DE2717997C2

DE2717997C2 - Monopulspeiler zur Azimut- und/oder Elevationsmessung

Info

Publication number: DE2717997C2
Application number: DE19772717997
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Ing. 7140 Ludwigsburg Blaschke; Klaus Dieter Dipl.-Ing. Eckert; Karl Dipl.-Math. 7257 Ditzingen Kohler
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1977-04-22
Filing date: 1977-04-22
Publication date: 1982-04-29
Also published as: DE2717997A1

Description

Stand der Technik

Die f rfindiing betrifft einen Mnnopulspeilcr /in Azimut und'oder f levationsmessiing wie im Oberbe griff des Anspruchs 1 angegeben.

Ein derartiger Monöpulspeiier ist aus »Frequenz«, 30 (1976) 9, Seilen 234-238, bekannt. In diesem Artikel wird das DME'gestützle Landesystem DLS beschfie* ■ben, und bei dem die Monopulspeiler zur Azimut* und Elevationsmessung der empfangenen DME'Abfrageimpulse verwendet werden. Flexible Anflugwege, d. h.

Anflugwege unter verschiedenen Winkeln und nicht unter einem bestimmten Winkel wie bei dem eingeführten Instrumentenlandesystem ILS, machen es möglich, daß im Hinblick auf die verschiedenen Flugzeugtypen, aus maximalen Verkehrsfluß, Lärmverminderung und geringste Luftverschmutzung der günstigste Anflugweg ausgesucht wird. Bei einem Landesystem, bei dem die obengenannten Winkel bodenseitig gemessen werden, ist es wichtig, daß die Messung nicht durch Mehrweg-ο ausbreitung gestört wird.

Aufgabe

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Monopulspeiler anzugeben, der gegen Mehrwegausbreitung der zu peilenden Signale weitgehend unempfindlich ist

Lösung

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit dem in Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Vorteile

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, das Strahlungsdiagramm auch in der Richtung, in der keine virtuelle Strahlschwenkung erfolgt eine Bündelung des Strahlendiagramms zu erreichen. Bei der Summenbildung zur Erzeugung der virtuellen Diagramme können auch die an den /»ntennenelementen der Bezugsantennenzeile oder -Spalte gemessenen Phasenwerte berücksichtigt werden. Die Weiterbildung geben Lösungen an. mit oenen es möglich ist. in zwei Richtungen eine Strahlennachführung zu erzeugen.

Gemäß einer Weiterbildung ist auch eine Strahlnachführung in zwei Richtungen möglich. Die Vorteile, die

is sich aus einer Strahlnachführung in zwei Richtungen ergeben, werden anhand eines Beispiels erläutert Mit einem seitlich einer Landebahn angeordneten Monopulspeiler soll die Elevation des landenden Flugzeugs gemessen werden. Hierzu wird in der Elevationsrichtung das Strahlungsdiagramm des Mono pulspeilers in Richtung des Flugzeugs ausgerichtet und der Elevationswinkel wird a'js Phasenmessungen ermittelt. Das empfangene Signal kann jedoch aus der Überlagerung des direkt empfangenen Signals und eines

4-, von beispielsweise einer Flugzeughalle reflektierten Signal bestehen, was zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führ» Durch eine zusätzliche Strahl nachführung in Azimutrichtung kann verhindert werden, daß das reflektierte Signal ebenfalls empfangen

Vi wird. Ein gebünoel'.es Strahlungsdiagramm, das unveränderlich in eine vorgegebene Azimiitrichtung ausge riclitet ist. ermög'icht nicht die notwendige Unterdrük kung dir reflektierenden Signale denn durch die Anordnung des Monopulsoeilers seitlich der Landebahn

-,i ändert sich der Winkel vom Flug/eug /um Peiler wahrend des ' andeanflugs laufend

Revhreihiirg

Die f'rlindiing wird anhand <Ι.τ Zeichnung beispieK hi\ weise r)äher erläutert Ak Aiisfuhrungsbeispiel wird ein Monpulspeiler beschrieben der den Klevationswinkcl des Abfragesignals mißt, und bei dem zur Reduzierung der Störungen, die durch Mehrwegausbreitungen Verursacht werden, auch in der Azimulrichtung eine Strahlschwenkung erfolgt. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Monopulsspeilefs,
F ί g. 2 dfcn geometrischen Aufbau der Antenne des Moiiopulspeilers,

Fig.3 Strahlungsdiagramme für die Grob- bzw. Feinmessung,

Fig.4 ein Diagramm, in dem die gemessenen relativen Phasen als Funktion der Antennenabmessung aufgetragen sind.

Anhand des in F i g. 1 dargestellten Blockschaltbildes wird ein Monopulspeiler für ein Landesystem beschrieben, mit dem Eievationsmessungen durchgeführt werden und dessen virtuelles Strahlungsdiagramm dem landenden Flugzeug nachgeführt wird. Azimutmessungen können mit einem gleichartigen Monpulspeiler durchgeführt werden.

Der Monopulspeiler enthält eine Antenne 1, die aus mehreren Antennenelementen 2, 3 besteht, wobei die meisten dieser Antennenelemente 2 zur Elevationsmessung und die restlichen als Bezugsantennenelemente 3 verwendet werden. Der geometrische Aufbau der Antenne 1 wird weiter unten anhand der F i g. 2 erläutert Jedem Antennenelement 2, 3 ist jeweils ein Empfänger 4 und ein Amplituden- und Phasenmeßein· richtung 7 nachgeschaltet.

In den Empfängern 4 wird das enipfangene HF-Signal auf bekannte Weise in die ZF-Lage umgesetzt, weil au^ den Phasen- und Amplitudenwerten der Einfallswinke! eines vom landenden Flugzeug abgestrahlten Abfrage signals berechnet werden soll, ist es notwendig, daii allen Empfängern 4 dieselbe Mischfrequenz zugeführ. wird. Die Mischfrequenz wird in einem Mischfrequenzoszillator 6 erzeugt. In den Amplituden- und Phasenmeßeinrichtungen 7 werden die Amplituden und Phasen der ZF-Signale gemessen. Die Phase der Signale wire relativ zu der Phase eines Bezugssignals, das in einem Signalgenerator 5 erzeugt und allen Amplituden unJ Phasenmeßeinrichtung 7 zugeführt wird, gemessen. Die Meßwerte werden digitalisiert einer Auswerteeinnch tung 8 zugeführt. Die Winkeiberechnung in der Auswerteeinrichtung aus diesen Meßwerten wird weiter unten näher erläutert.

Die Fig. 2 zeigt eine mögliche Anordnung dci Antennenelemente. Die zur Elevationsmessung verwendeten An'ennenelemente 2 der Antenne 1 sind in m Spalten und π Zeilen angeordnet, wobei in jeder Zeiie r nur ein Antennenelement 2 vorgesehen ist. Die Zahl de^r Antennenelemente in den Spalten m hängt von der Gesamtzahl der Antennenelemente ab. Die Verteilung auf die einzelnen Spalten kann gleichmäßig sein; die Antennenelemente können jedoci auch — wie in den dargestellten Beispiel - auf bestimmte Spaittr konzentriert sein. Zusätzlich zu diesen Antennencle menten 2 ist noch eine weitere Zeile mit der Bezugsantenneneleme"ten 3 vorhanden. Die Verteilung der Bezugsantennenelemente 3 auf der /eile ist beliebig Ε«, wird -veiter unten no'h erlau:ert. lau. wenn die /nh der Be/ug.santcnnenelemente 3 mit der Zahl der Spulte; übereinstimml und die Bezugsantennenelemente 1 ■ den Spalten m angeordnet sind, ein spezielles Amurne verfahren möglich ist

Der Abstand der /eilen urnj Spalten liegt in de Groüeniirdnu ^-.p einer Wellenlänge λ FJr A ".lamH können gk-u h oder unterschied!,( h -.<■ ■ r,

Wrnn in der V/irtiiitrii.htiing κ .,.ic- Vahibimdei.it'jj verlangt ist, reicht es aus, wenn alle Antennenelemente 2 in einer Spalte angeordnet sind. In diesem Fall sind keine Bezugsantennenelemente 3 vorgesehen.

Nachdem in den vorangegangenen Abschnitten die wesentlichen Teile des Mönopulspeilers beschrieben wurden, wird nachfolgend die Auswertung erläutert Zuvor wird jedoch erklärt wie die virtuellen Diagramme erzeugt werden.

Es wird zunächst angenommen, daß die Antenne 1 aus 20 (= n) in einer Spalte angeordneten Antennenelementen 2 besteht Haben alle Antennenelemente ein Runddiagramm und werden sie alle mit gleicher Phase und gleicher Amplitude gespeist, dann hat das Strahlungsdiagramm dieser Antennenzeile senkrecht zur und beidseitig von der Antennenachse jeweils eir. Hauptmaximum und unter anderen Winkeln mehrere

ίο Nebenmaxima. Durch eine geeignete Gewichtur.g der Amplituden der Speiseströme für die einzelnen Antennenelemente können die Nebenmaxima stark reduziert werden. Wenn man die Antennenelemente mit Strömen unterschiedlicher Phase speist kann man

ιό erreichen, daß das Hauptmaximum in eine gewünschte Richtung zeigt. Dies kann man dadurch erzielen, daß in jeder Zuleitung zu einem Antennenelement ein Phasenschieber angeordnet ist Wenn das Strahlungsdiagramm geschwenkt werden soll, müssen diese

in steuerbar sein.

Bei der hier beschriebenen Lösung werden keine steuerbaren Phasenschieber ur.u Dämpfungsglieder verwendet, sondern es wird aus den gemessenen Amplituden- und phasenwerten in einem Rechner die

:> Vektorsumme gebildet, wobei die Amplituden- und Phasenwerte vor der Summenbildung so verändert werG..-n, daß man ein resultierendes Signal (d. h. dit Vektorsumme) erhält das gleich ist dem, das man erhalten hätte, wenn die Antennenzeile ein bestimmtes

j Strahlungsdiagramm gehabt hätte. Dieses Strahlungs diagramm, das in Wirklichkeit nicht vorhanden ist, wird virtuelles Strahlungsdiagramm genannt. Falls da-, virtuelle Diagramm nicht geschwenkt werden muB kann der Rechner durch eine geeignete Schaltung

j ersetzt werden.

Die virtuellen Diagramme werden bei dem bereif erwähnten Monopulspeiler zu der Bestimmung der Einfallsnchtung des Abfragesignals von einer Bordsta tion verwendet.

+. Der Meßvorgang besteht aus einer Grob- und einer Feinmessung. In beiden Fällen wird der Einfallswinkel durch Phasenvergleich von zwei virtuellen Diagrammen bestimmt.

Zur Erzeugung dieser beiden virtuellen Diagramme werden die 20 Antennenelemente 2 in zvei Gruppen eingeteilt. Diese beiden Gruppen können beispielsweise aus den Antennenelementen der Zeilen 1 bis λ bzw. Xl bis π bestehen. Es ist jedoch auch möglich, daß sicn die Gruppen, denen die virtuellen Diagramme zugeordne'

ν sind, überlappen.

Zur Grobmessung werden zwei virtuelle Diagramme verwendet, die sich nahezu überdecken und d,e angenähert einen Winkelbereich von 90 bedecken Die Strahlungsdiagramme sind dabei im Raum so angeurd nei. daß ihre untere Begrcnzungsebene den Lrdbcden gerade mehl berührt. In Fig. 3a ist das Strati lungsdia gramm in einem Po'arkooniiratensystem {die y Achse ents,>nctu der Erdoberfläche) dargestellt. Ergibt sich auden l'hasens ergleich der meiden virtuellen Diagramme

μ- — ι!. \ Jciii CfiatenverglcKti der beiden Vektorsummen — ein {·'!(·>. ationswinkel i¹' on großer als 25". dann wird keine Feinmessung durchgeführt

Bei einem Elevationswinkel kleiner 25° wird die nachfolgend beschriebene Feinmessung durchgeführt

es Zur Feinmessung wird ein virtuelles Strahlungsdiagramm, bestehenr' aus zwei sich nahezu überdeckenden schmalen Keulen, die in Richtung des bei der Grobmessung ermittelten Winkel ausgerichtet sind.

verwendet. Dadurch wird erreicht, daß die Abfragesignale mit hohem Gewinn empfangen werden, während Signale aus anderen Winkeln (reflektierte Signale) überhaupt nicht oder nur mit stark gedämpfter Amplitude empfangen werden. Dieses virtuelle Strahlungsdiagramm wird dem landenden Flugzeug automatisch nachgeführt, weil das virtuelle Diagramm stets in die Richtung des jeweils gemessenen Winkels »ausgerichtet« ist.

Werden, wie oben erwähnt, die Antennenelemente 2 zur Erzeugung zweier virtueller Diagramme in die Gruppen I bis X und Xl bis η eingestellt, dann ist der aus dem Phasenvergleich ermittelte Elevationswinkel mehrdeutig, weil die Strahlungsschwerpunkte der virtuellen Diagramme einen Abstand von 10 λ haben. Bei diesem großen Abstand erzielt man jedoch die höchste Meßgenauigkeit. Deshalb muß eine Eindeutung durchgeführt werden. Hierzu wählt man nacheinander unterschiedliche Gruppen so aus, daß die Strahlungs-

Z_n = A_me"*

Schwerpunkte zunächst sehr nahe beieinander liegen, z. B. Gruppen mit den Antenrtenelementen der I. bis X. und der II. bis XI. Zeile, und anschließend der Abstand immer größer wird. Dadurch wird gewährleistet, daß die Eindeutigkeit erhalten bleibt. Es ist möglich, die Eindeutung vor der Grob- und der Feinmessung durchzuführen. Da es bei der Eindeutung nicht so sehr auf die Meßgenauigkeit ankommt, ist es auch möglich, während der Eindeutung nur einen Teil der Antehnenelemente 2 zu verwenden, z. B. zwei Gruppen mit jeweils 4 Antennenelementen. Dadurch wird die Rechenzeil verkürzt.

Die Berechnung der virtuellen Diagramme kann nach den nachfolgend beschriebenen Rechenvorschriften vorgenommen werden.

Die gemessenen Amplituden und Phasen des von einem Antennenelement empfangenen Abfragesignals lassen sich durch einen komplexen Zeiger

(D

darstellen, wobei A_n die Amplitude und B_n die Phase ist. Aus diesen Zeigern werden für eine erste B und eine zweite FGruppe die Vektorsumme, d.h. das virtuelle Diagramm gebildet. Die virtuellen Diagramme sind somit beispielsweise bestimmt durch

V/2

Z₄ =

Zr =

-0,5 cos

(^β'ϊ)ίΓ

(2)

(3)

(hierbei sind Ab, Af die Amplituden und Pb, Pp die Phasen der Vektorsummen, N ist die Gesamtzahl der Antennenelemente 2, α ist die Phase, um die die Phase des Ausgangssignals zweier benachbarter Antennenelemente verändert wird).

Da die Beträge der Vektorsummen |Z*| und \Zr\ gleich sind, kann der Einfallswinkel -& des Abfrage-• signals nach folgender Gleichung berechnet werden:

sin δ

N- 180· j

(c/ist der Abstand der Antennenelemente)
Diese Rechenvorschriften gelten auch für die Eindeutung, jedoch werden hier andere Summenbildungen durchgeführt, weil, wie oben erwähnt, andere Gruppen von Antennenelementen verwendet werden. Durch den Klammerausdruck in den obigen Formeln erfolgt eine Amplitudengewichtung, wodurch die Nebenkeulen des virtuellen Diagramm« reduziert oder beseitigt werden. Die Strahlschwenkung der virtuellen Diagramme erfolgt durch Änderung des Winkels <%.

Für die oben beschriebene Elevationswinkelmessung wurden nur die Antennenelemente 2 verwendet wobei angenommen wurde, daß diese alle auf einer Geraden angeordnet sind. Mit diesen Antennenelementen läßt sich in der Elevationsrichtung eine gute Bündelung der virtuellen Diagramme erreichen. Wegen Störungen durch Mehrwegausbreitungen — beispielsweise durch Reflexionen der Abfragesignale an Flughafengebäuden ie* ac erwunscii* such in der Azmmirici^tux¹⁰'

Strahlbündelung zu erhalten.

Zieht man die vertikal angeordnete lineare Antennenanordnung so auseinander, daß die einzelnen Antennenelemente 2 unterschiedliche Waagrechte Positionen einnehmen, dann erhält man eine Antennenanordnung mit m Spalten und η Zeilen, bei der nicht alle Kreuzungspunkte von Spalten und Zeilen mit einem Antennenelement besetzt sind. Aus ähnlichen Überlegungen wie denen, die bereits für lineare Anordnung durchgeführt wurden, ergibt sich, daß man mit dieser Antennenanordnung auch in der Azimutrichtung eine Bündelung — des Strahlungsdiagrammes erhält Mit dieser Antenne wäre also eine Schwenkung des virtuellen Strahlungsdiagrammes in der Elevationsebene möglich, wobei das Strahlungsdiagramm in der so Azimutebene gebündelt ist

Weil sich jedoch der Winkel vom Monopulspeiler zum Flugzeug während des Landeanflugs 'aufend ändert ist eine solche feststehende Strahlbündelung in der Azimutrichtung zur Unterdrückung von Störungen, die durch Mehrwegausbreitungen verursacht wurden, nut bedingt geeignet

Bei dem neuen Monopulspeiler erfolgt deshalb auch

in der Azimutebene eine Strahlschwenkung eines virtuellen Diagramms. Da in der Azimutebene keine Winkelbestimreung vorgenommen werden muß, reicht es aus, ein einkeuliges virtuelles Diagramm zu erzeugen.

Die Schwenkung des virtuellen Diagramms in der Azimutebene wird möglich, wenn man zu den bereits vorhandenen Antennenelementen 2 weitere Bezugsantennenelemente 3 hinzufügt Die Bezugsantennenelemente 3 befinden sich auf einer Zeile, die parallel zu den Zeilen der anderen Antennenelemente 2 angeordnet ist. In der Fig.2 ist dies die unterste Zeile. Em

Antennenelement 2 kann auch als Bezugsantenneneleffient 3 verwendet werden. Hierbei wird zunächst angenommen, daß die Bezugsantennenelemenle 3 an den Schnittpunkten der Spalten mit der Bezugsaniennenzeile angeordnet sind.

Den Bezugsanlennenelementen 3 sind, wie bereits erwähnt, ebenfalls Empfänger 4 und Meßeinrichtungen 7 nachgeschaltet.

Um eine Strahlschwenkung in der Azimutrichtung zu bekommen, werden für die Summenbildung (Gleichungen (2) und (3)) nicht die Zeiger Z_n, sondern die Zeiger Z'„ verwendet.

Diese beiden Zeiger unterscheiden sich durch ihre Phase B_n. Die Phase B_n, des neuen Zeigers ist

B_n- = B_n - /L

(S)

wobei B_m die Phase desjenigen Signals ist, das von einem Bezugsanteiinenelemenl 3, das sich in der gleichen Spalte wie das entsprechende Antennenelement 2 befindet, empfangen wird, in den VcKiorsummefi muß also Z_n = A„t^IBl> ersetzt werden durch

W. =

(6)

Mit dieser Antenne 1 und mit der beschriebenen Auswertung ist es möglich, daß in der Elevationsrichtung das gewählte virtuelle Diagramm jeweils in die Richtung zeigt, aus der das ausgewertete Abfragesignal kommt, und daß das virtuelle Diagramm in Azimut- und Elcvationsrichtung automatisch dem landenden Flug-

zeug nachgeführt wird.

In der F i g. 4 sind die an den Bezugsantennenelementen 3 gemessenen Phasen als Funktion der geometrischen Abmessung der Antenne (Antennenbreite) aufgetragen. Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, daß sich die Phasen wegen der Störungen durch Mehrweg· ausbfeitungen Und wegen Meßfehlern nicht linear mit der Aiitennenbreite ändern. Man erhielt deshalb ein verbessertes Ergebnis, wenn man die Phasen lineafisiert,

d. h. wenn man durch die Meßpunkte eine Gerade legt, durch welche die Meßwerte möglichst gut angenähert werden. Diese Linearisierung erfolgt ebenfalls in dem Rechner der Auswertee'mfichtung 8.

Bei der weiteren Auswertung werden von den an den Antennenelementen 2 gemessenen Phasen nicht mehr die Phasen abgezogen, die an den Bezugsantennenele· fnenien 3 derselben Spalte gemessen werden, sondern die Phase der lineärisierten Geraden γ, die zu dem jeweiligen Ort des Antennelements 2 gehört, d. h. von den Antennenelementen in der /j)-ten Spalte und der I., iX. und XVii. Zeile (F !g\ 2) w'ifu iiie Phase üugeiOgen, die durch ciie Gerade γ art der Anterihehbfeite e(Fig. 4) bestimmt ist.

Anstatt jeweils die entsprechenden Phasenwerte abzuziehen, ist es auch möglich, mit Hilfe der Bezugsantennenelernente 3 die Azimutrichtung des landenden Flugzeugs — entsprechend der Elevationsmessung — zu bestimmen und anschließend das virtuelle Diagramm in der Azimutrichtung analog der Ausrichtung in der Elevation auf das landende Flugzeug auszurichten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Monopulspeiler zur Azimut- und/oder Elevationsmessung, insbesondere für ein Funklandesystem, das nach dem Phasendifferenzverfahren arbeitet, mit einer Antenne, die aus η Antennenelementen besteht, denen jeweils ein Empfänger und eine Einrichtung zur Messung der Amplitude und der Phase — bezogen auf eine Bezugsschwingung — der empfangenen HF — Schwingung nachgeschaltet sind, bei dem aus mindestens einem Teil der Antennenelemente mindestens zwei Antennengruppen gebildet werden, bei dem aus den Amplituden- und Phasenwerten einer Gruppe jeweils eine Vektorsumme gebildet wird, wobei die Phasenwerte vor der Summenbildung so verändert werden, daß der Betrag der jeweiligen Vektorsumme gleich der Feldstärke ist, die man erhalten würde, wenn die Antenne ein bestimmtes Strahlungsdiagramm hätte, so daß hierdurch ein virtuelles Strahlungsdiagramm erzeugt wird, und bei dem aus der Phasendifferenz zwischen den Vektorsummen der Azimut und/oder die Elevation ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die η Antennenelemente (2) in π Zeilen und m Spalten angeordnet sind, wobei in jeder Zeile und in jeder Spalte mindestens je ein Antennenelement (2) vorgesehen ist, und daß zusätzlich eine Bezugsantennenspalte oder Bezugsantennenzeile (3) vorgesehen ist

2. Monopulspeiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Summenbildung der Phasenwert des Ausgangssignals eines Antennenelementes (2) der Bezugsanten.ienzeile oder Bezugsantennenspalte von den Phasenwerten der Ausgangssignale der Antennenelement. (2). die in der gleichen Spalte (m)oder Zeile ^angeordnet sind, abgezogen wird.

3. Monopulspeiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der Ausgangssignale der Antennenelemente (3) der Bezugsantennenzeile oder Bezugsantennenspalte so linearisiert werden, daß zwischen den Phasenwerten und der geometrischen Abmessung der Bezugsantennenzeile oder Bezugsantennenspalte ein linearer Zusammenhang entsteht und daß vor der Summenbildung von den Phasenwerten der Ausgangssignale der Antennenelemente (2) diejenigen Phasenwerte abgezogen werden, die durch den linearen Zusammenhang zwischen Phasenwerten und geometrischer Abmessung an den Kreimmgspunkten zwischen den jeweiligen Spähen und der ße/ugsantennen/eile. oc er Zeilen und dir Be/ugsantennenspalte gegeben sind