DE4206327A1 - Zweifrequenz-sendevorrichtung mit tonfrequenz-modulationsphasung fuer eine instrumentenlandeanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zweifrequenz-Sendevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie in einer ILS-Landeanlage, vor allem zur Durchführung von sogenannten Kategorie III-Landungen eingesetzt wird.

Zweifrequenz-Instrumentenlandeanlagen sind beispielsweise in dem Fachbuch "Funksysteme für Ortung und Navigation", herausgegeben von E. Kramar, erschienen 1973 im Verlag Berliner Union GmbH, Stuttgart und Verlag W. Kohlhammer GmbH, Stuttgart, Berlin, Köln, Mainz, insbesondere in Abschnitt 5.9.2, S. 196 ff beschrieben.

Eine Zweifrequenz-Instrumentenlandeanlage besteht danach bodenseitig aus einer Landekurs-Sendevorrichtung zum Heranführen eines Flugzeuges an einen Flughafen und zur genauen azimutalen Führung beim Landevorgang, einer Gleitweg-Sendevorrichtung zur Vertikalführung des Flugzeuges bis zum Aufsetzen auf der Landebahn und zwei Einflugzeichensendern zur Übermittlung einer groben Abstandsinformation. Hierbei besteht zumindest die Landekurs-Sendevorrichtung aus zwei getrennten, mit geringem Versatz ihrer Trägerfrequenzen arbeitenden Sendern (Zweifrequenz-System). Vielfach ist auch die Gleitweg-Sendevorrichtung als ein solches Zweifrequenz-System ausgebildet.

Nach den Vorschriften der International Civil Aviation Organization (ICAO) strahlt bei einer Zweifrequenz-Landekurssendevorrichtung einer der Landekurssender im Bereich bis zu ±35° beiderseits der (verlängerten) Landebahn-Mittellinie ein in seiner Mindestfeldstärke vorgegebenes sogenanntes "Rundumsignal" (Clearance), der andere in Richtung der Landebahn-Mittellinie ein scharf gebündeltes Kurssignal (Course) ab. Beide Signale sind in ihrer Trägerfrequenz geringfügig gegeneinander versetzt und mit je zwei Tonfrequenzen (90 Hz, 150 Hz) moduliert. Die zur Modulation verwendeten Tonfrequenzen sind für Rundumsignal und Kurssignal gleich und für gewöhnlich in Phase. Der Modulationsgrad ist für beide Tonfrequenzen zunächst gleich. Die zur Abstrahlung verwendeten Antennen sind jedoch so ausgelegt, daß die zu beiden Seiten der Mittellinie entstehenden Strahlungsfelder die eine bzw. die andere Modulationsfrequenz in höherem Maß enthalten, so daß entlang der Mittellinie und ihrer Verlängerung eine senkrecht im Raum stehende Ebene gebildet wird, entlang derer die Modulationsanteile beider Tonfrequenzen gleich und ihre Differenz damit Null wird. Zu beiden Seiten dieser Ebene kann in einem Empfänger durch Vergleich der Modulationsanteile ein Kriterium (DDM = Difference of Depth of Modulation) gewonnen werden, das angibt, auf welcher Seite der Ebene sich der Empfänger befindet, und das in einem kleinen Winkelbereich nahe dieser Ebene zusätzlich die Entfernung zu dieser Ebene angibt.

Der geringfügige Unterschied zwischen den Trägerfrequenzen des Rundumsignals und des Kurssignals bewirkt im Empfänger, daß das jeweils stärker einfallende Signal das schwächer einfallende Signal überproportional unterdrückt, den sogenannten Capture-Effekt. Das Feldstärkenverhältnis zwischen Rundumsignal und Kurssignal wird als "Capture-Ratio" bezeichnet und darf nach den derzeit gültigen ICAO-Vorschriften entlang der Landebahn-Mittelline den Wert von 10 dB nicht unterschreiten.

Der Capture-Effekt erlaubt, die Abstrahlung des Kurssignals auf einen engen, hindernisfreien Winkelbereich zu beiden Seiten der Mittellinie zu beschränken und die abgestrahlte Feldstärke so weit zu erhöhen, daß Störsignale, die z. B. durch Reflexion des Rundumsignals an beiderseits der Landebahn befindlichen Hindernissen entstehen können, unterdrückt werden. In der Praxis wird die Leistungserhöhung des Kurssignalssenders aber durch die Sendertechnik und durch das Erfordernis, Störungen der ILS-Landeanlagen anderer Flugplätze infolge von Überreichweiten zu vermeiden, begrenzt.

Infolge der Indienststellung größerer Flugzeuge und der Größe von für solche Flugzeuge zu bauenden Hangars einerseits und infolge häufig herrschenden Flächenmangels, der die Flughafenplaner zwingt, Bauwerke näher an der Landebahn zu plazieren, andererseits, kann heute auch bei Zweifrequenz-ILS-Anlagen nicht mehr ausgeschlossen werden, daß die von der ICAO für Kategorie III vorgegebenen Sollwerte auf der Landebahn nicht eingehalten werden können und ein möglicherweise wichtiger Flughafen für Kategorie III-Landungen nicht zugelassen werden kann.

Störungen durch Reflexionen können prinzipiell auch entlang des Gleitweges auftreten. Werden Zweifrequenz-Sendevorrichtungen zur Gleitwegvorgabe eingesetzt, kann auch hier z. B. durch Reflexionen des in den breiteren Winkelbereich unterhalb einer den Gleitweg enthaltenen Elevationsebene abgestrahlten Signals an großen, am Boden befindlichen natürlichen oder künstlichen Hindernissen das zur Ausnutzung des Capture-Effekts erforderliche Feldstärkenverhältnis (Capture Ratio) so weit herabgesetzt werden, daß eine sichere Vorgabe des Gleitweges durch zu große Störungen des DDM-Kriteriums infragegestellt ist.

Um die Unterdrückung reflektierter Signale zu verbessern, ist z. B. in der GB-PS 1-0 62 551, S.2, rechte Spalte, Z.91 ff für eine Landekurs-Sendevorrichtung vorgeschlagen, zur Modulation benutzte gleiche Tonfrequenzen (90 Hz und 150 Hz) von Rundumsignal und Kurssignal zueinander in Quadratur zu setzen, d. h. ihre Phase um jeweils 90° gegeneinander zu verschieben.

Eine derartige Phasenverschiebung von jeweils +90° oder auch -90° würde jedoch den Vorschriften der ICAO zuwiderlaufen, die, um eine ungestörte Funktion von beliebigen Empfängertypen zu gewährleisten, den gemeinsamen Durchgang beider Modulationsfrequenzen in gleicher Richtung durch Null fordern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Zweifrequenz-Sendevorrichtung anzugeben, die auch gegen starke reflexionsbedingte Störungen unempfindlich ist und die die einschlägigen Vorschriften erfüllt.

Eine Vorrichtung, die die Aufgabe der Erfindung löst, ist durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale beschrieben.

Durch die unterschiedliche Phasenverschiebung der Modulationsfrequenzen, entsprechend der Phasenverschiebung einer gemeinsamen Grundfrequenz, wird bei Vornahme in einer Landekurs-Sendevorrichtung eine Unterdrückung von reflektierten Rundumsignalen im Bereich der Landebahn-Mittellinie, bei Vornahme in einer Gleitweg-Sendevorrichtung eine entsprechende Unterdrückung von Reflexionen des bodennah in den breiteren Winkelbereich abgestrahlten Gleitwegsignals entlang des Gleitweges erreicht, die jeweils zusätzlich zum Capture-Effekt wirkt.

Gemäß Anspruch 2 ist die Phasenverschiebung z. B. durch Messung des Störeinflusses eines derart mit phasenverschobenen Tonfrequenzsignalen modulierten Sendesignals bei gleichzeitiger Veränderung der Phasenverschiebung optimierbar.

Derartige Messungen haben die in Anspruch 3 angegebenen Phasenverschiebungen als Werte minimalen Störeinflusses ergeben.

Im Anspruch 4 angegebene Werte weisen gegenüber den anderen in Anspruch 3 angegebenen Werten zusätzlich den Vorteil auf, daß dort der Einfluß von Abweichungen vom vorgegebenen optimalen Phasenverschiebungswinkel am geringsten ist.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand zweier Figuren am Beispiel einer Landekurs-Sendevorrichtung eingehend beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm für einen Test-Meßaufbau.

Fig. 2 zeigt die Wiedergabe eines typischen Meßergebnisses.

In Fig. 1 ist schematisch das Ende einer Landebahn RW mit einer auf der Landebahn-Mittellinie CL plazierten Test-Empfangsantenne TA dargestellt. Die Test-Empfangsantenne ist mit einem Test-Empfänger TE und einem diesem nachgeschalteten Ausgabegerät PL verbunden. Ein Stück vom Landebahnende abgesetzt ist eine Antenne LA für die Landekurssender einer Zweifrequenz-Instrumentenlandeanlage dargestellt, die hier - abweichend von der üblichen Art der Speisung - von zwei getrennten Sendevorrichtungen S1, S2 gespeist wird, wobei die eine Sendevorrichtung das Kurssignal K, die andere Sendevorrichtung das Rundumsignal R liefert.

Die Antennenstrahlrichtung KR für das scharf gebündelte Kurssignal verläuft in Richtung der Landebahn-Mittellinie. Das Rundumsignal (Clearance) wird in einen breiteren Winkel (z. B. 35° zu beiden Seiten der Landebahn-Mittellinie) abgestrahlt und ein Teil der Energie wird entsprechend einem in der Figur eingezeichneten Rundumsignal-Richtungspfeil RR an einem in der Nähe der Landebahn befindlichen Hangar H in Richtung zur Landebahn-Mittellinie hin reflektiert. Ein Teil des Rundumsignals wird ebenfalls direkt in die Richtung KR gestrahlt.

Infolge eines bei Zweifrequenz-Instrumentenlandeanlagen vorhandenen geringfügigen Unterschiedes der Trägerfrequenzen des Kurssenders und des Rundumsenders und infolge der entlang der Landebahn-Mittellinie höheren Feldstärke des Kurssenders gegenüber der des Rundumsenders wird hier im Normalfalle der sogenannte Capture-Effekt wirksam, der eine nahezu vollständige Unterdrückung des Rundumsignals durch das Kurssignal bewirkt.

Es hat sich nun aber gezeigt, daß in Extremfällen - z. B. bei Reflexionen des Rundumsignals an großen, aus Metall errichteten Gebäuden oder großen, in Landebahnnähe abgestellten Flugzeugen - Überlagerungen von direkt abgestrahlten und reflektierten Anteilen des Rundumsignals auftreten können, die das ansonsten vorschriftsmäßige "Capture ratio", das Feldstärkenverhältnis von Rundumsignal zu Kurssignal in diesen Überlagerungsbereichen so weit verschlechtern, daß die Unterdrückung des Rundumsignals durch den Capture-Effekt nicht ausreicht, um die Vorgabe eines stabilen Landekurses entlang der Landebahn-Mittellinie zu garantieren. Es kommt vielmehr zu Störungen des Kurssignals durch das Rundumsignal, die eine Schwächung oder Verstärkung der einen Signalkomponente des Kurssignals gegenüber der anderen und somit nach Demodulation eine Veränderung des Modulationsgrades der einen Tonfrequenz gegenüber dem der anderen Tonfrequenz (DDM-Störung) herbeiführen. Anstelle eines geraden, stabilen Landekurses wird den Flugzeugen damit eine gestörte Kurslinie übermittelt, die eine Landung bei schlechten Sichtverhältnissen entsprechend den ICAO-Vorschriften nicht zuläßt.

Die Erfinder haben nun herausgefunden, daß mit einer Verschiebung der Phase der zur Modulation des Rundumsignalsenders verwendeten Tonfrequenzsignale gegenüber den jeweils gleichen, zur Modulation des Kurssenders verwendeten Tonfrequenzsignalen solche Störungen der Kurslinie stark reduziert werden können. Die Phasenverschiebung muß dabei aber für jede Tonfrequenz (90 Hz und 150 Hz) unterschiedlich sein und demselben Phasenwinkel einer gemeinsamen Grundfrequenz (30 Hz) der beiden Tonfrequenzen entsprechen. Beispielsweise entspricht eine Phasenverschiebung der 30-Hz-Grundfrequenz von 15° für ein System mit Tonfrequenzen von 90 Hz und 150 Hz einer Phasenverschiebung der 90-Hz-Tonfrequenz um 45° und einer Phasenverschiebung der 150-Hz-Tonfrequenz um 75°.

In Fig. 2 sind für eine solche Zweifrequenz-Instrumentenlandeanlage an einer Stelle der Landebahn-Mittellinie meßbare Verzerrungen des Landekurses (DDM-Störungen ΔDDM) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung ϕ30 der 30-Hz-Grundfrequenz für ein Feldstärkeverhältnis (Capture-Ratio) von 10 dB und einen DDM-Grundwert von 200 µA für das Rundumsignal wiedergegeben. Zur Einstellung der für die 90-Hz- und 150-Hz-Tonfrequenzen erforderlichen Phasenverschiebungen wurden in den beiden Sendevorrichtungen S1, S2 vorhandene, digital arbeitende Modulatoren in an sich bekannter Weise immer so angesteuert, daß sich für die beiden Tonfrequenzen die der gerade gewünschten Phasenverschiebung der Grundfrequenz entsprechenden Phasenverschiebungen (3×ϕ30 und 5×ϕ30) ergaben. Selbstverständlich lassen sich Phasenverschiebungen der beiden Tonfrequenzen auch bei Verwendung nur einer Sendevorrichtung erzeugen. Es muß dazu nur die in den heute verfügbaren, ohne Phasenverschiebung arbeitenden Sendevorrichtungen bestehende starre Kopplung zwischen den zur Modulation des Rundumsignals und des Kurssignals verwendeten, gleichen Tonfrequenzsignalen aufgegeben werden und beide Tonfrequenzsignale müssen getrennt mit der gewünschten Phasenverschiebung bereitgestellt werden.

In Fig. 2 ist deutlich zu sehen, daß die DDM-Störungen (Meßkurve M) je nach Phasenverschiebung der Grundfrequenz unterschiedliche Werte und mehrfach auch den Wert Null annehmen. Dabei liegen Nullstellen der Meßkurve z. B. bei etwa ± 15, ± 50, ± 90, ± 130, ± 165 Grad.

An diesen Nullstellen verringern sich durch extreme Reflexionen des Rundumsignals hervorgerufene DDM-Störungen auf Werte, die weit unter den für sogenannte Kategorie III-Landungen von der ICAO vorgeschriebenen Grenzwerten (± 5 µA auf der Landebahn) liegen.

Aus Fig. 2 ist auch ersichtlich, daß bei Phasenverschiebungen entsprechend 15° und 165° der 30-Hz-Grundfrequenz die Meßkurve flacher durch Null geht als an den anderen Nullstellen. Abweichungen von der eingestellten Phasenverschiebung, wie sie z. B. aufgrund von geringfügigen Störungen des Synchronlaufs und der Toleranzen der Modulatoren auftreten können, führen an diesen Stellen zu einem geringeren Anstieg von DDM-Störungen als an Stellen, an denen die Meßkurve sehr steil die Nullinie kreuzt. Die größte Toleranzempfindlichkeit würde sich bei ϕ30 = 90° ergeben.

Eine Phasenverschiebung entsprechend einem der oben angegebenen, Störungs-Nullstellen wiedergebenden Winkel der Grundfrequenz erübrigt viele der heute zur Störungsunterdrückung möglichen, meist teuren oder mit anderweitigen Nachteilen verbundenen Maßnahmen und hat eine ganze Reihe zusätzlicher Vorteile:

So kann auf eine Verringerung der Sendeleistung zur Erhöhung des Capture Ratios oder auf eine Herabsetzung der Differenz der Modulationsgrade DDM für das Rundumsignal immer verzichtet werden. Sogar eine Erhöhung des DDM-Mindestwertes für das Rundumsignal ist möglich, ohne daß die Gefahr von nicht tolerierbaren DDM-Störungen des Kurssignals steigt.

Eine besondere, an die örtlichen Gegebenheiten angepaßte Ausgestaltung der Sendeantennen kann unterbleiben. Es wird durch die mögliche höhere Sendeleistung des Rundumsignals auch eine bessere Reichweite des Rundumsignals in durch die Reflexionen im Fernfeld entstehenden Interferenzminima erzielt. DDM-Störungen (DDM-Einbrüche) werden auch im Fernfeld des Rundumsignalsenders durch die mögliche Erhöhung der DDM des Rundumsignals unterdrückt.

Claims (4)

1. Zweifrequenz-Sendevorrichtung für eine einen Anflugpfad für landende Flugzeuge vorgebende Instrumentenlandeanlage mit zwei mit geringem Versatz ihrer Trägerfrequenzen arbeitenden Sendern (S1, S2), die über eine Antennenanordnung (LA) mit je zwei unterschiedlichen, miteinander synchronisierten, den Sendern jeweils phasenverschoben zugeführten Tonfrequenzsignalen (90 Hz, 150 Hz) amplitudenmodulierte Hochfrequenzenergie entgegen der Anflugrichtung in zwei unterschiedlich breite, zu beiden Seiten einer den Anflugpfad enthaltenden Ebene befindliche Winkelbereiche abstrahlen, derart, daß im engeren Winkelbereich die Feldstärke des einen Senders (S1), im übrigen, breiteren Winkelbereich die Feldstärke des anderen Senders (S2) überwiegt und die mit den einzelnen Tonfrequenzsignalen modulierten Sendesignale beider Sender zu beiden Seiten der Ebene mit unterschiedlichem, von der Abstrahlrichtung abhängigem und in Richtung auf die Ebene zu abnehmendem Modulationsgrad moduliert empfangen werden, wobei jeweils auf einer Seite der Ebene der Modulationsgrad der ersten Tonfrequenz, auf der anderen Seite der Ebene der Modulationsgrad der anderen Tonfrequenz überwiegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung zwischen den zur Modulation der von den Sendern abgestrahlten Sendesignale (K, R) jeweils verwendeten gleichfrequenten Tonfrequenzsignalen für beide Tonfrequenzen unterschiedlich ist und einer vorgegebenen Phasenverschiebung (ϕ30) einer den beiden verschiedenen Tonfrequenzen (90 Hz, 150 Hz) gemeinsamen Grundfrequenz (30 Hz) entspricht.

2. Zweifrequenz-Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Phasenverschiebung der gemeinsamen Grundfrequenz derart gewählt ist, daß der Einfluß des mit den phasenverschobenen Tonfrequenzsignalen modulierten Sendesignals auf die Differenz (DDM) der für beide Tonfrequenzen gemessenen Modulationsgrade des mit den in ihrer Phasenlage belassenen Tonfrequenzsignalen modulierten Sendesignals minimal ist.

3. Zweifrequenz-Sendevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Phasenverschiebung der gemeinsamen Grundfrequenz ± 15°, ± 50°, ± 90°, ± 130° oder ± 165° beträgt.

4. Zweifrequenz-Sendevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Phasenverschiebung der gemeinsamen Grundfrequenz ± 15° oder ± 165° beträgt.