenzkreis 44 verbunden, welcher ein der Differenz beider Signale entsprechendes Signal an den Ausgang liefert. Der Ausgang des Differenzkrei-

J5 ses 44 ist mit einem Verstärker 46 verbunden, welcher die empfangenen Signale um einen Faktor (R+1)/ (R — 1) verstärkt. Der Ausgang des Verstärkers 46 ist mit einem Summierkreis 47 verbunden. Der Summierkreis 47 empfängt zusätzlich die Signale von den Anschlüssen 41 und 42, so daß der Ausgang des Summierkreises 47 ein Ausgangssignal ergibt, das der Summe der Signale von den Anschlüssen 41 und 42 minus den* Ausgang des Verstärkers 46 gleich ist. Es ergibt sich daher am Ausgang des Summerkreises 47 folgendes:

t -\ nt I ,. _v , __λ)

ο-β)" ——γ [(a_o-a)- α₀- α)).

Ä-1

(18a)

Der Ausgang des Summierkreises 47 ist über einen Verstärker 22 (F i g. 2) mit dem Azimuth-Antriebsmotor

15 der Antennenanordnung 14 und 14' verbunden. Die

Antennenanordnung 14 und 14' wird so lange gedreht,

bis der Ausgang des Summierkreises 47 Null ist D. h.:

Ä+l

Ko₀ -ä)- (ab- δ)}-(18b)

Daraus ergibt sich durch Vereinfachung:

e=^- Ua₀+αό)-^4 ob ^-1 - (18c) I

2\ «-I/ j

UM« bedeutet, daß die Antennenanordnung 14 und 14' eine Position erreicht hat, welche der Gleichung (18) entspricht. Diese Antennenposition kann durch den Positions&nzeiger 23 abgelesen werden, welcher & oder den wahren Driftwinkel angibt

Eine zweite Möglichkeit um den wahren Di iftwinkel zu bestimmen benützt der Datenumsetzer von F i g. 4 in der Schaltung von F i g. 6 welche zwar identische Blöcke wie F i g. 2 umfaßt, aber das Signal für den Azimuth-Antriebsmotor 15 bzw. die Antennenanordnung 14 und 14' kommt von dem zweiten Ausgang des Frequenzfolger 16 über den Verstärker 22 und nicht wie in F i g. 2 aus dem Datenumsetzer 27 für die Drift. Der Azimuth-Antriebsmotor 15 erhält damit ein Signal «o und nicht S. Der Ausgang des Summierverstärkers 47 liefert daher ein Signal, das gleich 2 λ ist oder zweimal der wahre Driftwinkel.

Bei Meßanordnungen, welche ohne keulenförmige Strahlen arbeitet, ist die Eichungsdrift ε sehr groß. Und

Hahffr wpicpn ijprarligp AnnrHniingpn pinp h-Öh^p!"^p

Empfindlichkeit gegenüber dem Zustand des Meeres auf.

In diesem Fall kann eine Korrektur dadurch erreicht werden, daß die Verstärkung des Verstärkers 38 (F i g. 3) veränderlich ist, entsprechend der Änderung von s+ ε'. Die Abhängigkeit von ε+ ε' vom Zustand des Meeres ist entweder aus der Messung oder aus einer Schätzung bekannt

Größe Sdes Geschwindigkeitsvektors der Wasserbewegung ist ein Maß für den Zustand des Meeres:

S = /?T3; (19a)

dabei gilt für S' eines zweiten Systems analog:

S' = yV²+5j². (19b)

Wünschenswert, aber nicht notwendig ist

c (S) = c' (S), und daß ε und
ausdrückbar ist:

S² = 1/2 (S²+S'²).

r' als Funktion von S

(20)

Durch einsetzen von S² und S'² aus (19a) und (19b) ergibt sich:

1/2

und aus (8a), (13a) und (13b):

= J_ Γ ^R'
2 L(K-I)²

(R-W

Durch Kombination von (22c) und (22d) ergibt sich:

(25)

Durch einsetzen in (24b) folgt:

ίτ (W V₀ - VAε)² + V²AaI)

(26)

R'

— f

aj,

(R-W

aus (6a) und (6b)

(A V₁₁- (⁷Jt)-

50 (21)

(22a)

(22b)

(22c)

(22d)

(23a)

(23b)

(24a)

(24b)

liefert, das in folgenden als Δ V₀ bezeichnet wird. Das Signal Δ V₀ liegt an einem Verstärker 67 mit einem Verstärkungsfaktor (R+\)/(R-\). Der Ausgang des Verstärkers 67 ist mit dem negativem Anschluß eines Analog-Summierkreises 68 verbunden, an welchem auch die Signale Vo und Vo' von den Anschlüssen 61 und 62 anliegen. Daher liefert der Ausgang des Analog-Summierkreises 68 ein Signal mit der Größe:

Durch einsetzen in (21) ergibt sich:

F i g. 7 zeigt wie sowohl die Eichungsdrift als auch die Korrekturen der Wasserbewegung zusammengefaßt und vervollständigt werden können; dabei ist von den F i g. 3 und 4 ausgegangen worden. Die Signale V₀ und V₀ von den jeweils ersten Ausgängen der Frequenzfolger 16 und 16' liegen an den Anschlüssen 51 und 62. Die Signale («o—et) und («o'—öC) der jeweils zweiten Ausgänge der Frequenzfolger 16 und 16' liegen an den Anschlüssen 63 und 64. Die Anschlüsse 61 und 62 sind mit einem Analog-Differenzkreis 66 verbunden, der ein Ausgangssignal entsprechend der Differenz (V₀- Vo) Das Ausgangssignal des Summierkreises 68 liegt an einem ersten veränderlichen Verstärker 69, welcher das angelegte Signal um die Funktion 1/2 (ε +f.') verstärkt Das Signal vom Ausgang des Summierkreises 68 liegt ebenfalls an einem zweiten veränderlichen Verstärker 71, welcher das angelegte Signal um eine Funktion 1/2(/?+1>4ε/(Α-1) verstärkt Die Verstärkung der Verstärker 69 und 71 wird durch den Block 72 gesteuert, der anschließend noch genauer beschrieben wird. Die Ausgänge der Verstärker 69 und 71 und der Ausgang

des Summierkreises 68 sind mit dem Summierkreis 75 verbunden, welcher einen Ausgang von %V aufweist, welcher gleich der Summe von den Ausgängen von dem Summierkreis 68 und dem Verstärker 71 minus dem Ausgang des Verstärkers 69 ist Daraus folgt;

(27)

Der Ausdruck (27) stellt den Ausgang V dar, welcher am Ausgang 73 erscheint, nachdem der Ausgang des Summierkreises 75 durch einen ersten Teiler-Kreis 101 geteilt worden ist Durch Auflösung von (27) folgt:

. (27a)

Die Gleichung (27a) ist identisch der Gleichung (16).

Der Ausgang des Verstärkers 71 ist mit dem positivem Anschluß eines Analog-Differenzkreises 74 verbunden, und an den negativen Anschluß des Differenzkreises 74 wird ein Signal mit dem Wert (R+X)AVoI[R-\) vom Ausgang des Verstärkers 67 angelegt Der Ausgang des Differenzkreises 74 wird in einem Quadrierkreis 76 quadriert und an den Eingang eines Analog-Summierkreises 77 angelegt

Die Signale («o—cc) von Anschluß 63 und (<xo' —λ) von Anschluß 64 sind mit einem Analog-Differenzkreis 78 verbunden, welche mit einem Ausgang, der («o—<%o') oder Atxo entspricht an einem Verstärker 78 anliegt, so dzS der Ausgang des Verstärkers 78 ein Signal mit dem Wert (R+ Y^a₀I(R-1) liefert

,.i

Durch Erweiterung der Gleichung (28) ergibt sich:

Dieses Signal ist mit einer elektronischen Multiplizierschaltung 81 verbunden, so daß es mit der Funktion V, welche vom Ausgang der ersten Teilerschaltung 101 kommt multipliziert wird und am Ausgang der Multiplikationsschaltung 81 einen Wert ergibt der lautet:

20 Dieser Ausgangswert wird in einer Quadrierschal· tung 82 quadriert und an einen zweiten Eingang des Summierkreises 77 angelegt Der Ausgang des Summierkreises 77 wird durch einen zweiten Teiler 100 halbiert Am Ausgang des zweiten Teilers 100 erscheint daher ein Signal mit dem Wert S² mit folgenden Beziehungen:

Das dritte Glied innerhalb des ersten Klammerausdruckes mit dem Wert 1/2 ({R+\)/{R-i)YA V₀Ae kann auch vernachlässigt werden, da es ein Korrekturglied zweiter Ordnung ist (d. h.: es ist klein, verglichen mit den zwei ersten Gliedern). Bei sehr großer Annäherung erhält man:

1/2 (V₀+ V₀')« V* V.

Daraus kann die Gleichung (28a) vereinfacht geschrieben werden:

\\ [V*AaS+ (A V₀-VAe)¹);

kung, so daß der Verstärker 71 ein Signal um einen Faktor

\l2(R+\)Ael(R-\)

verstärkt

Der untere Teil der Schaltung von F i g. 7, welcher ähnlich wie die Schaltung von Fig.4 arbeitet weist einen Verstärker 79 auf, welcher mit dem negativen Anschluß eines Analog-Summierkreises 86 verbunden ist Die Anschlüsse 63 und 64 sind mit den positiven Anschlüssen des Summierkreises 86 verbunden, so daß am Ausgang des Summierkreises 86 ein Signal erscheint mit einem Wert:

(28b)

dies ist mit der Gleichung (26) identisch.

Da 6 und ε' bei jeder beliebigen Systemkonfiguration bekannte Funktion von S² sind, liefert ein vorprogrammierter Funktionsgenerator 72, welcher ein Signal mit μ Wert S¹ empfängt, ein erstes Ausgangssignal (s+s') und ein zweites Ausgangssignal Ae. Der Ausgang des Funktionsgenerators 73 Ist mit dem ersten Verstärker 69 verbunden, um so dessen Verstärkung zu steuern, so daß das an den Verstärker 69 angelegte Signal um einen Faktor 1/2 (β+e') verstärkt wird. Der zweite Ausgang des Funktionsgenerators 72 ist mit dem zweiten Verstärker 71 verbunden und steuert dessen VerstärDieses Signal ist mit einem Verstärker 87 verbunden, welcher einen Azimuth-Antriebsmotor (z.B. 15 in Fig.2) betätigt, wobei dieser Motor so lange eine Antennenanordnung ausrichtet bis der Ausgang des Summierkreises 86 Null ist Wie bereits durch die Formeln (18c) und (18b) beschrieben, stellt die erreichte Position der Antennenanordnung den Wert <*o oder wahren Driftwinkel dar.

Von der Antennenanordnung, welche zwei Empfangsantennen aufweist, kann sowohl ein vertikal polarisiertes als auch ein horizontal polarisiertes Signal

fibertragen werden, wobei eine Antenne Signale vertikaler Polarisation und die zweite Antenne Signale horizontaler Polarisation empfängt. Es können also sowohl horizontal polarisierte Signale als auch vertikal polarisierte Signale übertragen und zwei getrennte Empfangsantennen verwendet werden, wobei eine Empfangsantenne für die horizontale Polarisation und die zweite Empfangsantenne für die vertikale Polarisation ausgelegt ist

Es können ferner verschiedene Frequenzen verwendet werden, um die verschiedenen Sender zu betreiben. Diese verschiedenen Frequenzen können sowohl in X-Band als auch in K-Band Uegea In ähnlicher Weise können sich die »Rieht-« oder Gamraa-Winkel eines jeden der verwendeten Sender unterscheiden.

Die Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, daß der Wasserbewegungseffekt S bei verschiedenen Radarsystemen verschieden ist, abhängig von der horizontalen oder vertikalen Polarisation der Antennen und vom Strahlungswinkel der Antennen oder den verschiedenen Betriebsfrequenzen. Obwohl bekannt ist, daß jedes Radar-System im allgemeinen einen anderen Bewegungseffekt Ober dem Meer anzeigt, war es bisher nicht bekannt, daß das Verhältnis des Wasserbewegungseffektes S eines Radarsystems in einem konstanten Verhältnis zu dem Wasserbewegungseffekt 5'eines anderen Radarsystems steht Durch Verwendung dieser Konstanten kann die wahre Geschwindigkeit berechnet werden. Davon macht die Erfindung Gebrauch, wobei ein System zwei Sendereinheiten aufweist und die davon empfangenen Daten entsprechend den Gleichungen (17) und (18) umsetzt Bei einer derartigen Anordnung kann die Geschwindigkeit (z. B. Geschwindigkeit und Driftwinkel) berechnet werden.

Obwohl das Verhältnis von Szu S'mit den erhaltenen Daten konstant ist kann auch für die Bestimmung von ausführlicheren Daten oder von anderen Radarsystemen das Verhältnis von 5 zu 5'durch andere sinnvolle Funktionen wie z.B. einer Quadratfunktion dieses Verhältnis in den Gleichungen (I) und (2) _ersetzt werden, und die entsprechenden Gleichungen V und öt können entwickelt werden. Diesbezüglich wären die Darstellungen von F i g. 3,4 und 7 den daraus folgenden Gleichungen anzupassen.

In Systemen, bei welchen keulenförmige Strahlen verwendet werden, sind die Werte ε+ε' sehr klein und unabhängig vom Zustand des Meeres. In Systemen ohne keulenförmige Strahlen, bei welchen ε sehr groß wird und vom Zustand des Meeres abhängig ist soll jedoch der Datenumsetzer von F i g. 7 bevorzugt werden.

Weitere Einzelheiten um konstruktive Merkmale die sich auf die Anpassungszeit die Schalttechnik und dergleichen beziehen, wurden nicht angefahrt, um den Rahmen der Erfindung einfach zu halten und um unnötige Details zu vermeiden.

Es soll ferner angemerkt werden, daß die Gesamtbewegung des zurückstrahlenden Mediums, welches das Radarsignal vom Meer reflektiert als die Vektorsumme aus einem geostrophischen und/oder »gezeitenfluß«-abhängigen Anteil und aus einem durch den Wind verursachten Anteil gesehen werden kann.

Der erste Bestandteil aus den Meeresströmungen, sei nur geostrophischen oder durch Gezeiten bedingten

u> Ursprungs und ein Phänomen, welches die Bewegung der Wassermassen in Abhängigkeit zum Land umfassen. Die Richtung und Geschwindigkeit derartiger Bewegungen ist unter den meisten Umständen weitgehend unabhängig von den örtlichen Windverhältnissen.

Der zweite Bestandteil, der im wesentlichen größer ist als der Bestandteil der Meeresströmungen, ist wie durch das Vorhandensein von Wellen, ^Kräuselungen, Tröpfchen und Schaum des Meeres augenscheinlich ist hier von größerer Bedeutung.

Obwohl von einem Verhältnis ausgegangen wird, bei weichem s/s" =* δ/δ' =* R konstant ist kann auch angenommen werden, daß s/s'und δ/δ' nicht die gleiche Konstante R aufweisen müssen. Tatsächlich wurde bei verschiedenen Flugtests festgestellt daß bei Verwendung verschiedener Doppler-Systeme verschiedene Verhältnisse zwischen s und 5' und zwischen δ und <5' bestehen, welche als verschiedene Funktionen ausgedrückt werden können und welche beispielsweise von quadratischer und höherer Ordnung sein können. Aus diesen Gleichungen können die neuen Ausdrücke für V und ix leicht weiterentwickelt und den Ausführungsformen von F i g. 3 und 4 oder 7 angepaßt werden.

Neben den stabilisierten und nicht stabilisierten Antennensystemen werden bei einem festen Antennensystem zwei horizontale Bestandteile der Fluggeschwindigkeit wie z. B. die «längs-« und »quer«-Richtungsbestandteile gemessen und zur Berechnung der Geschwindigkeit des Flugzeuges, & h. der Geschwindigkeit und Driftwinkel verwendet Bei einem Doppler-System mit

zwei Betriebssystemen, bei welchen sich die Charakteristiken zwischen den einzelnen Betriebssystemen auf ähnliche Weise wie oben beschrieben voneinander unterscheiden, ergeben sich für jeden Geschwindigkeitsbestandteil Werte, die entsprechend dem, durch den wasserbewegungsbedingten Anteil korrigiert werden. Gleichungen, welche der Gleichung (16) entsprechen sind für jeden einzelnen Geschwindigkeitsbestandteil ableit- und abänderbar durch einen entsprechenden Austausch der Funktionsblöcke wie sie in F i g. 3 und 4

so oder 7 dargestellt sind.

Neben der hier verwendeten Analogtechnik kann auch eine entsprechende Digitaltechnik verwendet werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche;

   1, Doppler-Radarsystem für Luftfahrzeuge zur Messung der wahren Geschwindigkeit V und/oder des wahren Driftwinkels « Ober Grund beim Flug Ober Wasser unabhängig von etwaigen Wasserbewegungen,gekennzeichnet durch

   a) zwei mit unterschiedlichen Parametern, insbesondere Frequenzen, Polarisationsrichtungen oder Einfallswinkeln, betriebene Antennensysteme (14 und 14'),

   b) zwei Empfangskanäle (11, 16 und 11', 16'), welche eingangsseitig jeweils mit dem einen bzw. mit dem anderen Antennensystem (14 bzw. 14') verbunden sind,

   c) einen eingangsseitig mit je einem Ausgang des einen und des anderen Empfangskanals (11,16 bzw. 11', 16*) f°^{r ein} der ^flb^er Wasser jeweils gemessenen, scheinbaren Geschwindigkeit V₀ bzw. Vo', weiche eine aus Wasserbewegungen resultierende Komponente 5 bzw. s' enthält, entsprechendes Signal verbundenen Datenumsetzer (26) zur Berechnung der wahren Geschwindigkeit V Ober Grund aus diesen Eingangssignalen unter. Berücksichtigung der vorgegebenen gegenseitigen Abhängigkeit der jeweils durch die Betriebsweise des einen bzw. des anderen Antennensystems (14 bzw. 14') bestimmten Komponenten sund s', und/oder

   d) einen eingangsseitig mit je einem Ausgang des einen und des anderen !roipfangskanals (11,16 bzw. IT, 16') für ein dem Ober Wasser jeweils gemessenen, scheinbaren Oriftwinkel <xo bzw. «ο', welcher eine aus Wasserbewegungen, resultierende Komponente δ bzw. 6' enthält, entsprechendes Signal verbundenen Datenumsetzer (27) zur Berechnung des wahren Driftwinkels « Ober Grund aus diesen Eingangssignalen unter Berücksichtigung der vorgegebenen gegenseitgen Abhängigkeit der jeweils durch die Betriebsweise des einen bzw. des anderen Antennensystems (14 bzw. 14') bestimmten Komponenten δ und δ'.
2. 2. Doppler-Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenumsetzer (26) zur Berechnung der durchschnittlichen wahren Geschwindigkeit V Ober Grund entsprechend der folgenden Gleichung ausgebildet ist:

   K = 1/2 · [(K₀ + VS) - 1/2 · (K₀ + K₀') ■

   (c+ d - Δ c ■ (Ä, + I)Z(R₁ - I)) - Δ V₀ ■
   (Λ,+ 1V(A₁-I)+1/2-4 K₀ ·

   dadurch gekennzeichnet, daß der Datenumsetzer (27) zur Berechnung des durchschnittlichen wahren Driftwinkels « üper Grund entsprechend der folgenden Gleichung ausgebildet ist;