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Verfahren zur gegenseitigen Fntfernungsrnessunq zwischen zwei Stationen
auf drahtlosen Wege
In der Navigationstechnik, insbesondere im Flugverkehr, tritt
oft das Problem auf, laufend die Entfernung zwischen einem stationären Ort und einem
Fahrzeug (Flugzeug) oder zwischen zwei Fahrzeugen zu bestimmen, wobei es wesentlich
ist, daß die Entfernungsanzeige eine gegenseitige ist. Als Entfernungsmeßverfahren
unterstellt die vorliegende Erfindung ein solches, welches auf der Laufzeitmessung
hochfrequenter Schwingungen beruht. Hierzu ist am Meßort eine kombinierte Sende-Empfangs-Station
erforderlich, und es wird beispielsweise eine der hochfrequenten Schwingung aufgedrückte
Modulationsfrequenz nach Demodulation der am Sendeort nach Zurücklegung der doppelten
Meßentfernung wieder empfangenen Schwingung mit der Ursprungsmodulationsfrequenz
hinsichtlich der Phasenlage verglichen; die Modulationsfrequenz wird so gewählt,
daß die Phasenmessung unter Zugrundelegung der größten noch zu messenden Entfernung
eindeutig bleibt.
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Die obenerwähnte Forderung nach Gewährleistung der Abstandsmessung
an beiden Enden der Meßstrecke ließe sich unter dem Gesichtspunkt geringsten Aufwandes
durch folgende Anordnung erfüllen. Beide Meßstellen, die ihren gegenseitigen Abstand
kennen wollen, sind in gleicher Weise aufgebaut und mit je einem Sender S, Empfänger
E, Niederfrequenzgenerator G, Modulator M und Phasenmesser Ph ausgerüstet (s. Abb.
I). Die vom Generator G gelieferte Niederfrequenz, die beispielsweise für Entfernungen
bis
50 km 3000 Hz betragen möge, dient auf beiden Seiten entweder zur Modulation von
S oder als Vergleichsfrequenz zur Speisung des einen Meßsystems des Phasenmessers.
Diese Anordnung ermöglicht die gewünschte Entfernungsbestimmung sowohl in Station
I wie in Station II, jedoch nur wechselweise, indem verabredungsgemäß jeweils eine
Anlage als Meßstation, die andere als Relaisstation arbeitet (Schalter U).
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Will man von dieser Einschränkung frei sein und die Möglichkeit haben,
eine fortlaufende beiderseitige und gleichzeitige Anzeige zu erhalten, so könnte
man gemäß Abb. I wie folgt verfahren. Nur eine Station ist Meßstation, die andere
Relaisstation. In der Relaisstation, beispielsweise II, mit Stellung von U auf I,
wird gleichfalls die Phasenlage der als Modulation übertragenen Schwingung (30 o
o) bestimmt, und zwar in bezug auf die gleiche Frequenz des- örtlichen Generators
G2. Es ist nun ohne weiteres ersichtlich, daß die Genauigkeit der Messung in diesem
Falle unmittelbar von der relativen Konstanz der beiden Modulationsfrequenzen abhängt.
Zur Einhaltung dieser Konstanz wäre jedoch ein Aufwand erforderlich, der in ortsbeweglichen
Stationen, wie Fahrzeugen und Flugzeugen, meist nicht tragbar ist.
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Es ist des weiteren bekannt, daß sich mit Hilfe einer sogenannten
Laufzeitrückkopplung eine Entfernungsmessung durchführen läßt. Bei einem derartigen
Verfahren ist die Periode der sich einstellenden Modulationsfrequenz ein Maß für
die unbekannte Entfernung. Ist d diese unbekannte Entfernung und c die Geschwindigkeit
der Wellenausbreitung, so beträgt die Periode T = 4, also die Frequenz f = Gd.
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Die Absolutmessung dieser Frequenz in beiden Stationen ist mit einfachen
Mitteln möglich; das Verfahren wäre somit geeignet für den Fall, daß beide Stationen
jederzeit unabhängig voneinander den gegenseitigen Abstand feststellen wollen. Die
genaue Messung einer Frequenz, die je nach dem zu überstreichenden Entfernungsmeßbereich
unter Umständen beträchtlich schwanken kann, ist jedoch schwierig bzw. unbequem,
falls eine ständige und unmittelbare Entfernungsanzeige gefordert wird. Außerdem
ist der Schwingungsvorgang, der durch Rückkopplung angeregt wird, nicht eindeutig
definiert, da für die Anfachung des Schwingungsvorganges keineswegs die optimalen
Phasenbedingungen vorzuliegen brauchen.
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Für die praktische Brauchbarkeit hat daher dasjenige Verfahren zur
Entfernungsmessung größere Bedeutung, von dem vorher die Rede war, das also auf
einer Phasenmessung beruht. Ein solcher Phasenvergleich zweier Wechselspannungen
läßt sich hinreichend zuverlässig, genau und bequem durchführen.
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Um jedoch die Schwierigkeit zu umgehen, welche die Frequenzkonstanthaltung
der Modulationsgeneratoren in den beiden Stationen ergeben würde, wird gemäß der
Erfindung in der Weise verfahren, daß die Spannungen der beiden Generatoren eine
unterschiedliche Frequenz aufweisen, daß ferner in jeder Station die beiden unterschiedlichen
Frequenzen miteinander gemischt werden und die dadurch entstehende Differenzfrequenzspannung
mit der jeweils in der Gegenstation gebildeten Spannung, die als zusätzliche Modulation
übertragen wird, in bezug auf ihre relative Phasenlage verglichen wird. Durch diese
Maßnahmen wird, wie aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht, erreicht, daß
es auf die Phasen- oder Frequenzkonstanz der Generatoren, welche die zu vergleichenden
Wechselspannungen liefern, nicht mehr ankommt.
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Sodann ermöglicht die Umwandlung der Meßspannung in eine niedrige
Frequenz die Verwendung einfacher und billiger Phasenmesser.
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Die Erfindung sei an Hand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
In Abb. 2 sind die beiden entfernten Stationen, die beispielsweise in je einem Flugzeug
untergebracht sein mögen, mit I und II bezeichnet. Sie stimmen hinsichtlich der
Geräteanordnung überein. Mit S ist jeweils der Sender, mit E der Empfänger bezeichnet.
Zur Vermeidung unerwünschter Rückwirkungen werden für die Übertragungswege S,-E2
bzw. S2 - E, wie üblich etwas unterschiedliche Trägerfrequenzen verwendet. Die Antennen
der beiden Stationen können Richtwirkung besitzen; die verwendete Wellenlänge ist
belanglos. Des weiteren sind an Geräten vorhanden je ein Modulationsgenerator G,
bzw. G2, je zwei Modulatoren M1, M1, bzw.
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M2, M2', ferner Frequenzweichen Tor1, Tr2 sowie Phasenmesser Ph,,
Ph2.
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Im Betriebszustand geschieht folgendes: Für die Modulationsspannungen,
deren Laufzeitverzögerung durch die zu messende Entfernung zwischen den Stationen
I, II bedingt ist, seien die beiden benachbarten Frequenzen 3000 und 3030 Hz zugrunde
gelegt.
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Damit können also Entfernungen bis zu 50 km eindeutig gemessen werden.
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Der Sender S, strahlt die Frequenz 3030 als Modulation aus. -Im Empfänger
E2 erfolgt die Rückgewinnung dieser Frequenz, die dort nach Passieren der Weiche
Tr2 dem Modulator M2 zugeführt wird, um hier mit der Frequenz 3000 des örtlichen
Generators G2 gemischt zu werden. Die entstehende Differenzschwebungsfrequenz v6n
30 Hz dient als Meßfrequenz für das eine System des Phasenmessers Ph2. Wird dem
anderen System die gleiche Frequenz mit konstanter Phase zugeführt, so wäre die
Anzeige unmittelbar ein Maß für die unbekannte Entfernung, da durch den Mischvorgang
die Phasenlage der resultierenden Schwingung genau dem Phasenunterschied der beiden
Ausgangsfrequenzen entspricht. Soweit würde die Anlage in der Wirkungsweise mit
den gebräuchlichen Anordnungen im wesentlichen übereinstimmen.
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Um nun die Erzeugung der phasenstarren Vergleichsfrequenz zu umgehen,
wird nach Maßgabe der Erfindung wie folgt vorgegangen. Auf Grund der Modulation
des Senders S2 mit der Spannung des örtlichen 3000-Hz-Generators und auf Grund der
gleichen Geräteanordnung in der Station I wird auch hier im Ausgang des Modulators
M1 die Differenzfrequenz von 30 Hz gebildet, die in bezug auf die gleiche in II
gebildete Spannung abermals um einen der Laufzeit der Hochfrequenzschwingung von
S nach E entsprechenden Betrag in der Phase verzögert ist. Sie wird einerseits dem
Phasenmesser Phl zugeführt, andererseits mit Hilfe des Modulators M der zugleich
mit dem Generator G, verbunden ist, als
zusätzliche Modulation auf
den Sender S, gegeben; in analoger Weise wird mit dem Sender S2 verfahren.
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Hierbei ist zu erwähnen, daß der Sender entweder mit beiden Niederfrequenzen
30, 3000 bzw. 3030 einzeln moduliert wird oder mit der höheren Niederfrequenz allein
(vgl. Abb. 3a und 3b), die dann ihrerseits Zwischenträger für die tiefe Frequenz
ist. Die Empfangseinrichtung müßte im ersten Falle hinter dem Gleichrichter einen
Hoch- und Tiefpaß (Frequenzweiche) zur Trennung der beiden Modulationsfrequenzen
enthalten, im zweiten Falle hinter dem Gleichrichter einen Amplitudenbegrenzer.
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Die wechselseitigen Verhältnisse in der Zusammenarbeit der beiden
Stationen lassen sich an Hand der vereinfachten Darstellung der einzelnen Übertragungskanäle
am besten übersehen (vgl. Abb. 4). Die durch den Abstand der beiden Stationen bedingten
Phasenverschiebungen, welche die Frequenzen f,, z. B.
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3030 Hz, und f2, z. B. 3000 Hz, vor ihrer Mischung aufweisen, sind
durch die Symbole #1 und #2 angedeutet. Entsprechend geringere Verzögerungen 8,
im Falle des angenommenen Frequenzunterschiedes von 1% hundertmal kleiner als die
von f, oder f2, ergeben sich für die Differenzfrequenz, deren Übertragungswege der
Übersichtlichkeit wegen getrennt gezeichnet sind. Um zu übersehen, woraus die Anzeige
des Phasenmessers resultiert, ist es zweckmäßig, zunächst die Verhältnisse beim
Misch- bzw. Überlagerungsvorgang im Zusammenhang mit Abb. 4 mathematisch zu betrachten.
Werden zur Vereinfachung die den Frequenzen f, und f2 entsprechenden Kreisfrequenzen
mit a bzw. ß bezeichnet, wobei f1 > f2 sei, so kann man im Falle der multiplikativen
Mischung schreiben: Resultierende Spannung e = E, E2 sin (a + 01) x sin fl am Ausgang
des Modulators M2; resultierende Spannung e, = E1 E2 sin a sin (ß + #2) am Ausgang
des Modulators M,.
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Oder in anderer Schreibweise und für gleiche Amplituden E1, E2: e2
= ½ # E2 cos (α - ß + #1) - cos (α + ß + #1), e1 = ½ # E2 cos (α
- ß + #2) - cos (α + ß + #2).
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Je nachdem also, ob die höhere Frequenz a oder niedrigere Frequenz
ß die Laufzeitverzögerung erfährt, weist die Differenzfrequenz α - ß eine
Nach- -eilung (+ 1) oder Voreilung ( (-#2) in bezug auf die Nullphase der Ausgangsfrequenzen
f, und f2 auf.
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Für die Phasenanzeige ist nun offenbar der Gesamtunterschied der Phasenabweichungen
der Frequenzen f,, f2 zusätzlich der anteilmäßig geringen Laufzeitverzögerung für
die jeweils zurückübertragene Differenzfrequenz maßgebend; die gemessene Entfernung
ist daher gegeben durch #1 + #2 + # bzw. #1 + #2 - # Der durch den Phasenwinkel
(3 bedingte Unterschied, der in der einen Station gegenüber der anderen gemessen
wird, kann gegebenenfalls bei der Eichung berücksichtigt werden.
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Aus der Darstellung der Abb. 4 ist zu ersehen, daß relative Änderungen
der Frequenzen f,, f2 oder ihrer Phasenlage ohne Einfluß auf die Anzeige sind. Diese
Schwankungen beeinflussen nämlich beide Systeme jedes der Phasenmesser in gleicher
Weise, kompensieren sich also.
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Es ist nicht erforderlich, daß die beiden Ursprungsfrequenzen sich
in der Größenordnung von 1%. wie im Beispiel angenommen, unterscheiden. Ein geringer
Unterschied ist aus dem Grunde zweckmäßig, weil dann die Trennung von Ursprungsfrequenz
und Differenzfrequenz die geringsten Schwierigkeiten bereitet.