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Verfahren zur Blindlandung von Luftfahrzeugen Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Blindlandung von Luftfahrzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht es, die für den Landevorgang erforderlichen Angaben, das sind die Höhe
über Boden, der Abstand vom Landungsplatz und die jeweilige Lage des Luftfahrzeuges
bezüglich einer Führungslinie zum Landungsplatz, mit Hilfe einer einzigen Antennenanlage
einem für alle diese Angaben gemeinsamen Empfangsgerät zu übermitteln. Bei den bisher
bekannten Verfahren, die dem gleichen Zweck dienen, sind für die einzelnen Angaben
getrennte Sende- und Empfangsgeräte erforderlich, was mit einem insbesondere auf
der Empfangsseite unerwünscht großen Aufwand verbunden ist.
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Zum Verständnis des Erfindungsgedankens seien im folgenden zunächst
einige Besonderheiten von Antennen angegeben, die speziell zur Übertragung von ultrakurzen
Wellen (Wellenlängen kleiner als Io m) dienen und bei der Erfindung angewendet werden.
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Die Fig. I zeigt eine aus zwei Vertikalstäben A, B und A', B' bestehende
Antenne, die mit Kapazitätsflächen, z. B. von der Form der Scheiben C> C, versehen
sind. DieHorizontalverb,indung B, B' der beiden Vertikal stäbe wird in der Mitte
durch eine Ringspule erregt, welche mit einer nicht gezeichneten Speiseleitung verbunden
ist. Werden die Abmessungen des Systems so gewählt, daß die Anordnung auf eine halbe
Wellenlänge abgestimmt ist (mit einem Strombauch in der Nähe der Spule), so ist
die horizontale Strahlungscharakteristik des Systems die gleiche wie bei einem Rahmen.
In einem bestimmten Abstand ändert sich das Feld nach einer Sinusfunktion oder angenähert
wie der Winkel selbst, wenn sich der Beobachter nahezu senkrecht zu B, B' befindet.
Betrachtet man eine einzelne Vertikalebene, so hängt das Felddiagramm wesentlich
von der BeschafFenheit des Erdbodens in der Umgebung des Antennensystems ab. Wenn
man ein dichtes Ketz von Metalldrähten (Gegengewicht) vor dem System nach dem Beobachter
zu anordnet, dann erzielt man eine sogenannte Metall reflexion, und das empfangene
Feld ist unabhängig von der Höhe über Boden, solange der Erhebungswinkel T klein
bleibt (praktischer Fall). Man kann auf diese Weise mit kurzen Wellen die Feldverteilung
von langen Wellen nachbibden. Hierzu ist allerdings erforderlich, daß die Höher:
der Scheiben C über dem Gegengewicht klein gegenüber der Länge des Gegengewichtes
ist.
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Das Verhältnis dieser beiden Größen drückt
das Neigungsminimum
aus, unter dem noch metallische Reflexion erhalten wird. Für Erhebungssvinkel, die
größer sind als diese Neigung, hat das Feld im Abstand x die Form K sind wobei die
Größe i der Abnahme der Feldstärke bei lsugelwellen entspricht. In einem praktischen
Beispiel soll die Größe 0.5 n1 und die Länge des Gegengewichtes 100 in betragen.
Das Neigullgsminimum ist dann 1/200. Das Drahtnetz wird vorzugsweise über dem Erdboden
errichtet und nach den Rindern zu eingegraben. Das elektrische Feld ist dann vertikal
polarisiert, denn es ist ersichtlich, daß sich die Horizontalteile des Antennensystems
(die Ströme in B, B' und die radial nach außen verlaufenden Ströme in den einzelnen
Scheiben) in ihrer Wirkung praktisch aufheben.
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Diese Annahme triife nicht mehr zu, würde man statt des Antennensystems
nach Fig. 1 einen geschlossenen Rahmen verwenden.
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Indessen soll zur sprachlichen Vereinfachung das Antennensystem nach
Fig. I im folgenden als Rahmen bezeichnet werden.
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Die Fig. 2 zeigt zwei gleichartige Systeme 1 2 nach Art der Fig.
I in einem gegenseitigen Abstande D und in einer senkrechten, durch ihre Verbindungslinie
verlaufenden Ebene orientiert. Der Abstand D spielt die Rolle der Basis. In Fig.
2 sind die Nullinien der beiden Rahmendiagramme eingezeichnet (gestrichelt) und
außerdem die AIittellinie X-X'.
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Man sieht, daß für einen Beobachter im Punkt.lI (mit den Knonlinaten
*- und y) innerhalb des von den Nullinien eingesehlossenen Bereiches in einem Abstand
x, der genügend groß gegenüber D ist, die Summe der empfangenen Felder der beiden
Rahmen den ÄVert
besitzt, wobei K eine Konstante bedeutet. Die Summe der Felder ist somit über die
Breite D des von den Nullinien eingeschlossenen Bereiches konstant.
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Für einen Beobachter, der sich im Punkte.l/' außerhalb des obengenannten
Bereiches befindet, hat die Summe der Felder folgende Form:
Diese Gleichung gilt also für 2y größer als D.
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Insgesamt ist die Summencllarakteristik E bzw. 1E' innerhalb der
Ebene, die in einem gegebenen Abstand x auf der Linie X-X' senkrecht steht, von
der in Fig. 3 gezeichneten Form.
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Wenn man statt der Summe gemäß den Formeln (I) und (2) die Differenz
der von den beiden Rahmen erhaltenen Felder betrachtet, so sieht man (Fig. 4), daß
diese Differenz außerhalb des Bereiches D konstant ist und verschiedene Vorzeichen
besitzt, je nachdem sich der Beobachter rechts oder links von dem durch die Nullinien
eingeschlossenen Gebiet befindet. Innerhalb dieses Gebietes ändert sich die Differenz
der Felder von einem positiven Wert auf einen negativen Wert und ist auf der Linie
X-.V' gleich Null. An den positiven bzw. negativen Stellen übertrifft das Empfangsfeld
der Antenne I dasjenige der Antenne 2 bzw. umgekehrt. Es sei an dieser Stelle noch
auf den später erwähnten Umstand hingewiesen, daß die Differenz der Felder innerhalb
der Nullinien derselben Gleichung genügt wie die Summe der Felder außerhalb dieser
Linien und daß umgekehrt die Feldsumme innerhalb der Nullinien der Feldidifferenz
außerhalb davon entspricht, wie dies aus dem Vergleich der Fig. 3 und 4 unmittelbar
hervorgeht.
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Aus dem Vorstehenden ersieht man, daß, wenn man z. B. die Antennen
aufeinanderfolgend kurzzeitig bei derselben Wellenlänge, aber mit verschiedenen
Modulationsfrequenzen tastet, um die beiden Antennen voneinander zu unterscheiden,
und wenn man elrpfangsseitig in einer Anzeigeeinrichtung die durch doppelte Gleichrichtung
der Hochfrequenz und der Niederfrequenzen erhaltenen Gleichströme addiert, während
man dieselben Ströme in einer zweiten Anzeigeeinrichtung voneinander abzieht, die
erste Anzeigeeinrichtung bei konstanter Empfängerempfindlichkeit einen über die
ganze Breite D konstanten Ausschlag gibt, der umgekehrt proportional dem Quadrat
des Abstandes ist.
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Die zweite Differenzanzeigeeinrichtung dagegen ermöglicht eine sehr
genaue Führung auf der Mittellinie des Gebietes da die Empfangsspannung in der Mittellinie
des Gebietes Null ist und die Phase wechselt, je nachdem man sich links oder rechts
von der Mittellinie befindet. Es soll später noch gezeigt werden, daß durch Steuerung
der Empfindlichkeit des Empfängers, z. B. durch automatische Regelung, die erste
Anzeigeeinrichtung außerdem zur Anzeige der Höhe be-Üthigt ist.
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Betrachtet man nun die Antenne der Fig. , die im wesentlichen aus
einem Horizontaldipol für sehr kurze Wellen über gewöhnlichem Erdboden besteht,
so sieht man, daß das elektrische Feld für einen Beobachter, der sich in einer den
Dipol enthaltenden
Vertikal ebene befindet und den Dipol unter einem
geringen Einfallswinkel (sin z kleiner als o,I) betrachtet, hauptsächlich vertikal
polarisiert ist und daß außerdem der direkte Strahl Ei und der reflektierte Strahl
Er sich fast gleichphasig addieren, wenn durch die Reflexion am Erdboden ein Phasensprung
von I800 auftritt. Dies ist aus dier Betrachtung der kleinen Pfeife, welche das
elektrische Feld darstellen, zu ersehen und aus der Tatsache, daß das Feld eines
Dipols in Richtung seiner Längserstreckung Null wird und zu beiden Seiten dieser
Nullstelle gegenphasig ist.
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Die Feldstärke folgt dem Sinus des Winkels zwischen Strahlrichtung
und Dipolachse und ist umgekehrt proportional zum Abstand, d. h. sie folgt der Gleichung
I. h . sin # = , x x² wobei Ii die Höhle des Empfangsortes ist.
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Für Vertikalebenen, die mit derjenigen, welche den Dipol enthält,
einen kleinen Winkel bilden (horizontal betrachtet), spielen die hier auftretenden
Horizontalkomponenten des Feldes keine große Rolle, wenigstens nicht für Antennen,
die klein sind gegenüber der Wellenlänge. Hieraus geht hervor, daß das elektrische
Feld auch für einen Beobachter, der sich ein wenig seitwärts zu der den Dipol enthaltenden
Vertikalebene befindet, im wesentlichen vertikal polarisiert ist und der oben angeführten
Gleichung genügt.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Horizontalantenne dasselbe
Raumdiagramm besitzt wie eine Antenne, die vertikal über einem schlechten Erdbodenleiter
angebracht ist. Man ist -jedoch der Ansicht, daß der Einfluß des Erdbodens auf die
Strahlungscharakteristik horizontaler Antennen geringer ist als auf vertikale Antennen.
Der Einfluß des Erdbodens macht sich nämlich nur in der geometrischen Zusammensetzung
der vertikalen Teilkomponenten von Es und Er (Fig. 5) bemerkbar, welche dieselbe
Amplitude und annähernd dieselbe Phase besitzen.
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Wenn die Phasen der beiden Vektoren oder ihre Amplituden um einige
Prozent variieren, so ist dies ohne Bedeutung. Im Falle einer Dipolantenne, welche
vertikal steht, sind für das resultierende Feld zwei Vektoren maß -gebend, die annähernd
die gleiche Amplitude besitzen und annähernd in Phasenopposition sind. Wenn hier
die Phasenwinkel oder die Amplituden um einige Prozent variieren, dann, ändert sich
das resultierende Feld sehr stark.
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In der Fig. 6 sind zwei Antennen 3 und 4 der zuletzt beschriebenen
Art dargestellt, die einen gegenseitigen Abstand D' besitzen. Die beiden horizontalen
Antennen liegen ebenso wie ihre Basis D' in ein und derselben Vertikalebene. Für
einen Beobachter, der sich in oder in der Nähe dieser Ebene, jedoch in größerem
Abstand x vom Antennen system befindet, ist die Summe der Felder beider Antennen
durch die Gleichung
gegeben, wobei K' eine Konstante ist. Die Differenz der beiden Felder ermittelt
sich aus
Man sieht also, daß, wenn man die Antennen aufeinanderfolgend und mit verschiedenen
Modulationsfrequenzen tastet, um die Felder voneinander zu unterscheiden, die Summe
der empfangenen Ströme nach Gleich richtung proportional der Höhe und umgekehrt
proportional dem Quadrat des Abstandes ist und daß die Differenz der Felder proportional
der Höhe und umgekehrt proportional der dritten Potenz des Abstandes ist.
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Die vorstehenden Ausführungen erlauben es nun, die Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Anordnung leicht zu verstehen. Das Antennensystem, das gemäß
der Erfindung vorgeschlagen wird, ermöglicht die Blind landung von Flugzeugen dadurch,
Idaß zu gleicher Zeit fortlaufend Beobachtungen über die seitliche Führung, die
Höhe über dem Erdboden und den Abstand vom Landeplatz angestellt werden. Man ordnet
zu diesem Zweck (Fig. 7) zwei Rahmen I und 2 nach Art der Fig. I und 2 an den Enden
einer senkrecht zur Landungslinie verlaufenden Basis strecke D an. Weiterhin sind
die Antennen 3 und 4 der Fig. 5 und 6 an den Enden einer parallel zu der Landungslinie
verlaufenden oder direkt auf dieser liegenden Basisstrecke D' angeordnet. Den Antennen
I und 2 ist je ein Gegengewicht aus Metalldrähten zugeordnet, welches genügend ausgedehnt
ist, um eine Reflexion der Wellen zu
gestatten. Die Reflexion der
Strahlungen der Antennen 3 und 4 erfolgt am Erdboden selbst.
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Ein Verteiler versorgt nun die Antennen 1, 2, 3 und 4 nacheinander
mit Energie in einer beliebigen Reihenfolge (z. B. I, 3, 2, 4). Jede der Antennen
wird mit einer anderen Modulationsfrequenz getastet, um die einzelnen Felder unterscheiden
zu können. Die Modulationsfrequenzen seien 1. J2 3. 14. Wenn man nun die Empfindlichkeit
des Empfängers an Bord des Flugzeuges automatisch so regelt, daß die Summe der Empfangsspannungen
von den Antennen 3 und 4 konstant bleibt, erhält man die folgenden Anzeigeergebnisse,
und zwar unter der Voraussetzung, daß sich das Flugzeug im Inneren des Gebietes
der Breite D befindet, d. h. solange y kleiner ist als D/2. a) Eine erste Anzeigeeinrichtung
vergleicht die Feldstärkensumme der Strahlungen der Antennen I und 2 mit der der
Antennen 3 und 4 und zeigt daher einen Ausschlag, der umgekehrt proportional zur
Flughöhe ist.
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Das Verhältnis dieser Summenspannungen ist nämlich auf Grund der Gleichungen
(I) und (3) K.D 2K'.h = K D (5) x² : x² = 2K' h . .
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Hierin sind K, K' und D konstant. b) Eine zweite Anzeigeeinrichtung
rergleicht die Feldstärkendifferenz der Strahlungen der Antennen 1 und 2 mit der
Feldstärkensumme der Strahlungen der Antennen 3 und 4 und dient zur seitlichen Führung
(Nullinstrument). Hierfür gilt die Beziehung [aus Gleichung (2) und (3)1 K. 2 y
2K'. h K 2 y x2 x 2K' h (6) Daß in den erhaltenen Ergebnissen auch die Höhe h vorkommt,
spielt für die Anzeige keine Rolle, da ja die Führungslinle durch y = o gekennzeichnet
ist. Der Pilot braucht daher das Flugzeug nur so zu steuern, daß der Zeigerausschlag
Null ist. Die jeweilige Flughöhe beeinflußt diese Nullanzeige nicht. c) Eine dritte
Anzeigeeinrichtung vergleicht die Feldstärkendifferenz der Strahlungen der Antennen
3 und 4 mit der Feldstärkensumme derselben Strahlungen und zeigt so einen Ausschlag,
der umgekehrt proportional zur Entfernung x ist. Hierfür gilt die Gleichung 2K'.D'.h
: 2K'.h = D' x³ x² x² .(7) Die drei Quotienten 5, 6, 7 könnten mit Hilfe von Quotientenmeßwerken
angezeigt werden. Da jedoch alle drei Quotienten gleiche Nenner besitzen, ist es
einfacher, diesen Nenner durch eine automatische Regelung des Empfängers konstant
zu halten, so daß die Quotienten unmittelbar durch den Zähler angegeben werden.
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Die Fig.8 zeigt als mögliches Ausführungsbei spiel hierfür den Niederfrequenzteil
des Empfängers. I ist eine Röhre, in deren Ausgangskreis ein Transformator 2 liegt.
Die Sekundärseite des Transformators ist mit einerAnzapfung versehen, um z. B. ein
Zehntel der an der gesamten Sekundärseite liegenden Spannung abnehmen zu können.
Die gleichgerichteten Ströme der Antennen 1 und 2 der Fig. 7, die mit den Frequenzen
f1 und 2 moduliert sind, verursachen an den Kreisen I und II durch Resonanz Spannungen
der Frequenzen /t und 2. Diese aus Kapazitäten 4 und Induktivitäten 5 bestehenden
Kreise sind mit der Anzapfung der Sekundärseite des Transformators über die Kapazitäten
3 verbunden. 6 sind Trockengleichrichter, z. B. Kupferoxyd- oder Selengleichrichter,
7 sind hochohmige Widerstände, die von großen Kapazitäten 8 überbrückt sind, um
eine genügend große Zeitkonstante zu erhalten. g und 10 sind zwei Drehspulinstrumente
zur Messung der Gleichströme, und zwar ist g ein Differentialinstrument mit einer
Mittelanzapfung, und Io ist ein Instrument mit logarithmischer Skala, d. h. mit
einer Skaleneinteilung, die nach oben hin enger wird. Man sieht sofort, daß das
In-Instrument 9 auf die Differenz der von den Kreisen I und II übertragenen Ströme
anspricht und somit zur seitlichen Führung des Flugzeuges dient. Das Instrument
10 spricht dagegen auf die Summe der gleichgerichteten Ströme an. Sein Ausschlag
ist umgekehrt proportional zur Höhe, wenn die Empfindlichkeit des Empfängers, wie
weiter unten angegeben, automatisch geregelt ist.
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Die gleichgerichteten Ströme der Antennen 3 und 4 der Fig. 7 rufen
in gleicher Weise durch Resonanz der Modulationsfrequenzen fs und f4 Spannungen
an den Kreisen III und IV hervor, welche mit dem Transformator 2 über die Kapazitäten
3' verbunden sind. Mit 4', 5', 6', 7', 8' sind gleiche Schaltelemente bezeichnet
wie vorher mit 4, 5, 6, 7, 8. Die Felder der Antennen 3 und 4 verursachen an den
Widerständen 7' Spannungen, die sich addieren. Diese Spannungen können nun zur Regelung
der Empfindlichkeit des Empfängers dienen. Der Generator I I, der den Empfänger
speist und dessen negativer Pol an Masse liegt, ist über einen Schutzwiderstand
12 an eine Neonröhre I3 angeschlossen, die dazu dient, die Spannung am Potentiometer
14 konstant zu halten. Vom Potentiometer 14 wird eine regelbare Gegenspannung abgegriffen.
Die ganze Anordnung wird durch einen Gleichrichter 15, den Hochohmwiderstand
I7
und die Parallelkapazität I6 vervollständigt. Man erkennt leicht, daß sich, sobald
die Summe der Spannungen an den Widerständen 7' größer ist als die durch das Potentiometer
14 gelieferte Spannung, ein Strom durch den Gleichrichter I5 fließt, der an der
Leitung8 eine negative Spannung hervorruft. Diese negative Spannung wird direkt
an die Gitter von Verstärkerröhren (nicht gezeichnet) des Empfängers geführt und
verursacht eine Regelung, deren Größe am Potentiometer 14 einstellbar ist. Man sieht
schließlich, daß das Instrument 19, dessen Skala logarithmisch geteilt sein soll,
von der Differenz der gleichgerichteten Ströme der Kreise III und IV durchflossen
wird. Seine Anzeige ist daher proportional dem Abstand des Empfängers von den Antennen
3 und 4.
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Der Schalter 20 dient dazu, die Empfindlichkeit der Anzeige der Instrumente
9 und 10 zu ändern, die zur Anzeige der seitlichen Führung und der Höhe dienen.
Ist der Schalter 20 in der Stellung b, so ist die über die Kreise III, IV am Widerstand
17 erzeugte Regelspannung zehnmal größer als in der Stellung a, d. h. die Empfindlichkeit
des Empfängers ist zehnmal kleiner. Bei Beginn der Landung (großer Abstand, große
Höhe) legt man den Schalter 20 in die Stellung a und vergrößert die Empfindlichkeit
der Instrumente 9 und 10. Die die Instrumente 9 und 10 durchfließenden Ströme sind
proportional DIh und ylh [Gleichung (5) und (6)], d. h. sie vergrößern sich rasch
in dem Maße, in dem das Flugzeug an Höhe verliert. Wird nun der Schalter 20 nach
b umgelegt, so wird die Empfindlichkeit zehnmal kleiner, und man liest auf einer
neuen Skala ab. Wenn z. B. die Empfangsantenne 5 m über dem tiefsten Punkt des Flugzeuges
liegt, so kann man die Umschaltung bei 50 m Höhe vornehmen und hat bei einem Meßapparat,
der einen Bereich von 26 Dezibel überstreicht, zuerst eine Skala von looo bis 50
m und dann eine von 100 bis 5 m. Der Wert 5 m entspricht dann dem Fall der Bodenberührung
bei der Landung. Mit der Annäherung an den Landeplatz wächst auf diese Weise die
Empfindlichkeit und die Präzision der Höhenanzeige. Da die Instrumente umgekehrt
proportional zum Abstand und zur Höhe anzeigen, werden sie im Augenblick der Landung
vom maximalen Strom durchflossen.
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Es sei noch bemerkt, daß der Pilot mit der erfindungsgemäßen Einrichtung
einer beliebigen Kurve folgen kann, z. B. auch einer parabolischen Landelinle, wie
dies gegenwärtig meist der Fall ist.
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Es wäre noch zu erwähnen, daß die Anzeige des Instrumentes I0, welches
zur Höhenmessung dient, nicht korrekt ist, wenn sich das Flugzeug außerhalb des
von den Null linien eingeschlossenen Gebietes befindet. Die Anzeige der Höhe kann
in diesem Falle an einer Gradeinteilung des Instrumentes g abgelesen werden. Wenn
nämlich y größer ist als D/2, dann ist die Differenz der Felder der Antennen I und
2 durch die Gleichung
gegeben (vgl. in Fig. 4 den horizontal verlaufenden Teil des Diagramms), mit anderen
Worten, die Differenz der Ströme im Instrument 9 ist dann gleich der Summe der Ströme,
die durch das Instrument 10 fließen würden -(vgl. den horizontal verlaufenden Teil
des Diagramms in Fig. 3), wenn sich das Flugzeug innerhalb der Nullinien befindet.
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Das kann bei Beginn der Landung von Interesse sein, da dann der Pilot
meist noch nicht genau auf der Landungslinie ist.
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Die einwandfreie Wirkungsweise der geschilderten Anordnung hängt
von der genauen automatischen Empfangs regelung ab. Zur Kontrolle der Regelspannung
kann man diese dem Empfänger über ein Relais zuführen.
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Das Relais besteht z. B. aus einem sichtbaren Meldezeichen, das auf
einer Drehspule montiert ist. Man kann dieses Instrument ebenfalls als Differentialinstrument
2I ausbilden und es gemäß Fig. g zwischen das Instrument 19 und die Widerstände
7' einschalten.
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Die Anzeigeeinrichtungen nach Fig. 8 wird man vorteilhaft in einem
gemeinsamen Kasten unterbringen, wie dies Fig. 10 zeigt. Die Vorderplatte des Kastens
trägt die verschiedenen Anzeigeinstrumente.
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Es sind natürlich noch verschiedene weitere Ausführungsformen des
Erfindungsgedankens möglich, die sowohl bezüglich des Senders als auch des Empfängers
im Rahmen der Erfindung von den beschriebenen abweichen.
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Die Antennen 3 und 4 können z. B. Vertikaldipole sein. Weiterhin könnte
man, anstatt die einzelnen Antennen nacheinander mit vier verschiedenen Modulationsfrequenzen
zu tasten, gleichzeitig auf vier verschiedenen Wellen und mit verschiedenen Modulationsfrequenzen
arbeiten. In diesem Fall wäre der Empfang stärker. Man könnte auch vier Wellen verschiedener
Wellenlänge aussenden, ohne sie zu modulieren. Die Wellen müssen dann sehr konstant
sein und können mit einem gemeinsamen Überlagerungsempfänger aufgenommen werden.
Die in Fig. 8 gezeigten Kreise dienen in diesem Falle als Zwischenfrequenzkreise.
Alle diese Ausführungsformen sind aber komplizierter und weniger praktisch als die
eingangs beschriebenen.