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Verfahren zur Bestimmung des Azimutwinkels eines Empfängers mit Bezug
auf einen Drehfeldsender
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung
des Azimutwinkels ß. den am Ort eiiies Empfängers die Richtung ZU einem Drehfeldsender
mit einer Bezugsrichtung einschließt, durch empfangsseitige Bestimmung der gegenseitigen
Phasenlage zweier Schwingungen.
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Es ist bekannt, zur Azimutbestimmung an Bord eines Fahrzeuges zwei
Hochfrequenzfelder zu lenutzen, die so ausgesandt sind, daß die Phase der nach der
Demodulation eines Feldes erhaltenen Schwingung richtungsunabhängig und die Phase
der nach der Demodulierung des anderen Feldes erhaltenen Schwingung richtungsabhängig
ist. während ierner die beiden Schwingungen din eienr bestimmten Richtung (Bezugsrichtung)
gleichphasig sind. Hierliei stimmt der Phasenwinkel zwischen den beiden nach der
Demodulation erhaltenen Schwingungen mit dem Azimut überein.
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Dem bekannten Verfahren haftet der nachteil ail, daß die Azimutbestimmung
nicht mit großer Genauigkeit erfolgen kann, da die sehr genaue N fessung von Phasenwinkeln
Schwierigkeiten bietet.
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Die Erfindung bezweckt, dem erwähnten Nachteil beizukommen und ein
Verfahren zu schaffen zur Bestimmung einer in einer bestimmten Ebene liegenden Richtung
mittels des Winkels B, den die zu bestimmende Richtung mit einer in dieser Ebene
liegenden
Bezugsrichtung bildet. wobei eine sehr große Genauigkeit erzielbar ist.
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Nach der Erfindung wird die durch den Drehfeldsender ausgesandte
Trägerwelle moduliert mit einer Bezugsschwingung n #, deren Frequenz ein ganzzahliges
Vielfaches (n-faches) der Frequenz der empfangsseitig aufftretenden Drehfeldmodulationsschwingung
<o ist.
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Wenn n größer ist als I, ist die Größe des Azimutwinkels fl mit sehr
großer Genauigkeit zu bestimmen, da der gegenseitigen Large der beiden Schwingungen
# und n co eine Meßgröße entnommen werden kann, die proportional zu sin n fl ist
bzw. von n ß bestimmt wird.
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Es ist bereits bekannt, die Bezugsschwingung durch Frequenzmodulation
der Trägerwelle der Drehfeldmodulationsschwingung anszusenden. Bei Anwendung der
Erfindung wird eine Vereinfachung der Apparatur ermöglicht.
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In dem die Sendervorrichtung umgebenden Raum werden bei Durchführung
der Verfahren nach der Erfindung n Sektoren gebildet, innerhalb derer der gemessene
Winkelnß sich jedesmal von o bis 2 3 Radianten ändert, und die erhaltene Meßgröße
wird somit nicht eindeutig sein.
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Um in den Fällen, in denen die Mehrdeutigkeit der Meßgröße zu Störungen
führen kann, diese Ntehrdeutigkeit zu beseitigen, wird nach der weiteren Erfindung
eine dritte Schwingung mit einer in harmonischer Beziehung mit wenigstens einer
der Schwingungen # und n # stehenden Frequenz auf dieselbe Trägerwelle aufmoduliert
derart ausgesandt, daß der gegenseitigen Lage der dritten Schwingung und der Schwingung
mit der mit ihr in harmonischer Beziehung stehenden Frequenz # oder n # eine Meßgröße
entnommen werden kann, die ein eindeutiges Maß für den Winkel ß ist.
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Die Frequenz der dritten Schwingung wird vorzugsweise die Hälfte
oder das Zweifache hzw. eine höhere Harmonische der Schwingung mit der niedrigeren
bzw. höheren Frequenz hetragen, während die Phase der dritten Schwingung sich in
gleichem Sinne wie die der Schwingung mit der Frequenz # bzw. n # mit der Richtung
ändert.
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Eing weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung
besteht darin, daß die Frequenz tier dritten Schwingung eine Unterharmonische der
Schwingung mit der niedrigeren Frequenz (3 heträgt. wobei die Phase der dritten
Schwingung richtungsunabhängig ist.
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Bei Anwendung des weiteren Verfahrens nach der Erfindung werden zwei
Anzeigen für die zu bestimmende Richtung erhalten, von denen eine mehrdeutig und
proportional zu nß ist und die andere den Winkel ß eindeutig bestimmt Durch diese
beiden Anzeige, welche die genaue Lage der zu bestimmenden Richtung in einem bestimmten
Sektor bzw. im betreffenden räumlichen Sektor angeben. wird die zu bestimmende Richtung
eindeutig festgelegt.
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Eine nähere Erklärung folgt an Hand der Zeichnungen. Entsprechende
Elemente sind in den Figuren mit gleichen Ziffern bezeichnet.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer
Sendervorrichtung zum Aussenden von senkrecht polarisierten Feldern, die zur Anwendung
des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist. Bei dieser Sendervorrichtung werden
die von einem Hochfrequenzoszillator I erzeugten Schwingungen gegebenenfalls über
einen Frequenzvervieflältiger 2 und einen Hochfrequenzverstärker 3 einem Modulator
4 und zwei Gegentaktmodulatoren 5 und 5 zugeführt, in diesen Gegentaktmodulatoren
werden die Hochfrquenzschwingungen von einer Schwingung mit der Frequenz # mit Trägerwellenunterdrückung
moduliert. Die modulierende Schwingung mit der Frequenz CO wird mittels eines Oszillators
7 erzeugt und wird einerseits über einen Verstärker 8 dem Modulator 5 und andererseits
über eine Phasenverschiehungsvorrichtung 9, die eine Phasenverschiebung von 90°
herbeiführt, udn nber einen Verstärker 10 dem Gegentaktmodulator 6 zugeführt. Eine
modulierende Schwingung mit der Frequenz n @ wird mittels eines Frequenzvervielfältigers
1 1 den vom Oszillator 7 erzeugten Schwingungen entnommen und über einen Niederfrequenzverstärker
12 dem Modulator 4 zugeführt und in diesem Modulator auf den ihm zugeführten Hochfrequenzschwingungen
anmoduliert.
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Ferner besitzt die Sendervorrichtung nach Fig. I vier senkrechte
Dipolantennen I3, 14, 15 und I6, die in den inkelpunkten eines Vierecks aufgestellt
sind und senkrecht zur Zeichtungsfläche stehen, während eine Antenne 17 im Mittelpunkt
des Vierecks angeordnet und parallet zu den übrigen Antennen ist.
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Die im Ausgangskreis des Modulators 4 auftretenden modulierten Schwingungen
werden der mittleren Antenne I7 zugeführt, während die in den Ausgangskreisen der
Modulatoren 5 und 6 auftretenden modulierten Schwingungen gegenphasig den in den
Diagonalpunkten des Vierecks liegenden Antennen 13, 15 bzw, 14, 16 zugeführt werden.
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Bei der beschriebenen Vorrichtung werden daher die in den Ecken des
Vierecks angeordneten Antennen derartig gespeist, daß die Phasenverschiebung zwischen
der Modulation der je zwei benachbarten Antennen zugeführten modulierten Schwingungen
gleich dem räumlichen Winkel von, 90° zwischen den beiden Antennen ist. Hierdurch
wird ein von der Schwingung # moduliertes Hochfrequenzfeld derart ausgestrahlt,
daß die Phase der nach der Demodulation erhaltenen Schwingung in einer Horizontalebene
richtungsabhängig ist.
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Das von der Schwingung mit der Frequenz n <o modulierte Hochfrequenzfeld,
das von der Anteme 17 ausgestrahlt wird, ist aber derart, daß die Phase der nach
der Demodulation erhaltenen Schwingung richtungsunabhängig ist.
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Mittels einer Phasenverschiebungsvorrictung I8 kann erreicht werden.
daß die gegenseitige Lage der heiden nach der Demodulation erhaltenen Schwingungen
<o und n (8) in einer bestimmten, in der erwähnten Ebene liegenden Richtung (Orientierunlgsrichtung)
festliegt und vorzugsweise derart
ist, daß diese Schwingungen pro
Periode der niedrigenern Frequenz # wenigstens einmal gleichzeitig tlurch Null gehen.
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In einer beliebigen Richtung, die mit der Bezugsrichtung einen Winkel
ß ß hildet, werden daher nach der Demodulation zwei Schwingungen erhalten, von denen
eine proportional zu sin (CO t + B) und die andere proportional zu sin n # t ist.
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Aus diesen beiden Schwingungen läßt sich auf verschiedene Weise der
zu bestimmende Winkel ;ilileiteti z. B. dadurch, daß die nach der Demodulation erhaltene
Schwingung mit der niedrigeren Frequenz n-mal in der Frequenz vervielfältigt wird.
so daß sich eine Schwingung ergibt, die sin (n # t # n ß) proportional ist. Durch
Bestimmng des Phasenwinkels zwischen der in der Frequenz vervieflältigen Schwingung
und der nach der anch der Demodulation erhaltenen Schwingung niit der höheren Frequenz,
die sin n # t proportional ist. ergibt sich eine Meßgröße die von lt fl bestimmt
wird. während bei dem bekannten Meßverfahren der Winkel ß gemessen wurde.
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Mit derselben Meßapparature wird daher ein größerer Ausschlag erzielt.
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Zwar könnte mit den bekannten Meßapparaturen beim Messen voll kleinen
Winkeln ß in bestimmten Fiillcn Itei Anwendung eines Verstärkers mit einem Verstäkungsgrad
n die gleiche Anzeige erzielt werden, aber dies bringt den Nachteil mit sich, daß
der Zeiger nach dein Durchlaufen des Winkels 360° von der Skala abläuft während
bei der Vorn richtung nach der Erfindung der Zeiger nach dem Durchlaufen des Winkes
360° n selbsttätig zum Ausgangspunkt zu rückkehrt.
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Um die Sektoren, innerhalb deren der gemessene Winkel jeweils 2 n
Radianten durchläuft, voneinaitder zu unterscheiden, läßt sich für einen oder mehrere
dieser Sektoren ein Itestimmtes Kennzeichen anwenden.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Empfangsvorrichtung, geeignet zum Empfang
von mit der Vorrichtulig nach Fig. i ausgesandten Schwingungen, ist in Fig. 2 dargestellt.
IXei dieser Empfangsvorrichtung werden tlie in einer Antenne 20 empfangenen modulierten
Schwingungen einem Hochfrequenzverstärker 21 zugeführt. der mit einer Mischstufe
22, einem Zwischenfrequenzverstärker 23 und einem Demodulator 24 in Kaskade geschaltet
ist.
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Im. Ausgangskreis des Demodulators werden zwei Schwingungen erhalten,
Von denen eine proportional zu sin (# t # ß) und die andere proportional zu sin
n # t ist t ist. Zur Ableitung des Winkels aus diesen beiden Schwingungen wird bei
der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform eine Kathodenstralllr (ihre Illit zwei
Ablenkorganen benutzt, die eine Ablenkung <les Bündels in zwii senkrecht zu-Einander
stehenden i&> Richtungen lierlieiführen, wobei den Ablenkorganen die beiden
empfangenen Schwingungen zugeführt werden. Die im Ausgangskreis des Demodulators
24 auftretende Schwingung mit der hoheren Frequenz n # wird über ein Filter 25 den
Ablenkplatten 26 und die Schwingung mit der Frequenz # über ein Filter 27 den waagerechten
Ablenkplatten 28 zugeführt. Auf diese Weise entsteht auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre
eine stillstehende Lissajoussche Figur, deren Y-Achse proportional zu sin (# t -
ß) und deren Y-Achse proportional zu sin n # t ist.
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Die Ordinate des Schnittpunktes der Lissajousschen Kurve mit der
Y-Achse, die den Augenblickswert der Schwingung mit der Frequenz n # angibt im Moment,
in dem die Schwingung dieser Frequenz # durch Null geht, ergibt eine Meßgröße, die
sin n ß proportional und daher ein Maß für den Winkel # ist. Wenn X = A sin (# t
- ß) = o, so ist auch sin n (# t - ß) = o, cos (# t - Ä = I und cos n (co t - =
1, woraus folgt, daß = = B sin n # t = B sin (n # t - n ß fl n n ß) = B sin n (co
t - fl) cos n ß + cos n (# t - 8) sin n fl = B sin n B.
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Stellt man die Apparatur so ein, daß B = I ist, so ist die Ordinate
des Schnittpunktes der Lissajousschen Kurve mit der Y-Achse ein direktes Maß für
den Winkeln B.
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In der Bezugsrichtung, in der die beiden Schwingungen # und n # gleichzeitig
durch Null gehen, ist sin n ß = o und ß = o. Für ß = 90°n ist der Höchstwert der
Meßgröße errreicht, worauf die Meßgröße bei Zunahme von fl bis auf einen Mindestwert
abnimmt und darauf bei ß = wieder den in der Bezugsrichtung auftretenden Wert o
erreicht, so daß die Vorrichtung selbsttätig zum Ausgangspunkt zurückkehrt, was
sich jedesmal bei Zunabmer von ß mit 360°/n wiederholt.
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Wenn beim Verfahren nach der Erfindung ein hoher Faktor n angewendet
wird, wird bereits beim Bestimmen von Richtungen, die einen kleinen Winkel ß mit
der Bezugsrichtung einschließen, ein angemessener Ausschlag erhalten, so daß der
Winkel mit großer Genauigkeit bestimmt werden kann.
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Bei einer Empfangsvorrichtung nach der Erfindung wird vorzugsweise
eine selbsttätige Lautstärkeregelung oder ein Begrenzer verwendet, um eine von den
Amplituden der beiden Schwingungen # und n # unabhängigen Anzeigen zu erhalten.
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In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
einer Sendervorrichtung, die zur Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet
ist. Bei dieser Sendervorrichtung werden von einem Hochfrequenzoszillator I Hochfrequenzschwingungen
erzeugt, die gegebenenfalls über einen Frequenzvervielfältiger 2 und einen Hochfrequenzverstärker
3 einem Modulator 4 und zwei Gegentaktmodulatoren 5 und 6 zugeführt
werden;
in diesen Gegentaktmodulatoren werden die Hochfrequenzschwingungen von zwei Schwingungen
mit in harmonischer Beziehung stehenden Frequenzen # <,i und 2 2 # mit Trägerwellenunterdrückung
moduliert. I) ie modulierende Schwingung mit der Frequenz # wird mittels eines Osziilators
7 erzeugt und wird einerseits über einen Verstärker 8 dem Modulator 5 und andererseits
über eine phasenverschiebungsvorrichtung 9, die eine Phasenverschiebung von 900
herbeigeführt, und über einen Verstärker 10 dem Gegentaktmodulator 6 zugeführt.
l)ie modulierende Schwingung mit der Frequenz 2 # wird mittels eines Frequenzverdopplers
11' den von Oszillator 7 erzeugten Schwingungen entnommen und einerseits über den
Niederfrequenzverstärker 8 dem Modulator 5 und andererseits über eine Phasenverschiebungsvorrichtung
18' unti den Niederfrequenzverstärker 10 dem Modultor 6 zugeführt. Eine modulierende
Schwiiigung mit der Frequenz n # wird mittels eines Frequenzvervielfältiger 11 den
vom Oszillator 7 erzeugt lot Schwingungen entnommen und einerseits über einen Verstärker
12 dem Modulator 4 zugeführt und in diesem Modulator auf den ihm zugeführten Hochfrequenzschwingungen
aufmoduliert.
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Ferner bersitzt die Bakenvorrichtung nach Fig. 3 vier senkrechte
Dipolantennen 13. 14. I, und 16, die in den Eckpunkten eines Vierecks angeordnet
sind und senkrecht zur Zeichnungsfläche stehen, während eine. Antenne 17 im Mittelpunkt
des Vierecks angebracht und parallel zu den übrigen Antennen ist.
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Die im .\usgangskreis des Modulators 4 auftretenden Schwingungen
werden der mittleren Antenne 17 zugeführt, während die in den Ausgangskreisen der
Modulatoren 5 und 6 auftretenden Schwingungen den in den Diagonalpunkten des Vierecks
liegenden Antennen 15. 13 bzw.14, 16 gegenphasig zugeführt werden.
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Bei tier beschriebenen Vorrichtung werden daher die in den Eckpunkten
des Vierecks angebrachten Antennen ei tierart gesperist, daß die Phasenverschiebungen
zwischen der Modulation der je zwei benachbarten Antennen zugeführten modulierten
Schwingungen gleich dem räumlichen Winkel von 90 zwischen den beiden Antennen ist.
Hierdurch wird ein von den Schwingungen # und 2 # moduliertes Hochfrequenzfeld derart
ausgestrahlt, daß die Phase der nahch der Demodulation erhaltenen Schwingungen je
richtungsabhängig ist. Die 1 @hasenverscheibungsvorrichtungen 9 und t8' sind tierart
eingestellt, daß der Strom in den Antennen 13. 15 für die beiden Schwingungen #
und 2 gegenüber dem in den übrigen Antennen voreilt hzw. nacheilt. so daß die Phasen
der Modulactonen # und 2 # sich in gleichem Sinne mit der Richtung ändern.
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Das von der Schwingung mit der Frequenz n # modulierte l-Iochfrequenzfeld,
das von der Antenne 17 ausgestrahlt wird, ist derart, daß die Phase tier nach der
Demodulation erhaltenen Schwingung richtungsunabhängig ist.
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Mittels Phasenverschiebungsvorrichtung Ig kann erreicht werden, daß
die gegenseitige Lage der drei nach der Demodulation erhaltenen Schwingungen n,.
n # und 2 <,> # in in einer bestimmten Richtung (Orientierungsrichtung) festliegt
und vorzugsweise derart ist, daß die drei Schwingungen wenigstens einmal pro Periode
der Schwingung mit der niedrigsten Frequenz gleichzeitig durch Null gehen.
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In einer beliebigen Richtung, die mit der Bezugsrichtung einen Winkel
h einschließt. werden daher nach der Demodulation drei Schwingungen erhalten, von
denen eine proportional zu sin (# t->l), die zweite proportional zu sin n # t
und die dritte proportional zu sin (2 # t ß) ist.
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Nach der Erfindung wird sowohl aus den Schwingungen sin (# t - ß)
und sin n # t als auch aus den Schwingungen silo (# t t - ß) und sin (2 # t - ß)
der zu bestimmende Winkel abgeleitet.
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Aus den Schwingungen silo (# t - ß) und sin n o) t kann, wie es schon
im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde, der zu bestimmende Winkel dadurch
abgeleitet werden. daß die nach der Demodulation erhaltene Schwingung mit der niedrigeren
Frequenz n-mal in der Frequenz vervielfältigt wird, so daß sich eine Schwingung
ergibt, die proportional zu sin (n # t - n ß) ist.
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Durch Restimmung des Phawenwinkels zwischen der in der Frequenz vervielfältigten
Schwingung und der nach der Demodulation erhaltenen Schwingung mit der höheren Frequenz,
die proportional zu sin n 11 # t ist. ergibt sich eine Aleßlgröße, die von n ß ß
bedingt wird.
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In entsprechender Weise kann aus den sin (# t = ß) und sin (2 # t
- ß) proportionalen Schwingungen eine Meßgröße abgeleitet werden, die von (n - t)
ß = ß ß bestimmt wird, da in diesem Falle n = 2.
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Mit einer geringen Erweiterung der Sendeapparatur, und zwar durch
Anbringung der Vorrichtung 11' und 18'. wird daher die Mehrdeutigkeit der durch
die Nussendung der Schwingung gen # und n # erhaltene genauen Auzeigen völlig beseitigt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung geeignet zum Empfang der
mit einer Vorrichtung nach Fig. 3 übertragenen Schwingungen ist in Fig. 4 dargestellt.
Bei dieser Vorrichtung werden die in einer Antenne 20 empfangenen modulierten Schwingungen
einem Hochfrequenzverstärker 21 zugeführt, der mit einer Mischstufe 22, einem Zwischenfrequenzverstärker
23 und einem Demodu-Faktor 24 in Kaskade geschaltet ist. In den Ausgangskreisen
des Demodulators liegen drei Filter 27, 25 und 30, die auf die Frequenzen # und
n # bzw. 2 # abgestimmt sind.
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Zur Ableitung des Winkels ß aus den Schwingungen # und n # wird die
Schwingung mit der niedrigeren Frequenz über einen Frequenzvervielfältiger 3I und
einen Schalter 32 und die Schwingung mit der Frequenz 11 n # über einen Schalter
33 einem Phasenmesser 34 zugeführt, der den Phasenwinkel n ß zwischen der n-mal
in der Frequenz
vervielfältigten Schwingung mit der niedrigeren
Frequenz und der Schwingung mit gleicher Frequenz n # bestimmt. In der anderen Stellung
der Schalter 32 und d 33 wird die Schwingung mit der Frequenz t,t über einen Frequenzverdoppler-
35 und die Schwingung mit der Frequenz 2 # unmittelbar dem Phasenmesser 34 zugeführt.
In dieser Stellung ist der Phasenwinkel zwischen den dem Phasenmesser zugeführten
Schwingungen gleich ß, wodurch die zu bestimmende Richtung eindeutig festliegt.
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Es ist klar, daß, um eine n ß bzw. ß proportionale Meßgröße der gegenseitigen
Lage der im Empfitiger nach der Demodulation erhaltenen Schwingungen mit den Frequenzen
# une n # bzw. # und 2 # zu entnehmen, auch eine andere Vorrichtung als in Fig.
2 angegeben anwendbar ist. Es ist z. B. eine Kathodenstrahlröhre mit zwei senkrecht
zueinander angebrachten Ablenkvorrichtunggen verwendbar, denen die im iXusgangskreis
des Demodulator 24 auftretenden Schwingungen # un n # bzw. # und 2 # zugeführt werden.
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Die jetzt beschriebene Empfangsvorrichtung ist nicht nut zum Empfagn
der mit der Vorrichtung nach Fig. 3 ausgesangten Schwingungen verwendl)ar, sondern
eignet sich grundsätzlich zum Empfang sämtlicher Sendervorrichtungen, die beim Verfahren
nach der Erfindung anwendbar sind, Es ist dabei nur erforderlich. daß die im Ausgangskreis
des 1 Demodulators 24 liegenden Filter auf die drei vom Sender übertragene Schwingungen
abgestimmt sind.
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Gewünschtenfalls kann die dritte Schwingung auch mit einer richtungsunabhängigen
Phase vom Bakensender übertragen werden; in diesem Falle ist die Antenne 17 sowohl
zum Aussenden der Schwingung mit der Frequenz n # als auch der dritten Schwingung
anwendbar. Die Frequenz der dritten Schwingung kann in diesem Falle eine Unterharmonische
der Schwingung mit der niedrigeren Frequenz # sein. da aus der gegenseitigen Lage
zweier Schwingungen mit richtungsabhängiger bzw. richtungsunabhängier Phase eine
Meßgröße erhalteit wird. die ein eindeutiges Maß für den Winkel ß ist, wenn die
Phase der Schwingung mit der niderigeren der in harmonischer Beziehung stehenden
Frequenzen richtungsunabhängig ist.
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P A # N TA N S P R Cii E. l. Verfallrell zur Bestimmung des Azimutwinkels
ß, den am Ort eines Empfängers die Richtung zu einem Drehfeldsender mit einer Bezugsrichtung
einschließt. durch empfangsseitige Bestimmung der gegenseitigen Phasenlage zweier
Schwingungen dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehfeldmodulationsschwingung und
eine Bezugsschwingung als Ampl itudenmodulierung derselben Trägerwelle ausgesandt
werden. wobei die Frequenz der Bezugsschwingung (>i #) ein ganzzahliges Vielfaches
(n-faches) der Frequenz der Drehfeldmodulationsschwingung (#) ist, und der Empfänger
eingerichtet ist zur frequenzmäßigen Trennung der nach Detektion erhaltenen Modulationsschwingungen
mit verschiedenen, in einem ganzzahligen Verhältnis stehenden Frequenzen, welche
Schwingungen mit oder ohne vorherige Frequenzvervielfachung der Schwingung mit der
niedrigeren Frequenz mit einem Faktor (n), einem zur Bestimmung ihrer gegenseitigen
Phasenlage, und zwar bezogen auf die höhere Frequenz, dienenden Phasenmesser zugeführt
werden.