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Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein Navigationssystem wie
im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Ein derartiges Navigationssystem ist aus
der Druckschrift »SEFAN, Sektor-Fahrzeug-Navigationssystem« der Firma Standard Elektrik
Lorenz AG, Stuttgart, 1975, bekannt. Mit
diesem Navigationssystem
sind in einem vorgegebenen räumlichen Sektor Winkel- und Entfernungsmessungen möglich.
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Aufgabe Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Navigationssystem
anzugeben, das preiswert ist und mit dem eine hohe Meßgenauigkeit erzielt werden
kann.
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Lösung Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen
Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Vorteile Mit dem neuen Navigationssystem ist eine hohe Meßgenauigkeit
erzielbar. Infolge des besonderen Frequenzverhältnisses der Modulationssignale zueinander
führen Nichtlinearitäten im Transponder und im Bordgerät zu keinen Meßfehlern.
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Da alle Meßfrequenzen von einem Quarzoszillator abgeleitet werden,
enthält man im Gesamtsystem einen strengen Synchronismus. Die eigentlichen Meßgrößen
zur Winkel- und Entfernungsmessung ergeben sich alle als Phasendifferenzen im niederfrequenten
Bereich und sind daher einfach und genau auswertbar. Durch Signalregeneration im
Transponder und im Bordgerät mit schmalbandigen Phasenregelschleifen ist das informationstheoretische
Optimum einfach zu erreichen.
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Durch ein weitgehend identisches Bausteinkonzept für Transponder
und Bordgerät läßt sich das neue Navigationssystem kostengünstig realisieren.
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Die Geräte sind leicht bedienbar und müssen vor Inbetriebnahme nicht
geeicht werden. Dadurch sind sie sehr gut für einen mobilen Einsatz geeignet.
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Beschreibung Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 die räumliche Anordnung von Bordgerät und Transponder,
F i g. 2 ein Blockschaltbild des Bordgeräts, F i g. 3 ein Blockschaltbild des Transponders,
F i g. 4 ein Blockschaltbild einer Weiterbildung des Winkelmeßteils des Transponders,
F i g. 5 ein Blockschaltbild einer Weiterbildung des Entfernungsmeßteils des Transponders.
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In der F i g. list ein Fahrzeug mit einem Bordgerät (dieses wird
an Hand der Fig. 2 näher erläutert) abgebildet, das in einem von einem Transponder
(dieser wird an Hand der F i g. 3 näher erläutert) festgelegten Sektor navigiert.
Der Transponder legt in der Mitte des Sektors eine Leitlinie fest. Die Leitlinie
kann die Mittelsenkrechte auf der Verbindungsstrecke zwischen den zwei Transponderantennen
29, 30 sein. Dies muß jedoch nicht unbedingt der Fall sein. Das Bordgerät des Transponders
besitzt ebenfalls zwei Antennen, die um mehrere Betriebswellenlängen voneinander
getrennt sind.
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Aus der Literaturstelle ist bekannt, daß die Entfernung von dem Fahrzeug
zum Transponder aus der Laufzeit eines vom Bordgerät abgestrahlten Signals zum Transponder
und zurück ermittelt werden kann.
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Die Messung des Winkels 6, der die Abweichung der Verbindungsgeraden
Fahrzeug/Transponder zu der Leitlinie angibt, kann durch Auswertung der Laufzeitdifferenz
zweier hochfrequenter Signale, die von den beiden räumlich gegeneinander versetzten
Antennen
29, 30 des Transponders abgestrahlt werden, erfolgen.
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Die Laufzeit ist auch der Phasenverschiebung zwischen dem abgestrahlten
und dem empfangenen Signal proportional. Deshalb wird bei der Erfindung die Entfernung
aus der Phasenverschiebung zwischen einem Abfrageentfernungsmodulationssignal und
einem im Empfänger des Bordgeräts demodulierten Antwortentfernungsmodulationssignal
ermittelt. Diese Signale werden an Hand der weiteren Figuren näher erläutert.
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Während bei der erfindungsgemäßen Entfernungsmessung das niederfrequente
Modulationssignal die eigentliche Entfernungsinformation enthält, ist bei der Winkelmessung
die Richtungsinformation in der Laufzeitdifferenz - und somit auch in der Phasendifferenz
- zweier hochfrequenter Signale enthalten.
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Weil jedoch im Bordgerät ein hochfrequenter Bezug fehlt und andererseits
die genaue Messung der hochfrequenten Phase technisch nur sehr schwierig zu realisieren
ist, stattet man erfindungsgemäß eines der beiden hochfrequenten Signale mit einem
kohärenten Frequenzversatz fR aus, der aus einer vom Bordgerät abgestrahlten niederfrequenten
Referenz fR, die einem hochfrequenten Abfragesignal aufmoduliert ist, phasenstarr
abgeleitet wird. Bei der neuen Lösung bildet sich die hochfrequente Phasenverschiebung
zwischen den von den Antennen 29 und 30 abgestrahlten HF-Signalen direkt auf die
Niederfrequenz fR ab. Somit kann im Bordgerät durch Phasenvergleich eines im Bordgerät
erzeugten Winkelmodulationssignals fR und des im Empfänger des Bordgeräts demodulierten
Signals fR der Winkel ö ermittelt werden. Er ergibt sich aus der Gleichung b.
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./ = 2.7 Sin ,f, wobei q7 der niederfrequente Phasenunterschied,
X die der Frequenz fru entsprechende Wellenlänge und b der Abstand der Transponderantennen
29, 30 in Wellenlängen A ist.
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Die verwendeten Signale und ihr gegenseitiger Zusammenhang werden
nachfolgend an Hand der weiteren Figuren näher erläutert.
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Es wird zunächst an Hand der F i g. 2 die Erzeugung der Abfragesignale
im Bordgerät, dann anhand der F i g. 3 die Erzeugung der Antwortsignale im Transponder
und schließlich wieder an Hand der F i g. 2 die Auswertung im Bordgerät erläutert.
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Ein in einem HF-Oszillator 1 erzeugtes Dauerstrichsignal mit der
Frequenz fTs (fTs ist beispielsweise 1205 MHz) wird in einem Modulator 2 mit dem
Winkelmodulationssignal (Frequenz fR, z. B.
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fR = 1,2 kHz) und einem Abfrageentfernungsmodulationssignal (Frequenz
fGB, z. B. fGB = 200 kHz) moduliert. Die Ausgangssignale des Modulators 2 haben
die Frequenzen fTs, fTB:tfGB und fTB+tR. Sie werden in einem Verstärker 3 verstärkt
und von einer der Antennen 12 oder 13 abgestrahlt. Die jeweilige Antenne wird über
einen Schalter 11 ausgewählt. Der Zweck der Umschaltung wird im Zusammenhang mit
der Auswertung näher erläutert.
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Die abgestrahlten Signale werden von den Antennen 29 und 30 des Transponders
(F i g. 3) empfangen und einem Empfänger 25 zugeführt. Die Empfänger, auch die an
Hand der Fig. 2, Fig.4 und Fig.5 beschriebenen Empfänger und ihre Funktionsweisen
sind an sich bekannt. Es wird deshalb nur jeweils auf die Teile des Empfängers Bezug
genommen, die für die Erfindung
von Bedeutung sind. Die Empfänger
enthalten auch Filter, die die gewünschten Signale ausfiltern.
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In dem Transponder (F i g. 3) erzeugt ein HF-Oszillator 21 ein Dauerstrichsignal
mit der Frequenz fTi6TU ist beispielsweise 1142 MHz), das einerseits mit einem Modulator
22 mit einem Antwortentfernungsmodulationssignal (Frequenz fGu, z.B. fGU = fGB+2fR)
und andererseits in einem Modulator 27 mit dem Winkelmodulationssignal (Frequenz
fR) moduliert wird. In dem Modulator 22 erfolgt eine Zweiseitenbandmodulation während
in dem Modulator 27 eine Einseitenbandmodulation mit unterdrücktem Träger erfolgt.
Die Ausgangssignale des Modulators 22 bzw. des Modulators 27 werden in einem Verstärker
23 bzw. einem Verstärker 28 verstärkt und über die Antenne 29 bzw. 30 abgestrahlt
Ein Teil dieser Signale gelangt auch zu dem Empfänger 25. Zwischen den Antennen
29, 30 und dem Empfänger 25 befinden sich nur passive Leitungsstücke gleicher Länge.
Frequenzweichen zur Trennung von Sende- und Empfangssignalen sind nicht notwendig,
wenn sich die Signalpegel um mehr als 10 dB unterscheiden. Diese Forderung wird
bei einem Abstand von 0,5 m zwischen Bordgerät und Transponder bereits übertroffen.
Die Sender 21,22,23 bzw. 21,27,28 wirken in diesem Fall auf die empfangenen Signale
wie 50 Q-Widerstände.
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Als Signale zum Heruntermischen im Empfänger 25 werden die Sendesignale
verwendet. Der Empfänger enthält u. a. einen Hüllkurvendetektor und es wird eine
additive Mischung durchgeführt. Von den entstehenden Mischprodukten sind nur die
Signale mit den Frequenzen fGB und fR von Interesse. Die anderen Signale werden
weggefiltert und stören deshalb nicht.
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Das Empfängerausgangssignal mit der Frequenz fR ist das Winkelmodulationssignal
und moduliert im Modulator 27 das hochfrequente Dauerstrichsignal. Dieses modulierte
Signal mit der Frequenz frau+ fR wird von der Antenne 30 abgestrahlt und ist das
eine Winkelantwortsignal. Das andere Winkelantwortsignal ist das von der Antenne
29 abgestrahlte Signal mit der Frequenz fTU Die beiden Transponderantennen sind
zueinander mit ca. 30 dB entkoppelt, denn sonst würde das Seitenband auch von der
Trägerantenne abgestrahlt. Dies kann beispielsweise durch einen Leistungsteiler
15 erreicht werden.
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Das Ausgangssignal des Empfängers mit der Frequenz fR wird außerdem
einem Frequenzverdoppler 26 zugeführt, dessen Ausgangssignal einem Mischer 24 zugeführt
wird. Der Mischer 24 erhält außerdem das andere Ausgangssignal des Empfängers 25,
das die Frequenz fGB hat. Dies ist das im Empfänger demodulierte Abfrageentfernungsmodulationssignal.
Von den Mischerausgangssignalen ist das Signal mit der Frequenz fGU=fGB+2fR das
Antwortentfernungsmodulationssignal. Mit ihm wird im Modulator 22 das im Oszillator
21 erzeugte hochfrequente Dauerstrichsignal moduliert. Das modulierte Signal mit
den Frequenzen fTU+ fGU ist das Entfernungsantwortsignal. Die Modulationssignale
fou und fR sind mit den empfangenen Modulationssignalen phasenstarr gekoppelt.
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Befindet sich das Bordgerät nicht auf der Leitlinie, dann gelangen
die Abfragesignale zu unterschiedlichen Zeiten und somit mit unterschiedlichen Phasen
zu den beiden Antennen.
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Da sich diese beiden gleichfrequenten Signale überlagern, wird dieser
Fehler ausgemittelt. Selbst wenn dies nicht der Fall wäre, würde dies nicht stören,
denn
bei den gewählten Frequenzen könnte dieser Fehler vernachlässigt werden. Zur
Erzielung genauer und eindeutiger Entfernungsmeßwerte können unterschiedlich hohe
Modulationsfrequenzen verwendet werden.
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Dies wird hier jedoch nicht näher erläutert, da die sogenannte Grob/Fein-Messung
an sich bekannt ist und es dem Fachmann keine Schwierigkeiten bereitet, das Ausführungsbeispiel
entsprechend zu erweitern.
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Wie aus den von dem Bordgerät empfangenen Signalen die für die Winkel-
bzw. Entfernungsmessung notwendigen Phasenverschiebungen ermittelt werden, wird
nachfolgend an Hand der F i g. 2 erläutert.
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Ein Empfänger 10 erhält folgende Signale: Winkelantwortsignale: fnf,
fTu+fR Entfernungsantwortsignale: fw+-fGu Ausgangssignale des Verstärkers 3: fTB,
fGB, ca fTB + fR Der Frequenzunterschied zwischen den Trägerfrequenzen fTB- fTU
ist die für die Verarbeitung im Empfänger maßgebliche Zwischenfrequenz fz; es sind
also keine zusätzlichen Signale zum Heruntermischen in niedrigere Frequenzbereiche
notwendig. Dies galt auch für den Empfänger 25 im Transponder.
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Von den im Empfänger erzeugten Signalen werden das Signal mit der
Frequenz fR zur Winkelmessung und das Signal mit der Frequenz fGu zur Entfernungsmessung
weiterverarbeitet.
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Das Signal mit der Frequenz fR wird direkt einer Phasenvergleichseinrichtung
4 zugeführt, die auch das im Bordgerät erzeugte Winkelmodulationssignal fR erhält.
Aus der gemessenen Phasenverschiebung wird nach der o. a. Gleichung der gewünschte
Winkel ö berechnet.
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Das Signal mit der Frequenz fcu wird in einem Mischer 9 mit dem Abfrageentfernungsmodulationssignal,
das die Frequenz fGB hat, gemischt. Somit erhält man - da fGU=fGB+2fR ist - ein
Mischerausgangssignal mit der Frequenz 2fR. Dieses Signal wird in einer Phasenvergleichseinrichtung
6 mit einem Signal mit der Frequenz 2fR verglichen. Dieses Signal wird durch Frequenzleitung
des vom NF-Oszillator 8 erzeugten Abfrageentfernungsmodulationssignal (Frequenz
fGB) erzeugt. Aus diesem Signal wird durch weitere Frequenzteilung auch das Winkelmodulationssignal
mit der Frequenz fR erzeugt.
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Durch die gewählten Frequenzbeziehungen der Modulationssignale zueinander
(u. a. Referenz-Frequenzteilung (2fRe fR) im Bordgerät und Verdopplung (fR D 2fR)
im Transponder) wird verhindert, daß durch Nichtlinearitäten im hochfrequenten Übertragungssystem
(Modulatoren, Demodulatoren, Verstärker usw.) unerwünschte Mischprodukte und damit
Verfälschungen der Entfernungsmeßwerte entstehen können. Ohne die Teilung bzw. Verdopplung
der Referenzfrequenz würde die Winkelmessung bereits prinzipbedingt (infolge der
Mischprodukte) die Entfernungsmessung verfälschen.
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Eine Reduzierung der durch Mehrwegausbreitung verursachten Fehler
ist durch die Verwendung von zwei Antennen 12, 13 für das Bordgerät möglich. Diese
Antennen haben einen Abstand von mehreren Betriebswellenlängen. Es werden beispielsweise
zunächst mehrere Messungen mit der einen 12 und anschließend mehrere Messungen mit
der anderen 13 Antenne durchgeführt. Da die Signale zu den beiden Antennen unterschiedliche
durch die Mehrwegausbreitung verursachte
Störungen erfahren, erreicht
man durch Mittelung der Meßergebnisse eine Reduzierung dieser Störungen. Diese Anordnung
mit den zwei Antennen wirkt wie ein Großbasissystem. Die Umschaltung zwischen diesen
beiden Antennen 12, 13 mittels eines Schalters 11 erfolgt beispielsweise in regelmäßigen
Abständen.
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Mit diesem Navigationssystem erhält man sehr gute Meßergebnisse.
Diese lassen sich noch weiter verbessern, wenn im Bordgerät und im Transponder Regelschleifen
vorgesehen sind, die die Signallaufzeiten der für die Auswertung wichtigen Signale
regeln und die korrekte Abstrahlung prüfen. Für die Entfernungsmessung ist wichtig,
daß im Bordgerät und im Transponder die Laufzeiten der Entfernungsmodulationssignale
keinen Entfernungsmeßfehler verursachen. Deshalb werden die Laufzeiten durch Pilotregelschleifen
auf Modulationssignalperioden oder ganzzahlige Vielfache hiervon ergänzt. Bei der
Winkelmessung muß gewährleistet werden, daß auf der Leitlinie exakt der Winkel 0°
gemessen wird. Um dies zu überwachen und gegebenenfalls zu regeln ist im Transponder
eine Monitorschleife vorgesehen.
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An Hand der F i g. 4 wird zunächst die Monitorregelschleife erläutert.
Bauteile, die bereits in der F i g 3 vorhanden waren, sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Von den im Empfänger 25 erzeugten Signalen sind hier die Signale mit den
Frequenzen fR'und fzF+fR von Bedeutung. Das Signal fZF+ fR ist das Zwischenfrequenzsignal,
das aus dem empfangenen Signal erzeugt wird, auf das die Modulationsfrequenz fR
aufmoduliert ist. Das Signal fR ist das im Transponder erzeugte Winkelmodulationssignal
und hat dieselbe Frequenz wie das im Bordgerät erzeugte Winkelmodulationssignal
fR. Die Kennzeichnung mit einem Strich wurde gewählt, um diese beiden Signale unterscheiden
zu können. Durch die bereits beschriebene Wahl der Signalfrequenzen und eine geeignete
Ausgestaltung des Empfängers können diese Signale getrennt werden. Das Signal fR'
liegt zunächst in der Videolage vor, während das Signal fZF+ tR zunächst in der
ZF-Lage vorliegt. Das ZF-Signal wird einem ZF-Teil 32 zugeführt (dieser ZF-Teil
ist in Wirklichkeit im Empfänger 25 enthalten.
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Er wird hier lediglich dem besseren Verständnis wegen von diesem getrennt),
in dem u. a. eine Demodulation erfolgt und der das Winkelmodulationssignal fR abgibt,
das über einen Bandpaß 33 einem Phasenvergleicher 34 zugeführt wird. Der Phasenvergleicher
erhält auch das Signal fR: Der Phasenvergleicher gibt eine Gleichspannung DC ab,
die der Phasenverschiebung da proportional ist. Diese Gleichspannung wird über einen
Tiefpaß 35 (hier werden fR und Störungen, die u. a. durch Rauschen verursacht werden,
weggefiltert) einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 36 zugeführt und steuert
diesen VCO. Das Ausgangssignal des VCO 36 ist das Winkelmodulationssignal fR', mit
dem die im Transponder erzeugte Trägerschwingung fTU moduliert wird.
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Der Empfänger 25, der Phasenvergleicher 34, der Tiefpaß 35, der VCO
36, der Modulator 27 und der Verstärker 28 bilden einen Phasenregelkreis (phase
locked loop, PLL) - in der Zeichnung punktiert dargestellt - durch den das im Transponder
erzeugte Winkelmodulationssignal fR' phasenstarr an das demodulierte Winkelmodulationssignal
fR angekoppelt wird.
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Das Signal fR' wird durch Mischen der beiden Winkelantwortsignale
freund f7v+ fR' erzeugt. Deshalb ist es mit den Fehlern (z.B. Phasenverschiebungen)
behaftet,
mit dem die abgestrahlten Winkelantwortsignale behaftet sind. Diese möglichen Fehler
werden durch die Phasenregelschleife ausgeregelt Phasenregelkreise sind beispielsweise
aus dem Artikel »Das Prinzip des »Phase Locked Loop« und seine Anwendung in Nachrichten-Empfängern
für die Raumfahrt«, von P. H a r t 1, Raumfahrtforschung Heft 2/64, Seiten 55 bis
64 bekannt.
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Da sich zwischen den Antennen 29, 30 und dem Empfänger 25 nur passive
Leitungsstücke gleicher Länge befinden (Zirkulatoren und Frequenzweichen sind nicht
notwendig), besitzt die Phasenregelung praktisch die gleiche Präzision und Zuverlässigkeit
wie ein im Funkfeld abgesetztes Monitorgerät. Es wird genau überprüft (und gegebenenfalls
nachgeregelt), ob die Leitlinie in die gewünschte Richtung zeigt.
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Eine entsprechende Regelung wird für die Entfernungsmessung durchgeführt.
Dies wird an Hand der F i g. 5 erläutert. Auch hier sind Bauteile, die bereits bei
der F i g. 3 vorhanden waren, mit demselben Bezugszeichen versehen.
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Von den Empfängerausgangssignalen werden die Signale mit den Frequenzen
fcu und fGB weiterverwendet. Diese Signale werden in einem Mischer 43 mit einem
im Transponder erzeugten Entfernungsreferenzsignal f'Gu gemischt. Dieses Referenzsignal
hat dieselbe Frequenz wie das Antwortentfernungsmodulationssignal fou. Am Ausgang
des Mischers 43 erhält man ein Signal mit der Frequenz 2fR und eine Gleichspannung
DC, die proportional ist zu der Phasendifferenz zwischen dem Signal f'Gu und dem
im Empfänger demodulierten Antwortentfernungsmodulationssignal fou Die Gleichspannung
wird von einem Tiefpaß 48 ausgefiltert und steuert einen spannungsgesteuerten Quarzoszillator
VCX049. Das Ausgangssignal dieses VCXO 49 ist das Antwortentfernungsmodulationssignal
fGU Der Empfänger 25, der Mischer 43, der Tiefpaß 48, der VCX049, der Modulator
22 und der Verstärker bilden eine erste Phasenregelschleife (PLL 1), durch den das
Antwortentfernungsmodulationssignal fGU phasenstarr an das Signal fbugekoppelt wird.
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Das Signal f'Gu wiederum wird phasenstarr an das empfangene Winkelmodulationssignal
fR, dessen Frequenz vor seiner Verwendung zur Phasenregelung verdoppelt wird, gekoppelt.
Hierzu ist eine zweite Phasenregelschleife (PLL 2) bestehend aus einem Filter 47,
einem Phasenvergleicher 46, einem Filter 45, einem spannungsgesteuerten Quarzoszillator
VCXO 44 und dem Mischer 43 vorgesehen.
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Von den Mischerausgangssignalen filtert das Filter 47 das Signal
2 fR aus und führt es dem Phasenvergleicher 46 zu, der außerdem das Winkelmodulationssignal,
dessen Frequenz verdoppelt wurde, erhält. Das Ausgangssignal des Phasenvergleichers
46, ein Gleichspannungssignal DC, das der Phasenverschiebung d<p zwischen den
Mischereingangssignalen proportional ist, wird über ein Filter 45 dem VCX044 zugeführt
und steuert diesen.
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Durch die erste Phasenregelschleife (PLL 1) wird die Signallaufzeit
im Gerät (Sende- plus Empfangszweig) auf ganzzahlige Vielfache von Modulationsperioden
ergänzt. Dies gilt für nahezu beliebig große Geräte-Laufzeiten.
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Durch die zweite Phasenregelschleife (PLL 2) erfolgt eine phasenstarre
Ankopplung an die vom Bordgerät abgestrahlten Modulationssignale.
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Die hier im Zusammenhang mit dem Transponder beschriebene Regelung
bei der Entfernungsmessung ist
auch im Bordgerät anwendbar.
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Mit dem beschriebenen Navigationssystem ist eine Winkel- und eine
Entfernungsmessung möglich. Viele Bauteile können, u. a. bedingt durch den vorteilhaften
Zusammenhang der jeweiligen Frequenzen, sowohl zur Winkel- als auch zur Entfernungsmessung
verwendet werden. Für Anwendungen, bei denen nur der Winkel oder nur die Entfernung
gemessen werden soll, kann der jeweils benötigte Meßteil auch allein verwendet werden.
Die erwähnten Vorteile - mit der Ausnahme der doppelten Bauteilausnutzung - bleiben
voll erhalten.