DE2725099A1

DE2725099A1 - Bodenstation fuer ein navigationssystem mit einer antenne fuer elektronische strahlschwenkung

Info

Publication number: DE2725099A1
Application number: DE19772725099
Authority: DE
Inventors: Paul Barton
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1976-06-10
Filing date: 1977-06-03
Publication date: 1977-12-22
Also published as: US4119969A; AU2575877A; AU506739B2; JPS534491A; GB1527547A; FR2354564A1

Description

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Bodenstation für ein Navigationssystem mit einer Antenne für elektronische Strahlschwenkung

Die Erfindung betrifft eine Bodenstation für ein Navigationssystem mit einer Antenne, die für eine elektronische Strahlschwenkung geeignet ist.

Bei dem bekannten TRSB (time reference scanning beam) Mikrowellenlandesystem wird in einem Sektor, in dem

die Landeführungsinformation zur Verfügung stehen soll, ein gebündelter Strahl geschwenkt und aus dem Vergleich von Empfangszeit des Strahls und Empfangszeit eines
Referenzimpulses wird die Winkelinformation abgeleitet.

Das im Empfänger gleichgerichtete Signal ist der empfangenen Leistung, die von der strahlschwenkenden Antenne abgestrahlt wird, direkt proportional und als solches inkohärent. Deswegen ist keine Anwendung einer kohärenten Signalverarbeitungstechnik möglich, die notwendig ist, um in schwierigen Situationen die notwendige Genauigkeit zu erzielen.

Das TRSB-Mikrowellenlandesystem ist aus der Literatur
bekannt. Der Artikel von R.J.Kelley in Journal of the
Institute of Navigation, Washington, D.C, Band 23, Nr. 1, Frühjahr 1976, "Time-Reference Microwave Landing System Multipath Control Techniques" ist besonders dazu geeignet, die Probleme, die mit der Mehrwegausbreitung, mit denen sich auch die Erfindung befaßt, verbunden sind, zu verstehen.

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In der DT-OS 26 08 235 wurde bereits vorgeschlagen, zusätzlich zu der Abstrahlung des geschwenkten Strahls in den gesamten durch den Schwenkbereich bestimmten Sektor ein Signal abzustrahlen, dessen Frequenz sich von der Frequenz des geschwenkten Strahls unterscheidet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Strahlschwenksystem anzugeben, das mit einer möglichst einfachen Antennenanordnung für die Elevationsmessung ausgerüstet ist und das gleichzeitig gegen Störungen durch Hindernisse innerhalb des fächerförmigen Führungsdiagramms, die im Azimut Mehrwegausbreitungssignale erzeugen, unempfindlich ist. Diese Fähigkeit basiert auch auf der Verwendung einer Phasenbezugsanordnung. Ohne sie ist die Schaffung einer Azimut-Diversity bei einem Strahl schwenksystem außerordentlich schwierig. Es wurden eine Anzahl vollständig aufgefüllter matrixförmiger Antennenanordnungen (Elevationsantennen), die horizontal gestaffelt sind, benötigt, und dies verursacht hohe Kosten.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig.1 eine erfindungsgemäBe Bodenstation mit einer matrixfönnigen Antennenanordnung mit Azimut diversity, einer Steuereinrichtung und einer Speiseeinrichtung für ein System mit Strahl- ^S Schwenkung in Elevationsrichtung;

Fig.2 ein Diagramm mit in der Bodenstation nach Fig.1 verwendeten Frequenzen;

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Fig.3 Beispiele für bei der Gleichrichtung entstehende Kreuzprodukte;

Fig.4 ein Diagramm mit dem Frequenzformat des Senders; Fig.5 wesentliche Teile des Empfängers;

Fig.6 bis 14 Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Bodenstation.

In der nachfolgend beschriebenen Anordnung für ein Strahlschwenksystem werden im Empfänger trennbare Signale, die jeweils eines speziellen Antennenelementenpaar zugeordnet werden können, erzeugt. Die in der Fig.1 dargestellte Antenne besteht aus einer matrixförmigen Anordnung von Antennenelementen, wobei die Kreuzungspunkte von 24 Zeilen und 6 Spalten nur teilweise von "Hauptantennenelementen" besetzt sind, und einer zusätzlichen horizontal angeordneten

Bezugsantennenzeile mit Antennenelementen RA-RF. Die

Hauptantennenelementen E1-E24, von denen das "Hauptsignal" (geschwenkter Strahl) abgestrahlt wird, sind unregelmäßig angeordnet. Hierbei befindet sich in jeder Zeile ein Antennenelement. Die Aufteilung auf die einzelnen Spalten erfolgt statistisch. Jedes Hauptantennenelement wird über einen einzelnen Phasenschieber PS gespeist und es wird jeweils eine Gruppe von Phasenschiebern von einzelnen Frequenzgeneratoren OG gespeist.

Einer einfachen Erläuterung der Anordnung wegen wird die Funktion der Phasenschieber bei einer Antennenanordnung, bei der ein Strahl geschwenkt wird, als äquivalent zur

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Erzeugung von kleinen Frequenzverschiebungen angesehen. Unter diesem Aspekt wird die Verkürzung oder Verlängerung der elektrischen Weglänge, die durch ideale Phasenschieber exakt erzeugt wird, betrachtet.

Bei der nachfolgend beschriebenen Bodenstation werden die Hauptantennenelemente der Antenne, die in vertikaler Richtung auf einer Geraden angeordnet sind und auf der auch ein Bezugsantennenelement vorhanden ist, zu Gruppen zusammengefaßt.

Nachfolgend wird die erste (Gruppe A) dieser Gruppen

betrachtet, deren Antennenelemente auf einer vertikalen Linie an der äußersten linken Seite der Antenne angeordnet sind. Die dem dazugehörigen Bezugsantennenelement KA zugeführte Frequenz ist F Hz. Die Frequenz dieses Signals wird in dem Frequenzgenerator OGA vor der Zuführung zu den Phasenschiebern PS1, PS4, PS12 und PS22, die den Antennenelementen E1, E4, E12 und E22 der Gruppe vorgeschaltet sind, um die Frequenz fo Hz verschoben. Wie oben bereits beschrieben wird angenommen, daß die Phasen schieber eine zusätzliche Frequenzverschiebung erzeugen; dies ist in Fig.2 angedeutet. Der Betrag der jeweiligen Frequenzverschiebung ist proportional zu der vertikalen Lage des jeweiligen Antennenelements in Relation zu dem Bezugsantennenelement. So erzeugt z.B. der Phasenschieber PS12, der das Antennenelement E12 in der zwölften vertikalen Position der Antenne speist, eine Frequenzverschiebung um 12 6f, wobei «ff die Frequenzverschiebung für eine vertikale Einheit ist.

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Damit die Signale der Gruppe B (zweite vertikale Linie von links) nicht mit denen der Gruppe A interferieren, unterscheidet sich die Referenzfrequenz der Gruppe B von der der ersten Gruppe um f'Hz; daraus resultiert für die Gruppe B die Frequenz (F+f) Hz. Abgesehen hiervon ist die Abstrahlung von den Elementen der Gruppe B sehr ähnlich zu der bereits beschriebenen Abstrahlung; die in dem Frequenzgenerator OGB zusätzlich verschobene Frequenz wird (F+f'+fo) Hz und wird Phasenschiebern PS9, PS 13, PS17 und PS19, die mit den Antennenelementen dieser Gruppe verbunden sind, zugeführt. Die dritte und die nachfolgenden Gruppen werden in entsprechender Weise gespeist. Die Frequenzen nehmen dabei in Bezug zur ersten Frequenz in einer arithmetischen Folge zu. Die

Trägerfrequenzen für die Gruppen A, B, C, D, E und F

sind F, F+f, F+2f, F+3f' , Fß4f und F+5f' . Die Frequenzen werden in einer Schaltung MFS, der von einem Generator FS die Frequenz F zugeführt wird, gespeist. Es besteht keine Notwendigkeit für eine feste kohärente Phasenbeziehung zwischen den Ausgangssignalen der Schaltung MFS. Die Ausgangssignale der Frequenzgeneratoren OGA-OGF, die jeweils eine Frequenzverschiebung des Eingangssignals erzeugen, sollten zu dem jeweiligen Eingangssignal kohärent sein.

Es ist wichtig, daß sich infolge der gewählten Frequenzen

und der verschiedenen Frequenzverschiebungen ein empfangenes Signal ergibt, bei dem nach der Gleichrichtung die benötigten Produkte unverfälscht zur Verfügung stehen.

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Das empfangene Signal wird zu einem Gleichrichter geführt, von dem der Einfachkeit wegen angenommen wird, daß er ein quadratischer Gleichrichter ist. Das gleichgerichtete Basisbandsignal besteht aus Signalen, die Frequenzdifferenzen zwischen allen möglichen Permutationen von Eingangsfrequenzen entsprechen und ohne eine geeignete Anordnung kann ein gleichgerichtetes Basisbandsignal entstehen, das erwünschte und unerwünschte Komponenten irreversibel miteinander vermischt, Fig.3.

Das am Ausgang des Gleichrichters benötigte Signal besteht aus den Schwebungsfrequenzen zwischen den Signalbeiträgen eines jeden Elementes der Hauptantenne und seiner zugehörigen Referenzfrequenz. Es ist eine wesentliche Eigenschaft des Spektrums bei einem Strahlschwenksystem, bei dem eine Referenzfrequenz vorgesehen ist, daß ein direkter Zusammenhang zwischen einem Punkt innerhalb des Spektrums und einem Punkt auf der Antennenapertur besteht. Deshalb ist es bei einem Strahlschwenksystem zur Elevationsmessung notwendig, daß im Signalspektrum (das im vorliegenden Fall nach Gleichrichtung im Empfänger vorhanden ist) ein eindeutiger Bereich vorhanden ist, in dem die erwünschten Schwebungsfrequenzen, die jeweils den einzelnen Antenneη-elementen zugeordnet sind, in der Ordnung angeordnet sind, die der vertikalen Position des jeweiligen Antennenelementes in der Antenne entspricht.

Die unerwünschten Produkte können in zwei Kategorien eingeteilt werden. Die erste Gruppe enthält diejenigen

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Signale, die eine Schwebung zwischen irgend zwei Antennenelementen (kein Bezugsantennenelement) in derselben vertikalen Linie darstellen. Wenn fo so gewählt wird, daß es gleich oder größer als der gesamte Bereich des gewünschten Spektrums ist, dann liegen die in Frage kommenden Produkte unterhalb des Bandes der gewünschten Komponenten (Fig.4). Die zweite Kategorie besteht aus Schwebungssignalen zwischen einem Signal in einer Gruppe und Signalen in einer anderen Gruppe. Auch für diesen Fall ist der Zeichnung zu entnehmen, wie Verfälschungen vermieden werden können. In diesem Fall wird die Frequenzverschiebung zwischen aufeinanderfolgenden Trägern (f) so gewählt, daß sie gleich oder größer dem Vierfachen der gemeinsamen Frequenzver-Schiebung fo für die Antennenelemente ist.

Die Breite des wesentlichen Spektrums liegt bei einem bekannten Strahlschwenksystem in der Größenordnung der reziproken "Verweilzeit" (T), während der der Strahl den Empfänger überstreicht (wird oft als -3db-Punkt definiert). Auch bei dem vorliegenden System ist die Breite des unverfälschten Spektralbereiches, der nach der Gleichrichtung zur "Zusammensetzung des Strahls" benötigt wird, durch die obige Definition gegeben. Als Beispiel wird eine Verweilzeit von 1 ms angenommen. Das wesentliche Spektrum ist in einem 1 kHz-Band enthalten und dadurch wird eine untere Grenze für die Wahl von fo mit demselben Betrag festgelegt. Dadurch wiederum wird eine untere Grenze der Trägerfrequenzzunahme (f) von 4 kHz festgelegt. Mit sechs vertikalen Antennenelement-

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gruppen wird die gesamte für die Signalabstrahlung benötigte Bandbreite ungefähr 24 kHz. In Fig.4 ist diese Anordnung dargestellt.

In Fig.5 ist ein Blockschaltbild mit den wesentlichen Teilen des Empfängers dargestellt. Einer HF/ZF-Stufe folgt ein erster Gleichrichter D1 und ein Bandpaß BPF, der aus dem gleichgerichteten Signal die unerwünschten Produkte (Fig.4) ausfiltert. Die untere Kante des Durchlaßbereiches liegt bei fo und die obere bei ungefähr fo + -, wobei τ die Verweilzeit des geschwenkten Strahls ist. In dem gefilterten Signal ist die Strahlform (zeitlicher Verlauf) als Einhüllende eines Hilfsträgers enthalten. Zur Auswertung ist deshalb noch ein zweiter Gleichrichter D2 und eine Zeitmeßschaltung TMC notwendig.

Es ist von Vorteil, wenn der zweite Gleichrichter eine null-ZF-Stufe enthält und gleichphasige und in Quadratur zueinander stehende Ausgangssignale abgibt. Wenn die zwei letzteren Signale zu echten quadrierenden Schaltungen geleitet werden, dann ist das resultierende Ausgangssignal eine exakte Darstellung der benötigten Strahlform.

Die in Fig.1 beispielsweise dargestellte Antenne kann zusätzliche seitlich versetzte Referenzpositionen haben um zu ermöglichen, daß Elementgruppen bei aufeinanderfolgenden Schwenkbewegungen unterschiedlichen Bezugselementen zugeordnet werden können. Dadurch ist zusätzlich

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eine Mittelung der Strahlstörungen möglich, ohne daß hierbei eine Flugzeugbewegung notwendig ist.

Um die Arbeitsweise bei Mehrwegausbreitungen zu verstehen, werden zunächst die Fig.6 und 7 betrachtet, in denen die Phasenverteilung als Funktion der Antennenapertur (Apertur L) und die Strahlform als Funktion des Winkels aufgezeichnet sind. Es sind jeweils ideale Bedingungen ohne Störungen durch Mehrwegausbreitungen angenommen.

In der Fig.8 sind Phasenverteilungen als Funktion der Position in der Apertur dargestellt, wobei folgende Bedingungen angenommen sind:

Störung durch Mehrwegausbreitung, in Phase und innerhalb der Strahlungskeule (Kurve 1);

keine Störung durch Mehrwegausbreitung (Kurve 2); Störung durch Mehrwegausbreitung, nicht in Phase und innerhalb der Strahlungskeule (Kurve 3).

In Fig.9 ist die Strahlung als Funktion des Winkels dargestellt mit einem resultierenden Fehler (in Richtung Mehrwegausbreitung) des zusammengesetzten Signals (direktes Signal + gleichphasige Mehrwegausbreitung).

In Fig.10 ist die Strahlform als Funktion des Winkels dargestellt mit einem resultierenden Fehler (weg von der Richtung der Mehrwegausbreitung) des zusammengesetzten Signals (direktes Signal + nicht gleichphasige Mehrwegausbreitung).

Die Phase der Mehrwegausbreitung, die azimutal verschoben in Elevationsrichtung jedoch innerhalb des Strahls liegt, ändert sich mit der horizontalen Position innerhalb der Antenne.

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In Fig.11 sind Wege des direkten und des indirekten Signals von der Antenne zum Flugzeug angegeben.

In diesem Fall treten - wie in Fig.12 dargestellt für einige der vertikalen Gruppen A bis F der Antenne positive und für einige negative Fehler auf.

Durch die Verteilung der Antennenelemente auf diese Spalten wird die Phasenfehlerverteilung - wie in Fig. 13 dargestellt - dekorreliert. Die jeweiligen Positionen der Antennenelemente sind durch die entsprechenden Zahlen angegeben.

Dadurch wird - wie in Fig.14 angegeben - eine Strahlform erzeugt, bei der die gewünschte kohärente Komponente und statistische Spektrumsanteile mit einem niedrigen Pegel, die durch Mehrwegausbreitungen verursacht werden, übrig bleiben.

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Claims

Patentanwalt

Kurze Straße 8

7 Stuttgart 30

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INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Patentansprüche

y 1.]Bodenstation für ein Funknavigationssystem mit einer S Antenne» die für eine elektronische Strahlschwenkung geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (Fig.1) aus η Antennenelementen (E) besteht, die an Kreuzungspunkten von η Zeilen und m Spalten (m - 2) an geordnet sind und die statistisch auf m Gruppen in den m Spalten verteilt sind, daß in jeder Zeile nur ein Antennenelement (E) vorhanden ist, daß die Spaltenrichtung mit der Strahlschwenkrichtung übereinstimmt, daß mindestens m weitere Antennenelemente (RA ... RF) vorgesehen sind, von denen jedes einer der m Gruppen zugeordnet ist, daß die weiteren Antennenelemente mit m unterschiedlichen HF-Frequenzen (F, F+f' , F+2f',...), wobei die jeweilige HF-Frequenz in fortschreitender Folge jeweils um einen bestimmten Betrag (f) größer als die nächst kleinere HF-Frequenz ist und die HF-Frequenzen in einer ersten Schaltung (MFS) erzeugt werden, gespeist werden, daß diese HF-Frequenzen in m zweiten Schaltungen (OGA ... OGF) jeweils um einen bestimmten Betrag (fo) verändert werden,

Sm/Scho 25.5.1977

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daß ein Phasenschiebernetzwerk (PSI,..., PS24) vorhanden ist, über das die η Antennenelemente (E) so gespeist werden, daß der resultierende Strahl in der gewünschten Richtung geschwenkt wird, daß das Phasenschiebernetzwerk entsprechend den m Antennenelementgruppen der Antenne in m Phasenschiebergruppen eingeteilt ist und daß jeder dieser Gruppen das um einen bestimmten Betrag (fo) veränderte HF-Signal* mit dem das zugehörige weitere Antennenelement gespeist wird, zugeführt wird.
2. Bodenstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Antennenelemente (RA, ..., RF) in denselben Spalten wie die Antennenelemente angeordnet sind.
3. Bodenstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als m weitere Antennenelemente vorgesehen sind und daß den m Gruppen mit Antennenelementen (E) bei aufeinanderfolgenden Strahlschwenkungen jeweils andere m weiteren Antennenelementen zugeordnet sind.
4. Bodenstation nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die m unterschiedlichen HF-Frequenzen jeweils um mindestens das Vierfache (f) des bestimmten Betrags (fo), um den die HF-Frequenzen in den m zweiten Schaltungen (OGA ... OGF) verschoben werden, unterscheiden.
5. Bodenstation nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag (f), um den sich die m unterschiedlichen HF-Frequenzen jeweils unterscheiden, mindestens gleich dem Kehrwert der Strahlverweilzeit ist.

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