DE69606417T2

DE69606417T2 - Luftverkehrswarnsystem mit peilempfänger

Info

Publication number: DE69606417T2
Application number: DE69606417T
Authority: DE
Inventors: L. Nail
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1996-08-21
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2016-08-22
Also published as: WO1997008566A1; EP0846272B1; EP0846272A1; DE69606417D1; US5604504A

Description

Allgemeiner Stand der Technik

1. Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Peilungsschätzungsempfänger für ein Luftverkehrsanweisungssystem, wie beispielsweise TCAS oder TAS zum Bestimmen der Peilung eines eindringenden Flugzeugs relativ zu einem geschützten Flugzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen einet korrigierten Peilung, um durch Eindringlingssignalreflexionen verursachte Peilungsfehler zu kompensieren.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Auf dem Gebiet der Peilungsabschätzungsempfänger für Luftverkehrsanweisungssysteme wird eine an Bord eines geschützten Flugzeugs befindliche Mehrantennenanordnung verwendet, um als Reaktion auf Abfragen von an Bord des geschützten Flugzeugs befindlichem Gerät Eindringlingssignale von einem eindringenden Flugzeug zu empfangen. Eine mit der Antennenanordnung gekoppelte Signalverarbeitungseinheit verarbeitet die Antennensignale, um die Eindringlingspeilung relativ zu dem geschützten Flugzeug zu bestimmen.
Verschiedene Flächen an dem geschützten Flugzeug, wie beispielsweise das Heck, die Triebwerkscowlings und andere Antennen, erzeugen reflektierte Eindringlingssignale, die ebenfalls von der Antennenanordnung empfangen werden. Diese reflektierten Eindringlingssignale vereinigen sich mit den direkt von dem eindringenden Flugzeug empfangenen Signalen und rufen Fehler in der durch die Signalverarbeitungseinheit bestimmten Eindringlingspeilung hervor. Auch durch Unvollkommenheiten in der Antenne selbst kann es zu Fehlern bei der Peilung kommen. Wie der Fachmann versteht, ist, um Kollisionen zu vermeiden, eine präzise bestimmte Eindringlings peilung wichtig. Der Stand der Technik hebt deshalb die Notwendigkeit präziserer Eindringlingspeilungsinformationen für den Piloten eines geschützten Flugzeugs hervor.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

US 4,855,748 offenbart ein Verkehrsanweisungssystem, das eine Vorrichtung mit einer Anordnung von Antennen und ein Signalverarbeitungsmittel umfaßt, aber auch Nachteile aufweist.
Gemäß der vorliegende Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen einer korrigierten Eindringlingspeilung für ein Verkehrsanweisungssystem bereitgestellt, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: eine Anordnung von Antennen (12), die an Bord eines geschützten Flugzeugs angebracht werden können, wobei die Antennen (12) betrieben werden können, um Eindringlingssignale zu empfangen und auf diese zum Erzeugen von jeweiligen Antennensignalen zu reagieren; und ein Signalverarbeitungsmittel (16) zum Empfangen und Verarbeiten der Antennensignale zum Bestimmen der Peilung des eindringenden Flugzeugs relativ zu dem geschützten Flugzeug, wobei das Signalverarbeitungsmittel (16) ein Signalweichenmittel (22) mit einem Mittel zum Erzeugen eines die Summe ausgewählter Antennensignale darstellenden Summensignals (SUM) und ein Mittel zum Erzeugen eines die Differenz ausgewählter Antennensignale darstellenden ersten Deltasignals (DELTA 1) enthält; ein Empfangsmittel (14) zum Erzeugen eines die Phasenbeziehung zwischen dem Summensignal und dem ersten Deltasignal darstellenden ersten Phasensignals, wobei das erste Phasensignal eine erste Eindringlingspeilung darstellt und aufgrund von Eindringlingssignalreflexion mit einem Fehler behaftet ist; wobei das Signalweichenmittel (22) ein Mittel zum Erzeugen eines die Differenzen ausgewählter Antennensignale darstellenden zweiten Deltasignals enthält, wobei das Empfangsmittel (14) ein Mittel (426) zum Erzeugen eines die Phasenbeziehung zwischen dem Summensignal und dem zweiten Deltasignal darstellenden zweiten Phasensignals, wobei das zweite Phasensignal eine zweite Eindringlingspeilung darstellt und aufgrund von Eindringlingssignalreflexion mit einem Fehler behaftet ist, wobei das Signalweichenmittel (22) ein Mittel zum Erzeugen des ersten und zweiten Deltasignals enthält, so daß sich die Fehler des ersten und zweiten Phasensignals zumindest teilweise ausgleichen, wobei das Signalverarbeitungsmittel (16) weiterhin ein Peilungsbestimmungsmittel zum Bestimmen einer korrigierten Peilung als Funktion sowohl des ersten als auch des zweiten Phasensignals enthält.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestimmt die Computerschaltung eine unkorrigierte Eindringlingspeilung aus jedem der Phasensignale und erzeugt dann die korrigierte Peilung als Durchschnitt der beiden unkorrigierten Peilungen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die oben erörterten Probleme nach dem Stand der Technik lösen und einen deutlichen Fortschritt im Stand der Technik liefern. Insbesondere liefert die hier beschriebene TCAS-Vorrichtung Peilungsinformationen, die in Bezug auf durch Eindringlingssignalreflexionen hervorgerufene Fehler korrigiert sind.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die bevorzugte TCAS-Vorrichtung 10 enthält eine Antennenanordnung 12, einen Empfänger 14 und eine Computerschaltung 16. Die Antennenanordnung 12 ist vorzugsweise eine herkömmliche omnidirektionale Interferometerantenne mit Doppelflügel und vier Elementen. Die Anordnung 12 enthält ein aus glasverstärktem, thermisch fixiertem Kunststoff bestehendes Gehäuse 18, das die Antennen A, B, C und D umschließt, die betrieben werden können, um als Reaktion auf Eindringlingssignale auf den Leitungen 20a, 20b, 20c und 20d jeweilige Antennensignale A, B, C und D zu erzeugen.
Die Antennenanordnung 12 enthält außerdem eine im Gehäuse 18 befindliche und mit den Leitungen 20a - d gekoppelte Hybridweiche 22 zum Empfangen jeweiliger Antennensignale A - D. Als Reaktion auf die Antennensignale erzeugt die Weiche 22 Ausgangssignale wie SUM, DELTA 1 und DELTA 2 auf Koaxialkabeln 28a, 28b und 28c. Die Weichenausgangssignale können dargestellt werden als:
SUM = A + B + C + D
DELTA 1 = A - j B - C + jD und
DELTA 2 = A + j B - C - jD,
wobei A, B, C und D die Antennensignale und j eine 90º- Phasenverschiebung darstellen. Die Weiche 22 besteht aus Schaltungen für vier Hybridkoppler, die auf eine Leiterplatte geätzt sind und miteinander verbunden sind, um die in den obigen Gleichungen beschriebenen Ausgangssignale zu erzeugen.
Der Empfänger 14 enthält einen Schalter 24 und eine Empfängerschaltung 26. Die Empfängerschaltung 26 und die Computerschaltung 16 sind vorzugsweise herkömmliche TCAS 1090 MHz Empfängersystemkomponenten, wie diejenigen, die von AlliedSignal, Inc. in Olathe, Kansas, USA, als Teil der Modelle TPU66A oder TPU67 A erhältlich sind. Die Empfängerschaltung 26 enthält einen Kanal A und einen Kanal B. Der Kanal A empfängt das SUM-Signal als Eingangssignal auf Kabel 28a. Die Kabel 28b und 28c liefern die Signale DELTA 1 und DELTA 2 an den herkömmlichen elektronischen Schalter 24, der durch die Computerschaltung 16 gesteuert wird. Der Schalter 24 wiederum liefert die Signale DELTA 1 und DELTA 2 über Leitung 30 an Kanal B.
Der Kanal A enthält in Reihe geschaltet ein 1090 MHz Bandpaßfilter 30a, einen HF-Verstärker 32a, eine Mischstufe 34a, ein 60 MHz Bandpaßfilter 36a, einen Zwischenfrequenzverstärker 38a, einen Leistungsteiler 40a und einen Phasendetektor 42a. Kanal B enthält in Reihe geschaltet ein 1090 MHz Bandpaßfilter 30b, einen HF-Verstärker 32b, eine Mischstufe 34b, ein 60 MHz Bandpaßfilter 36b, einen Zwischenfrequenz verstärker 38b, einen Leistungsteiler 40b und einen Phasendetektor 42b. Der Oszillator 44 liefert Mischsignale bei 1150 MHz zu den Mischstufen 34a und 34b zum Erzeugen jeweiliger bei 60 MHz zentrierter Zwischenfrequenzausgangssignale.
Der Phasendetektor 42a empfängt von dem Leistungsteiler 40a ein Eingangssignal, das das SUM- Signal mit 0º Phasenverschiebung darstellt, und von dem Leistungsteiler 40b ein zweites Eingangssignal mit 0º Phasenverschiebung, das das Signal DELTA 1 oder DELTA 2 darstellt, je nach der Position des Schalters 24. Als Reaktion erzeugt der Phasendetektor 42a ein Gleichstromausgangssignal I (gleichphasiges Signal), das die Phasenbeziehung der Signale SUM und DELTA 1 als erstes Phasensignal darstellt, wenn sich der Schalter 24 in einer Position befindet. In der anderen Position des Schalters 24 stellt das Detektorausgangssignal I die Phasenbeziehung der Signale SUM und DELTA 2 als ein zweites Phasensignal dar.
Ebenso empfängt der Phasendetektor 42b ein Eingangssignal von dem Leistungsteiler 40a mit 0º Phasenverschiebung, das das SUM-Signal darstellt, und von dem Leistungsteiler 40b ein zweites Eingangssignal, das das Signal DELTA 1 oder DELTA 2 darstellt, je nach der Position des Schalters 24. Das Eingangssignal von dem Leistungsteiler 40a ist jedoch um 90º verschoben. Infolgedessen stellt das Ausgangssignal Q (Quadratursignal) von dem Detektor 42b eine 90º- Verschiebung der Phasenbeziehungen der Signale DELTA 1/SUM und DELTA 2/SUM dar. Das Signal Q wird erzeugt und mit dem Signal I verwendet, da der Phasenquadrant des Signals I für sich unbestimmt ist, um den Phasenquadranten zu identifizieren.
Die Computerschaltung 16 enthält Tiefpaßfilter 43a und 43b, Analog-Digital-Umsetzer (A-D-Umsetzer) 46I und 46Q, einen Eingangsspeicher 48 und eine Mikrosteuerung 50. Die Filter 43a, b empfangen die jeweiligen Signale I und Q von den Phasendetektoren 42a, b und leiten nur die Gleichstromanteile weiter, die durch die Umsetzer 46I, Q in digitale Werte umgesetzt und im Speicher 48 gespeichert werden. Diese digitalen Werte werden als Daten zur Verarbeitung durch die Mikrosteuerung 50 geliefert.
Die Peilung eines eindringenden Flugzeugs relativ zu dem geschützten Flugzeug kann von dem von den Phasendetektoren 42a oder 42b erzeugten ersten oder zweiten Phasensignal abgeleitet werden. Diese Phasensignale sind jedoch aufgrund von Reflexionen der Eindringlingssignale durch Flächen nahe der Antenne 12 mit Fehlern behaftet. Zu diesen Flächen können beispielsweise das Heck des geschützten Flugzeugs, Triebwerkscowlings und andere Antennen zählen. Diese reflektierten Eindringlingssignale vereinigen sich mit den direkt von dem eindringenden Flugzeug empfangenen Signalen und unterwerfen die Antennensignale A - D Fehlern hinsichtlich Betrag und Phase.
Wegen der Antennensignalfehlern kann eine von dem ersten oder dem zweiten Phasensignal abgeleitete Eindringlingspeilung einen Fehleranteil enthalten.
Durch Konfigurieren der Hybridweiche 22 gemäß der vorliegenden Erfindung, um oben die beschriebenen Werte für DELTA 1 und DELTA 2 zu liefern, kompensieren sich die Fehler in dem ersten und zweiten Phasensignal vom Phasenumsetzer 42a mindestens teilweise. Um dies zu nutzen, bestimmt die Mikrosteuerung 50 eine korrekte Peilung als Funktion sowohl des ersten als auch dse zweiten Phasensignals. Insbesondere ist die Mikrosteuerung programmiert, eine erste, unkorrigierte Eindringlingspeilung aus dem ersten Phasensignal und eine zweite, unkorrigierte Eindringlingspeilung aus dem zweiten Phasensignal zu bestimmen. Die Mikrosteuerung 50 bestimmt die erste, unkorrigierte Eindringlingspeilung als das -1fache der inversen Tangente des Verhältnisses Q/I unter Verwendung von DELTA 1. Ebenso wird die zweite unkorrigierte Eindringlingspeilung als die inverse Tangente des Verhältnisses Q/I unter Verwendung von DELTA 2 bestimmt. Die Mikrosteuerung 50 bestimmt dann den Durchschnitt der ersten und zweiten, unkorrigierten Peilung als die korrigierte Eindringlingspeilung.
Die Vorrichtung 10 enthält auch eine Kalibrierungsschaltung 52, die einen Testoszillator 54 enthält, der betrieben werden kann, um ein Testsignal von 1090 MHz zu erzeugen, das von dem Kabel 56 zu einem Koppler 58 geführt wird, der sich im Antennengehäuse 18 befindet und so positioniert ist, daß er das Testsignal zu der Antenne B liefert. Der Oszillator 54 wird von der Computerschaltung 16 gesteuert. Während der Kalibrierung empfängt nur die Antenne B das Testsignal. Infolgedessen wird das Signal DELTA 1 relativ zu dem Signal SUM um -90º phasenverschoben und DELTA 2 wird relativ zu dem Signal SUM um +90º phasenverschoben. Etwaige Abweichungen von diesen Werten von dem Phasendetektor 42a werden im Speicher 48 als Fehlerkorrekturdaten zur Verwendung beim Bestimmen der korrigierten Eindringlingspeilung gespeichert.
Der Fachmann erkennt, daß die vorliegende Erfindung viele Abwandlungen an der hier enthaltenen bevorzugten Ausführungsform umfaßt. So könnten beispielsweise andere Gleichungen für DELTA 1 und DELTA 2 verwendet werden, und für jedes DELTA-Signal könnten getrennte Empfänger vorgesehen werden. Nachdem die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung derart beschrieben worden ist, wird folgendes als neu und als durch ein Patent zu schützend beansprucht:

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen einer korrigierten Eindringlingspeilung für ein Verkehrsanweisungssystem wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:

eine Anordnung von Antennen (12), die an Bord eines geschützten Flugzeugs angebracht werden können, wobei die Antennen (12) betrieben werden können, um Eindringlingssignale zu empfangen und auf diese zum Erzeugen von jeweiligen Antennensignalen zu reagieren;

und ein Signalverarbeitungsmittel (16) zum Empfangen und Verarbeiten der Antennensignale zum Bestimmen der Peilung des eindringenden Flugzeugs relativ zu dem geschützten Flugzeug, wobei das Signalverarbeitungsmittel (16) ein Signalweichenmittel (22) mit einem Mittel zum Erzeugen eines die Summe ausgewählter Antennensignale darstellenden Summensignals (SUM) und ein Mittel zum Erzeugen eines die Differenz ausgewählter Antennensignale darstellenden ersten Deltasignals (DELTA 1) enthält;

ein Empfangsmittel (14) zum Erzeugen eines die Phasenbeziehung zwischen dem Summensignal und dem ersten Deltasignal darstellenden ersten Phasensignals, wobei das erste Phasensignal eine erste Eindringlingspeilung darstellt und aufgrund von Eindringlingssignalreflexion mit einem Fehler behaftet ist;

wobei das Signalweichenmittel (22) ein Mittel zum Erzeugen eines die Differenzen ausgewählter Antennensignale darstellenden zweiten Deltasignals enthält,

wobei das Empfangsmittel (14) ein Mittel (426) zum Erzeugen eines die Phasenbeziehung zwischen dem Summensignal und dem zweiten Deltasignal darstellenden zweiten Phasensignals enthält, wobei das zweite Phasensignal eine zweite Eindringlingspeilung darstellt und aufgrund von Eindringlingssignalreflexion mit einem Fehler behaftet ist,

wobei das Signalweichenmittel (22) ein Mittel zum Erzeugen des ersten und zweiten Deltasignals enthält, daß sich die Fehler des ersten und zweiten Phasensignals zumindest teilweise ausgleichen, wobei das Signalverarbeitungsmittel (16) weiterhin ein Peilungsbestimmungsmittel zum Bestimmen einer korrigierten Peilung als Funktion sowohl des ersten als auch des zweiten Phasensignals enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Antennenanordnung (12) vier der Antennen (A, B, C, D) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei für ein geschütztes Flugzeug, das eine Steuerkursachse bietet, zwei der Antennen (A, B, C, D) auf der einen Seite der Achse positioniert sind und die anderen beiden der Antennen auf der anderen Seite der Achse positioniert sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Antennenanordnung (12) vier der Antennen enthält, die jeweilige Antennensignale als Signale A, B, C und D erzeugen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Summensignal durch A + B + C + D dargestellt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das erste Deltasignal als A - jB - C + jD dargestellt wird, wobei j eine Phasenverschiebung von 90º darstellt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das zweite Deltasignal als A + jB - C - jD dargestellt wird, wobei j eine Phasenverschiebung von 90º darstellt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Peilungsbestimmungsmittel ein Mittel zum Ableiten einer ersten Eindringlingspeilung als Funktion des ersten Phasensignals, zum Ableiten einer zweiten Eindringlingspeilung als Funktion des zweiten Phasensignals und zum Bestimmen der korrigierten Peilung als Durchschnitt der ersten und zweiten Eindringlingspeilung enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Signalvereinigungsmittel (22) eine Hybridweiche enthält.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung ein die Hybridweiche und die Anordnung (12) umschließendes Gehäuse (18) enthält, wobei die Hybridweiche und die Anordnung (12) zusammen mit dem Gehäuse (18) positioniert sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Antennen die jeweiligen Antennensignale als Signale A, B, C und D erzeugen, wobei das Summensignal durch A + B + C + D dargestellt wird, wobei das erste Deltasignal als A + jB - C - jD dargestellt wird, wobei das zweite Deltasignal als A - jE - C + jD dargestellt wird, wobei j eine Phasenverschiebung von 90º darstellt, und

wobei das Peilungsbestimmungsmittel ein Mittel zum Ableiten einer ersten Eindringlingspeilung als Funktion des ersten Phasensignals, zum Ableiten einer zweiten Eindringlingspeilung als Funktion des zweiten Phasensignals und zum Bestimmen der korrigierten Peilung als dem Durchschnitt der ersten und zweiten Eindringlingspeilung enthält.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Empfangsmittel (14) einen ersten Kanal zum Verarbeiten des Summensignals, einen zweiten Kanal zum Verarbeiten der Deltasignale und einen Schalter (24) zwischen der Anordnung und dem zweiten Kanal zum abwechselnden Liefern des ersten und zweiten Deltasignals an den zweiten Kanal enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Signalvereinigungsmittel (22) eine Hybridweiche mit mehreren Hybridkopplern enthält.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Signalvereinigungsmittel (22) eine Hybridweiche enthält, wobei die Vorrichtung ein die Anordnung umschließendes Gehäuse (18) enthält, wobei die Hybridweiche im Gehäuse (18) positioniert ist, wobei die Antennenanordnung (12) vier der Antennen (A, B, C, D) enthält, wobei das geschützte Flugzeug eine Steuerkursachse bietet, wobei zwei der Antennen auf der einen Seite der Achse positioniert sind und die anderen beiden der Antennen auf der anderen Seite der Achse positioniert sind,

wobei die Antennen die jeweiligen Antennensignale als Signale A, B, C und D erzeugen, wobei das Summensignal durch A + B + C + D dargestellt wird, wobei das erste Deltasignal als A + jB - C - jD dargestellt wird, wobei das zweite Deltasignal als A - jE - C + jD dargestellt wird, wobei j eine Phasenverschiebung von 90º darstellt, und

wobei das Peilungsbestimmungsmittel ein Mittel zum Ableiten einer ersten Eindringlingspeilung als Funktion des ersten Phasensignals, zum Ableiten einer zweiten Eindringlingspeilung als Funktion des zweiten Phasensignals und zum Bestimmen der korrigierten Peilung als dem Durchschnitt der ersten und zweiten Eindringlingspeilung enthält,

wobei das Empfangsmittel (14) einen ersten Kanal zum Verarbeiten des Summensignals, einen zweiten Kanal zum Verarbeiten der Deltasignale und einen Schalter (24) zwischen der Anordnung (12) und dem zweiten Kanal zum abwechselnden Liefern des ersten und zweiten Deltasignals an den zweiten Kanal enthält.