DE2600687B2 - Schaltung zur Bestimmung der Einfallsrichtung von genormten DME-Impulsen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Bestimmung der Einfallsrichtung von genormten DME-Impulsen nach dem Interferometer-Prinzip in einer DME-Bodenstation unter Verwendung mehrerer Empfänger, wobei in jedem Empfänger die Impulse, welche große Pegelunterschiede aufweisen können, einem Schaltverstärker mit in diskreten Stufen einstellbarer Verstärkung zugeführt werden, deren Reduzierung automatisch mit dem Anstieg der Vorderflanke des jeweiligen Signalimpulses erfolgt, und wobei nach Durchlaufen des jeweiligen Schaltverstärkers der Empfänger zu einem bestimmten, für alle Empfänger gemeinsamen Meßzeitpunkt die Momentanamplituden und Momentanphasen des Trägerfrequenzsignals der Impulse gemessen werden.

Aus dem Aufsatz »Eine neue Generation von DME-Geräten« von Graziani in »Elektrisches Nachrichtenwesen, 47 (1972) Nr. 2, S. 115-118, ist bereits ein DME-Gerätkonzept bekannt, bei dem eine pulsgesteuerte automatische Verstärkungsregelung verwendet wird. Dabei kommt ein Verzögerungsglied und ein logarithmischer Verstärker zum Einsatz, der eine Voreinstellung des ZF-Verstärkers auf analoger Basis vornimmt (AGC). Am unverzerrten ZF-Verstärker-Ausgangsimpuls wird dann der zur Entfernungsmessung dienende 50%-Punkt bestimmt. Die bekannte Methode ermöglicht allerdings nur eine Entfernungsmessung.

In einer Zusatzanmeldung (Akt.Z. P 2523504.5) zur Hauptanmeldung (Akt.Z. P 2453904.6-35) ist bereits ein Verfahren vorgeschlagen, durch welches in einem geeigneten Augenblick an allen Empfängerausgängen gleichzeitig die Ausgangsinformation gemessen werden kann, um die augenblicklichen Phasen- und Amplitudenverhältnisse festzuhalten, so daß aufgrund des Verhaltens jedes Einzelempfängers Rückschluß auf die an dem den Empfängern zugeordneten Antennen vielfach aufgetretene Wellenfront getroffen werden kann. Die Meßzeitpunktschaltung besteht im wesentlichen aus einer wiedertriggerbaren, monostabilen Kippstufe, die von den Schaltimpulsen des Schaltverstärkers angestoßen wird. Wenn die Abstände dieser Impulse größer als die Haltezeit der KiDDStufe werden, was in der Nähe des Maximums

der Fall ist, dann schaltet die Kippstufe um und der dabei entstehende Schaitsprung wird als individueller Meßzeitpunkt abgegeben.

Diese Meßzeitpunkt-Schaltung ist jedoch in ihrer Funktion von der Impulsform abhängig. Beispielsweise ist in der Spezifikation eines DME (Distance Measurement Equipment)-Impulses lediglich die Breite und die Steilheit zwischen dem 10%- und dem 90%-Punkt festgelegt. Bei Eingangspegeln, die größer als —70 dBm sind, wird aber auch der vor dem 10%-Punkt liegende Flankenabschnitt in die Signalverarbeitung miteinbezogen, weil dieser dann über dem Rauschpegel liegt. Es können nunmehr Impulsformen auftreten, die im vorgenannten Beispiel zwar die Spezifikationen erfüllen, aber an der Vorderflanke ein Maximum vortäuschen. Eine Impulsform dieser Art entsteht z. B., wenn im Senderteil eines DME-AMragegeräts zur Erzielung der nötigen Tasttiefe zuerst ein mit einem Rechteckimpuls moduliertes Hochfrequenz-SignaJ erzeugt wird, das anschließend in der Senderendstufe durch Modulation mit einem glokkenförmigen Impuls (Anodenmodulation) seine endgültige Form erreicht. Gelangt ein solcher DME-Impuls in einen sich mit der Vektormessung befassenden Empfänger, so entsteht ein an seiner Vorder- und Hinterflanke mit einer Abflachung versehener Impuls. Der Übergang in den Abschnitt konstanten Pegels führt beim Verfahren nach dem genannten Zusatzpatent zur Auslösung des individuellen Meßzeitpunkts, weil dort die Abstände der Schaltimpulse zu groß werden. Dies hat zur Folge, daß alle weiteren Schaltschritte gesperrt werden, was bei weiter steigendem Impuls zur Übersteuerung des Schaltverstärkers führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, mit welcher in einem geeigneten Augenblick unabhängig von der Impulsflankenanstiegsform ein geeigneter Zeitpunkt für die Messung des Momentanwerts der jeweiligen Amplitude und Trägerphase abgeleitet werden kann, so daß auch bei ein Maximum vortäuschenden Impulsen Rückschluß auf die Wellenfront getroffen werden kann, die an dem den Empfängern zugeordneten Antennenvielfach auftritt. Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Schaltung der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Impulse dem Schaltverstärker über eine Verzögerungseinrichtung zugeführt sind, daß zur Einstellung der Verstärkung des Schaltverstärkers eine von den Impulsen unmittelbar beaufschlagte Steuerschaltung vorgesehen ist, die aus einem logarithmischen Verstärker und einem nachgeschalteten Analog-Digitalwandler besteht, der als eine im Parallelbetrieb arbeitende Komparatorkette aufgebaut ist, daß in jedem einzelnen Empfänger ein individueller Meßzeitpunkt mittels eines an den Ausgang des logarithmischen Verstärkers angeschlossenen Maximurndiskriminators ermittelt wird, der die logarithmierten Signalimpulse differenziert und die jeweiligen Nulldurchgänge der differenzierten Impulse als Meßzeitpunkte feststellt, und daß nach einem für alle Empfänger gemeinsamen Meßzeitpunkt, der von den individuellen Meßzeitpunkten der Empfänger mittels Integration abgeleitet wird, beim jeweiligen Empfänger eine weitere stufenweise Verstärkungsreduzierung gesperrt wird, wobei ein hinsichtlich der zeitlichen Eintreffolge ausgewählter individueller Meßzeitpunkt als gemeinsamer Meßzeitpunkt für die gleichzeitige Messung der Emp-

fangsvektoren aller Empfänger herangezogen wird. Die Schaltstufen sind somit bereits eingestellt, wenn der verzögerte Signalimpuls in den Schaltverstärker gelangt. Am Ausgang des Schaltverstärkers erscheint ein Signal, dessen ungestörter Flankenabschnitt größer als beim Verfahren nach dem genannten Zusatzpatent ist.

Die Phasen- und Amplitudenauswertung erfolgt aufgrund des im Maximum des logarithmierten Signalimpulses liegenden Meßzeitpunktes an der jeweiligen Vorderflanke der DME-Impulse. Damit die Ermittlung des gemeinsamen Meßzeitpunktes möglichst nicht durch ein Signal ausgelöst wird, welches nur einen geringen Abstand vom Rauschsignal oder nur zufälligen Charakter aufweist, werden den individuellen Meßzeitpunkten zugeordnete Signale bis zum Überschreiten einer Schwelle aufsummiert, die so eingestellt ist, daß zu ihrer Überschreitung die individuellen Meßzeitpunktsignale einer bestimmten Teilanzahl aller Empfänger erforderlich ist. Erst bei Überschreiten der Schwelle wird ein gemeinsamer Meßzeitpunktimpuls an alle Empfänger zur Vektormessung und auch zum Sperren der Schaltverstärker der Empfänger abgegeben.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung läßt sich die Schaltung nach der Erfindung auch dann einsetzen, wenn bei einer Präzisions-Entfernungsmessung nach dem DME-Verfahren an der Vorderflanke der Impulsumhüllenden ein Bezugspunkt, z. B. der 50%-Punkt, für die Entfernungsbestimmung abgeleitet werden soll. Der für die Entfernungsmessung in üblicher Weise verwendete 50%-Punkt der DME-Impulsumhüllenden wird vom Ausgangsimpuls des Schaltverstärkers abgeleitet. Dieser Impuls weist wegen des vorgesehenen Verzögerungsgliedes einen durch Schaltschritte weitgehend ungestörten, ansteigenden Flankenabschnitt auf und ermöglicht so die Bestimmung des 50%-Punktes. Die Methode nach der Erfindung arbeitet gegenüber derjenigen nach dem bereits eingangs zitierten Aufsatz von Graziani auf digitaler Basis und ermöglicht durch die Amplituden- und Phasen-Übertragung eine Winkelmessung und außerdem gleichzeitig durch die Bestimmung des 50%-Punktes eine Entfernungsmessung.

Da in zweckmäßiger Weise diese Punkte über mehrere Einzelempfänger des Empfängervielfaches gemessen werden, ist durch Mittelwertsbildung eine Reduzierung des statischen Fehlers möglich. Die Entfernungsmeßgenauigkeit hängt davon ab, mit welchem Zeitfehler der Bezugspunkt an der Vorderflanke des DME-Signals am Boden und an Bord bestimmt werden kann. Wird an Bord ein den 50%-Punkt auswertendes Präzisions-DME eingesetzt und wird am Boden nur ein Empfänger für die Entfernungsmessung herangezogen, so ergibt sich für den Gesamlfehler durch Addition der Teilfehler, die z. B. jtweils ± 10 m betragen, ein Wert von ± 20 m. Der am Boden auftretende Teilfehler kann durch das Ausnutzen mehrerer Kanäle des Empfängervielfaches reduziert werden. Es ist umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Anzahl der benutzten Kanäle. Benutzt man z. B. 25 Kanäle, so ergibt sich ein Reduzierungsfaktor von 5, so daß der durch statistische Störungen verursachte Teilfehler am Boden ± m wird. Der Gesamtfehler bei der Bordmessung beträgt dann: ± 12 m.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf eines DME-Impulses

entsprechend der Spezifikation,

Fig. 2 den Verlauf eines DME-Impulses entsprechend der Spezifikation, aber mit konstantem Flankenabschnitt,

Fig. 3 ein Ausschnittsschaltbild eines einzelnen Empfängers nach der Erfindung,

Fig. 4 einen Impulsplan für verschiedene Stellen des Blockschaltbildes nach Fig. 3, und

Fig. 5 und 6zwei logarithmierte DME-Impulse mit deren Differential bei verschiedenen Eingangsimpulsformen.

Fig. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf eines gewöhnlichen DME-Impulses, welcher der Spezifikation entspricht. Diese Spezifikation legt jedoch lediglich die Breite und die Steilheit zwischen dem 10%- und dem 90%-Punkit fest. Bei Eingangspegeln, die größer sind als —70 dBm wird aber auch der vor dem 10%-Punkt liegende Flankenabschnitt in die Signalverarbeitung miteinbezogen, weil dieser dann über dem Rauschpegel liegt.

Es können nunmehr Impulsformen auftreten, die zwar diese Spezifikation erfüllen, aber an der Vorderflanke ein Maximum vortäuschen. Ein solcher DME-Impuls ist in seinem zeitlichen Verlauf in Fig. 2 dargestellt. Der Übergang in den Abschnitt konstanten Pegels führt beim Verfahren nach dem bereits genannten Zusatzpatent zur Auslösung des Meßzeitpunkts, weil dort die Abstände der Schaitimpulse zu groß werden. Dies hat zur Folge, daß alle weiteren Schaltschritte des Schaltverstärkers gesperrt werden, was bei weiter steigendem Impuls zur Übersteuerung des Schaltverstärkers führt.

Fig. 3 zeigt in einem Blockschaltbild einen Ausschnitt eines Einzelempfängers eines Empfängervielfachs zur vektoriellen Auswertung von DME-Impulsen (TACAN-Impulse). Bei der Vermessung solcher Impulse nach Amplitude und Phase kommt es darauf an, daß die Auswertung der Information auf der Vorderflanke stattfindet, weil dort die Möglichkeit der Störung durch Umwegeausbreitung am geringsten ist. Das L-Band-DME-Signal wird über zwei Mischerstufen 1 und 2 zunächst auf eine Frequenz von 63 MHz und dann auf eine Zwischenfrequenz von 4,06 MHz umgesetzt und anschließend einem 4,06 MHz-Bandfilter 3 zugeführt. Das Friterausgangssignal B wird über ein Verzögerungsglied 4 und einen Phasenentzerrer 5 in einen in diskreten Stufen einstellbaren Schaltverstärker 6 geleitet. Parallel dazu wird das Filterausgangssignal B einem logarithmischen Verstärker 7 zugeführt, dessen Ausgangssignal C über einen Analog-Digitalwandler 8 die Voreinstellung des Schaltverstärkers 6 vornimmt. Die Schaltstufen sind dann bereits eingestellt, wenn das verzögerte Filterausgangssignal D in den Schaltverstärker 6 gelangt, so daß an dessen Ausgang ein Signal E erscheint, das einen durch Schaltsprünge ungestörten Flankenabschnitt aufweist. Das Ausgangssignal E des Schaltverstärkers 6 wird einem Auswerter 9 zugeführt, in dem zur Vektormessung ein zweites, gegenüber dem zugeführten Meßsignal um 90 ° phasenverschobenes Meßsignal erzeugt wird, dessen Momentanamplitude zum gleichen Meßzeitpunkt gemessen wird. Am Ausgang dieses Auswerters 9 stehen somit die Signale A- sin φ und A ■ cos φ an, wobei A die Amplitude und φ der Phasenwinkel ist. Das Ausgangssignal E des Schaltverstärkers 6 wird außerdem zur DME-Auswertung einem 50%-Punkt-Diskriminator 10 zugeführt, an dessen Ausgang ein Signal G in dem Moment abgegeben wird, in welchem der 50%-Punkt des Signals E erreicht wird.

■"' Die dargestellte Schaltung läßt sich ohne weiteres mit hochintegrierten Bausteinen verwirklichen. Für den logarithmischen Verstärker 7 kann ein integrierter Baustein eingesetzt werden, der mit Hilfe von drei Operationsverstärkern zu einem logarithmischen

i« Verstärker von 80 dB Dynamik erweitert werden kann. Der Analog-Digitalwandler 8 besteht aus einer Reihe von Komparatoren, deren Anzahl der Schaltstufenzahl des Schaltverstärkers 6 entspricht und die im Parallelbetrieb arbeiten. Eine serielle Analog-Digitalumwandlung mit Hilfe eines Abtasttaktes unter Verwendung eines !Comparators ist nicht möglich, weil dann eine Abhängigkeit von der Flankenform gegeben ist. Das Verzögerungsglied 4 läßt sich mit einem Allpaß verwirklichen. Der Phasenentzerrer 5 ist zur

μ Behebung von Abweichungen bei der Verwendung verschiedener Exemplare des Bandfilters 3 und des Verzögerungsglieds 4 vorgesehen.

Wie bereits erläutert, soll die Phasen- und Amplitudenauswertung an der Vorderflanke des DME-Im-

2'} pulses durchgeführt werden. Dazu muß ein Meßzeitpunkt an der Vorderflanke abgeleitet werden. Ein für diesen Zweck geeigneter Zeitpunkt ist durch das Maximum des logarithmierten DME-Impulses C gegeben. Ein am Ausgang des logarithmischen Verstär-

«i kers 7 angeschlossener Maximumdiskriminator 11 liefert zum Zeitpunkt des DME-Impulsmaximums ein Signal (Maximum-Signal) F an eine zentrale Baugruppe, in der durch Integration der Signale mehrerei Kanäle ein zentrales Maximum-Signal abgeleitet wird

i") Das zentrale Maximum-Signal ZMS verhindert jedes weitere Umschalten der Verstärkung des Schaltverstärkers 6.

In Fig. 4 sind in einem Impulsdiagramm die jeweiligen Zustände an den Schaltungsstellen B bis G nach

^jn Fig. 3 untereinander dargestellt. Im einzelnen bedeuten B das DME-Zwischenfrequenzsignal, C das logarithmierte DME-Zwischenfrequenzsignal, D das verzögerte DME-Zwischenfrequenzsignal, E das vom Schaltverstärker 6 geschaltete DME-Zwischenfre-

quenzsignal, F das Maximumsignal und G das Signa! bei Erreichen des 50%-Punktes zur DME-Auswertune.

Über die Funktion des Maximumdiskriminators 11 bei verschiedenen Eingangsimpulsformen geber Fig. 5 und 6 Auskunft. Die Maximum-Diskriminatoi 11 nach Fig. 3 wird der logarithmierte DME-Impul; (obere Zeile) von Fig. 5 differenziert (untere Zeile von Fig. 5) und der Nulldurchgang festgestellt. Di« zeitliche Lage des Nulldurchgangs des differenzierter Impulses ist vom Pegel des Empfangssignals unabhän gig. Die Schaltung funktioniert auch bei Signalformen die einen konstanten Flankenabschnitt aufweiser (obere Zeile in Fig. 6), d. h. ein Maximum vortäuschen. Der Unterschied zwischen einem vorgetäusch

bo ten Maximum an der Vorderflanke und dem Haupt maximum liegt darin, daß das Differential an de; Vorderflanke nicht durch Null geht (untere Zeile ii Fig. 6). Da der Maximum-Diskriminator so ausgeleg ist, daß er nur auf den Nulldurchgang anspricht, wire an der Stelle des vorgetäuschten Maximums kein Si gnal abgegeben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Bestimmung der Einfallsrichtung von genormten DME-Impulsen nach dem Interferometer-Prinzip in einer DME-Bodenstation unter Verwendung mehrerer Empfänger, wobei in jedem Empfänger die Impulse, welche große Pegelunterschiede aufweisen können, einem Schaltverstärker mit in diskreten Stufen einstell- ι ο barer Verstärkung zugeführt werden, deren Reduzierung automatisch mit dem Anstieg der Vorderflanke des jeweiligen Signalimpulses erfolgt, und wobei nach Durchlaufen des jeweiligen Schaltverstärkers der Empfänger zu einem be- ü stimmten, für alle Empfänger gemeinsamen Meßzeitpunkt die Momentanamplituden und Momentanphasen des Trägerfrequenzsignals der Impulse gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse (A) dem Schaltverstärker (6) über eine Verzögerungseinrichtung (4) zugeführt sind, daß zur Einstellung der Verstärkung des Schaltverstärkers (6) eine von den Impulsen (A) unmittelbar beaufschlagte Steuerschaltung vorgesehen ist, die aus einem logarithmischen Verstärker (7) und einem nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler (8) besteht, der als eine im Parallelbetrieb arbeitende Komparatorkette aufgebaut ist, daß in jedem einzelnen Empfänger ein individueller Meßzeitpunkt (F) mittels eines an den Ausgang m des logarithmischen Verstärkers (7) angeschlossenen Maximumdiskriminators (11) ermittelt wird, der die logarithmierteη Signalimpulse (C) differenziert und die jeweiligen Nulldurchgänge der differenzierten Impulse (C) als Meßzeitpunkte r> (F) feststellt, und daß nach einem für alle Empfänger gemeinsamen Meßzeitpunkt, der von den individuellen Meßzeitpunkten der Empfänger mittels Integration abgeleitet wird, beim jeweiligen Empfänger eine weitere stufenweise Verstär- -to kungsreduzierung gesperrt wird, wobei ein hinsichtlich der zeitlichen Eintreffolge ausgewählter individueller Meßzeitpunkt als gemeinsamer Meßzeitpunkt für die gleichzeitige Messung der Empfangsvektoren aller Empfänger herangezo- 4» gen wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den individuellen Meßzeitpunkten zugeordnete Signale (F) bis zum Überschreiten einer Schwelle aufsummiert werden, die >o so eingestellt ist, daß zu ihrer Überschreitung die individuellen Meßzeitpunktsignale einer bestimmten Teilanzahl aller Empfänger erforderlich ist, und daß bei Überschreiten der Schwelle ein gemeinsamer Meßzeitpunktimpuls an alle Empfänger zur Vektormessung und auch zum Sperren der Schaltverstärker (6) der Empfänger abgegeben wird.

3. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die An- bii zahl der Kettenglieder der Komparatorkette im Analog-Digitalwandler (8) der Stufenzahl des einstellbaren Schaltverstärkers (6) entspricht.

4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungseinrichtung (4) ein Allpaß vorgesehen ist.

5. Schaltung nach einem Her vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungseinrichtung (4) ein Phasenentzerrer (5) nachgeschaltet ist.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die gleichzeitige Verwendung bei Präzisions-Entfernungsmessungen nach dem DME-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Vorderflanke der Impulsumhüllenden abzuleitende Bezugspunkt, z. B. der 50%-Punkt, vom Ausgang des stufenweise schaltenden Verstärkers (6) über einen Meßdiskriminator (10) abgeleitet wird.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Bezugspunkte über mehrere Empfänger des Empfängervielfaches gemessen werden und der endgültig zu verwendende Bezugspunkt durch Mittelwertsbildung der einzelnen Bezugspunkte ermittelt wird.