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Verfahren zur Phasenregelung räumlich weit entfernter zusammenarbeitender
Sender unter Berucksichtigung von Laufzeits chwankungen
Bei verschiedenen Verfahren
der Funktechnik, z. B. bei der Hyperbelnavigation oder beim Gleichwellenrundfunk,
besteht die Aufgabe, die Phasenverschiebung zwischen den Schwingungen zweier oder
mehrerer Sender, deren räumlicher Abstand in der Größenordnung von Ioo km liegen
kann, vorzugsweise in der Mitte zwischen zwei Sendern konstant oder wenigstens ihre
Änderungsgeschwindigkeit unter einem bestimmten Wert zu halten.
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Für die folgenden Betrachtungen ist es gleichgültig, ob die beiden
Sender Schwingungen derselben Frequenz ausstrahlen oder ob ihre Frequenzen verschiedene
Vielfache einer gemeinsamen Grundfrequenz sind. In diesem Fall wird die Phasenverschiebung
zwischen beiden Schwingungen durch Vergleich zweier Vergleichs schwingungen gleidher
Frequenz bestimmt, die durch Frequenzvervielfachung oder -teilung aus den ausgestrahlten
Schwingungen gewonnen werden.
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Solange die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen zwischen den
Sendern konstant ist, kann man die gewünschte Phasen- und Frequenzbeziehung dadurch
aufrechtethalten, daß man die Schwingung des einen Senders, des Muttersenders, in
der Nähe des zweiten, des Tochtersenders, empfängt und - falls nötig nach entsprechender
Umformung der Frequenz - mit der Schwingung des Tochtersenders vergleicht. Entsprechend
der
gemessenen Phasenverschiebung wird die Phase bzw. Frequenz des
Tochtersenders so geregelt, daß die an der Empfangsstelle gemessene Phasenverschiebung
konstant bleibt. Unter der Voraussetzung gleichbleibender Ausbreitungsverhältnisse
zwischen Mutter- und Tochtersender und unter Voraussetzung konstanter Frequenz des
Muttersenders erhält man nicht nur beim Kontrollempfänger in der Nähe des Tochtersenders,
beim »Tochterempfänger«, sondern an allen Punkten zwischen Mutter- und Tochtersender
konstante Phasenbeziehungen zwischen Mutter- und Tochterfrequenz. Auch an einer
in der Nähe des Muttersenders befindlichen Empfangsstelle, im »Mutterempfänger«,
würde man eine konstante Phasenverschiebung messen. Diese Verhältnisse sind in Abb.
I veranschaulicht. Bei M stehe der Muttersender und -empfänger, bei T der Tochtersender
und -empfänger. Die Vergleichsfrequenz bzw. ihre durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
zwischen M und T bedingte Wellenlänge Ä ist in Abb. I so groß gewählt, daß die Entfernung
zwischen M und T gerade dreimal so groß ist wie diese Vergleichswellenlänge. Schwingen
die Sender M und T im gleichen Takt, so wird man sowohl bei M als auch bei T die
Phasenverschiebung oO (bzw.
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3600) messen. Auf der Strecke zwischen M und T ist die Größe der Phasenverschiebung
durch die eingezeichnete Sägezahukurve gegeben. In Wirklichkeit kann die Entfernung
MT im Verhältnis zur Vergleichswellenlänge erheblich größer sein, als in Abb. I
angenommen wurde. Bei der deutschen Decca-Navigator-Kette ist sie z. B. zweihundertmal
so groß wie die Wellenlänge.
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Ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit zwischen MT und wird
die Phasenverschiebung nach wie vor bei T konstant gehalten, so ergeben sich die
in Abb. 2 dargestellten Verhältnisse, wobei eine Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit
um 1/25 angenommen wurde. Eine derartig große Änderung tritt in Wirklichkeit nicht
auf; sie ist hier nur angenommen, um die Bilder deutlicher zu machen. Während die
Phasenverschiebung voraussetzungsgemäß bei T Null geblieben ist, hat sie nunmehr
bei M den Wert 3600 t8/2o = 2700, in der Mitte zwischen M und T den Wert 3600 2V24
= 3I5°. Gerade in der Mitte zwischen M und T soll aber sowohl bei der Hyperbelnavigation
als auch beim Gleichwellenrundfunk die Phasenverschiebung möglichst klein bleiben,
während in der Nähe von M und T Phasenänderungen von geringerer Bedeutung sind.
Im Fall der deutschen Deccå-Navigator-Kette würde wegen des größeren Senderabstandes
bereits eine Änderung von 3 200. 25 0,0601, der Ausbreitungsgeschwindigkeit die
gleichen Phasenverschiebungen wie in Abb. 2 bewirken.
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Um die unerwünschte Phasenverschiebung in der Mitte zwischen M und
T zu vermeiden, kann man die kontrollierende Empfangsstelle statt bei T in der Mitte
zwischen M und T aufstellen und von dort aus die Phase des Tochtersenders regeln.
Derartige Verfahren sind bereits bekannt. Man erhält dann die Verhältnisse von Abb.
3. Bei M ergäbe sich eine Phasenverschiebung von 3ist, bei T von 450, während sie
in der Mitte genau Null, in dem ganzen mittleren Gebiet veihältnismäßig klein bliebe.
Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, daß außer den beiden Sendestationen noch
eine von beiden weit entfernte (100km im Falle der deutschen Decca-Navigator-Kette)
Kontrollstation zu errichten ist, von der aus die Regelströme über Leitungen oder
besondere Funkverbindungen zum Tochtersender zu übertragen waren.
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Erfindungsgemäß wird ein Mutter- und ein Tochterempfänger bei M bzw.
T zur Regelung. verwendet. Die an diesen Stellen gleichzeitig gemessenen Phasenverschiebungen
werden mit Hilfe einer Steuerverbindung zwischen M und T an einem Sender oder an
beiden Sendern so eingestellt, daß sie zusammen die ursprünglichen Phasenverschiebungen
ergeben. Es muß sich also z. B. die Phasenverschiebung beim Tochtersender-um den
gleichen Betrag vergrößern, um den sie sich beim Muttersender verkleinert (Phasensymmetrierung).
Dann bleibt die Phasenverschiebung in der Mitte zwischen beiden Sendern unverändert.
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Man kann aber auch ohne eine Steuerverbindung zwischen M und T die
gewünschte Wirkung erzielen, wenn man nicht nur durch den Tochterempfänger die Phasenverschiebung
der Tochterfrequenz auf einem bestimmten Wert, z. B. Null, hält, wodurch auch die
Frequenz des Tochtersenders in ständige Ubereinstimmung mit der Mutterfrequenz gebracht
wird, sondern auch durch den Mutterempfänger die Frequenz des Muttersenders so lange
verändert, bis die ursprünglich vorhandene Phasenverschiebung zwischen Mutter- und
Tochterfrequenz bei M wieder hergestellt ist (Frequenznachstimmung) .
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Bei den in Abb. 4 gewählten Vorzeichen der Phasenverschiebung muß
mit wachsender Phasenverschiebung auch die Frequenz des Muttersenders zunehmen,
damit der Regelvorgang stabil ist. In Abb. 4a sind wieder dieselben Verhältnisse
wie in Abb. I zugrunde gelegt. Es wird nun angenommen, daß eine Verringerung der
Ausbreitungsgeschwindigkeit v, wie sie schon bei Abb. 2 vorausgesetzt wurde, nicht
sprunghaft einsetzt, sondern allmählich verläuft. Denken wir uns deshalb die Ausbreitungsgeschwindigkeit
zunächst nur um einen kleinen Betrag von v auf v' erniedrigt. Dann ergibt sich beim
Mutterempfänger eine kleine Phasenverschiebung zlf (Abb. 4b). Wird diese Phasenverschiebung
dazu ausgenutzt, um die Frequenz des Muttersenders entsprechend von f auf f zu erniedrigen,
so werden gemäß Abb. 4 c die ursprünglichen Phasenverhältnisse wieder hergestellt,
wenn die Bedingung f 2 = v erfüllt ist. Man erhält dieselbe Wellenlänge wie vorher
bei geänderter Ausbreitungsgeschwindigkeit und Frequenz. Unter der Voraussetzung,
daß dieser Regelvorgang der Anderung von v trägheitslos folge, lassen sich beliebige
Anderungen von v ausgleichen. Unabhängig von dem Regelvorgang bei M bleibt der Regelvorgang
der
Phase bei T erhalten. Dadurch wird die Frequenz des Tochtersenders
immer in Übereinstimmung mit der des Muttersenders gebracht. Setzt man voraus, daß
sich die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit nicht auf die Verbindungslinie
zwischen M und T beschränkt, sondern über das ganze zu betrachtende Gebiet, z. B.
über das ganze Hyperbelfeld eines Navigationsgebietes, erstreckt, so erreicht man
durch diese Maßnahme, daß trotz der Aushreitungsgeschwindigkeitsänderung die Lage
der Hyperbeln im ganzen Gebiet unverändert bleibt. Das einzige, was sich ändert,
ist die Sendefrequenz; doch ist diese Änderung bei den praktisch vorkommenden Änderungen
der Ausbreitungsgeschwindigkeit gegenüber der Selektivität des Empfängers zu vernachlässigen.
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Die bisher betrachteten Phasenänderungen brauchen nicht notwendigerweise
die Folge einer Geschwindigkeitsänderung der sich zwischen M und T ausbreitenden
drahtlosen Wellen zu sein. Sie können auch ihre Ursache in Wegänderungen durch Brechungserscheinungen
in der Troposphäre oder durch Reflexionen an der Ionosphäre haben. Alle diese Erscheinungen
lassen sich bezüglich der Phasenunterschiede bei M und T als Folge einer geänderten
effektiven Ausbreitungsgeschwindigkeit oder effektiven Wellenlänge deuten. Wird
nach dem Verfahren gemäß der Erfindung die symmetrische Phasenverteilung wiederhergestellt
und sind auch die-störenden Ursachen zur Symmetrieachse von MT symmetrisch verteilt,
hat z. B. die Ionosphäre in dem ganzen Navigationsgebiet gleiche Höhe, so ergeben
sich auch außerhalb der Verbindungslinie MT in der Nähe der Symmetrieachse die ursprünglichen
Verhältnisse.
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Besteht das Navigations- oder Gleichwellensystem aus mehr als zwei
Sendern, so kann insbesondere dann, wenn es sich über einen sehr großen und geographisch
inhomogenen Raum erstreckt, die effektive Wellenlänge bezüglich der einzelnen Senderpaare
verschieden sein. In diesem Fall ist entweder die Frequenznachstimmung in Verbindung
mit einer Mittelwertbildung oder die Phasensymmetrierung anzuwenden. Die Mittelwertbildung
kann derart erfolgen, daß die Frequenzänderung des Muttersenders nicht nach einer
einzigen am Mutterempfänger gemessenen Phasenverschiebung allein erfolgt, sondern
daß alle Phasenverschiebungen zwischen Mutterfrequenz und den einzelnen Tochterfrequenzen
berücksichtigt werden, und zwar derart, daß z. B. ihr geometrisches Mittel möglichst
klein bleibt.
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Schließlich kann man im Fall mehrerer Sender Phasensymmetrierung
und Frequenznachstimmung derart miteinander vereinigen, daß sowohl die günstigste
Frequenz eingestellt wird, bei der die Änderungen der Phasenunterschiede zwischen
dem Muttersender und den einzelnen Tochtersendern möglichst klein bleiben, als auch
die Phase der Tochtersender so eingestellt wird, daß sich die Phasenverteilung in
der Mitte zwischen dem Muttersender und den Tochtersendern nicht ändert. Abb. 5
zeigt ein Beispiel für dieses Verfahren. Es sind insgesamt drei Tochterstationen
Tt, T2 und Ts angenommen, die von der Mutterstation M alle den gleichen Abstand
von 3 2 haben. Durch eine Ausbreitungsstörung, die sich im Bereich der drei Tochtersender
verschieden auswirken möge, entstehen die effektiven Wellenlängen Ä1, 22 und %,
für die folgende Werte angenommen werden: Ä1 = 24 Ä/25, 22 = 23 425, 23 = 22 425.
Abb. 5 a zeigt die ungestörte Phasenverteilung, die unter den getroffenen Voraussetzungen
für die drei Tochtersender zunächst gleich ist. Abb. 5 b zeigt die Phasenverteilung
nach der Störung, wobei zunächst die Phasenverschiebung an Orte der Tochtersender
konstant gehalten wurde. Abb. 5 c gibt die Verhältnisse wieder, nachdem die Frequenz
auf f' = 23 t/25 erniedrigt wurde. Man erhält nunmehr die Wellenlängen Aç' = 24
Ä/23, 22 = 22 = 22 i/23. Gleichzeitig sind die restlichen Phasenverschiebungen so
eingestellt, daß Idie Summe ihrer bei M und T1 bzw. T2 und T5 gemessenen Werte jeweils
den ursprünglichen Wert ergibt. In Abb. 5 ist deutlich zu erkennen, um wieviel geringer
die Abweichungen durch die Regelung besonders im Gebiet der Symmetrieachsen geworden
sind.