EP4122078A1 - Luftfahrzeug mit drahtloser leistungsbereitstellung - Google Patents

Luftfahrzeug mit drahtloser leistungsbereitstellung

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Publication number
EP4122078A1
EP4122078A1 EP21703169.9A EP21703169A EP4122078A1 EP 4122078 A1 EP4122078 A1 EP 4122078A1 EP 21703169 A EP21703169 A EP 21703169A EP 4122078 A1 EP4122078 A1 EP 4122078A1
Authority
EP
European Patent Office
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signal
aircraft
payload
processing unit
designed
Prior art date
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Pending
Application number
EP21703169.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Daniel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Airbus Defence and Space GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Defence and Space GmbH filed Critical Airbus Defence and Space GmbH
Publication of EP4122078A1 publication Critical patent/EP4122078A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02J2105/32—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load the load networks being external to vehicles, i.e. exchanging power with vehicles for aircrafts

Definitions

  • the present description relates generally to the technical field of aviation.
  • the description relates to an aircraft to which power is wirelessly transmitted over a high-frequency link for the operation of energy consumers or payloads located on board the aircraft.
  • Aircraft free-flying or coupled to a towing vehicle or towing vehicle, can be designed to remain in the air for different periods of time.
  • a certain amount of energy is required for this, which can be taken from energy stores or provided from other sources, such as photovoltaic systems or via lines from a towing vehicle.
  • the energy is required to operate a propulsion system of the aircraft and components on board the aircraft.
  • the power requirement can fluctuate greatly, e.g. depending on the components that are present and used and also depending on the operating mode of these components.
  • Light aircraft and ultralight aircraft are characterized by a very low weight in relation to their geometric dimensions.
  • the low weight is a consequence of various properties and requirements for the design of an ultralight aircraft: Energy is provided, for example, via a photovoltaic system, so that a pre-filled energy store is not a limiting factor; an energy store with a predetermined capacity is provided in order to be able to bridge the phases without solar radiation; the structure of the ultralight aircraft is designed for low weight; there will be few and lightweight components and payloads are installed on board the ultralight aircraft.
  • Light aircraft can, for example, be used as observation systems in that they are equipped with observation devices and / or transmission devices which use electromagnetic emissions and immissions.
  • Light aircraft can also represent a node in a communication network, in particular a wireless communication network, if they are equipped with the corresponding transmission devices.
  • monitoring devices and transmission devices have an energy requirement that cannot be covered by the on-board energy storage devices and energy supplies or possibly existing external energy storage devices that are accessible to the aircraft.
  • an aircraft having a first antenna arrangement, a payload and a processing unit.
  • the first antenna arrangement is designed to receive electromagnetic signals wirelessly.
  • the processing unit is coupled to the first antenna arrangement on the one hand and to the payload on the other hand.
  • the processing unit is designed to modulate an electromagnetic signal received by the first antenna arrangement and thereby to generate a first modulated signal and to forward it to the payload.
  • the payload is designed to use the first modulated signal as a working signal.
  • the aircraft described herein can in particular be a lightweight aircraft.
  • a lightweight aircraft in connection with this description is understood to mean in particular an unmanned aircraft with a weight of less than 200 kg, preferably less than 150 kg, more preferably less than 100 kg.
  • the information about the weight relates in particular to the maximum weight during operation of the lightweight aircraft.
  • the lightweight aircraft is characterized by a wingspan of the wings over 10 m, preferably over 15 m, more preferably over 20 m. In relation to the wingspan, the weight of the lightweight aircraft is very low. A low ratio between weight in relation to the span can of course also be achieved with higher values for weight and span.
  • the aircraft can have 400 kg with a correspondingly high wingspan of over 50 m or even over 70 m.
  • Such an aircraft is of course also to be understood as a lightweight aircraft.
  • the lightweight aircraft can be designed so that it can cope with a duration of use without a stopover on the earth's surface or another flying platform over several days, for example more than 5, more than 10, or even more than 20 days up to 100 or 200 days . It is also conceivable that the lightweight aircraft accesses renewable energy sources or solar radiation in order to generate energy for operating the lightweight aircraft and thereby enable the long, uninterrupted operating time.
  • An aircraft in the sense of this description can in particular be an aircraft with the general conditions described above with regard to weight, wingspan and suitability for the flight altitude mentioned. However, an aircraft can generally be a missile, for example one that is designed to transport a load or a so-called lighter-than-air missile.
  • the lightweight aircraft has a drive unit, for example at least one propeller and prime movers coupled to it.
  • the prime movers are preferably operated electrically.
  • a fuel cell or rechargeable batteries can be provided on board the lightweight aircraft.
  • the lightweight aircraft can also have a photovoltaic system in order to provide electrical energy based on the light of the sun.
  • the drive can be reached via a towing device on the ground.
  • the lightweight aircraft can be provided and suitable in particular for flight missions in the stratosphere.
  • the stratosphere extends between 11 and 50 km above sea level.
  • the lightweight aircraft can, for example, fly in the lower third of the stratosphere, i.e. between 11 and 25 km above sea level.
  • a towed light aircraft can in particular fly between a height of slightly above 0 km to 1 km above sea level, but also up to 2 km or 3 km above sea level.
  • the weight of a lightweight aircraft is a relevant parameter and the aim is to keep the weight as low as possible. It is therefore proposed to wirelessly transmit the power for a payload from a remote station to the aircraft and convert it there into an alternating signal for further use, without converting it into a direct current signal and / or intermediate storage of the energy in an energy store.
  • An (possibly additional) energy storage device for the payload on board the aircraft can therefore be dispensed with because the power is transmitted wirelessly to the aircraft via the electromagnetic signal and is converted into a modulated alternating signal in the aircraft.
  • the modulated alternating signal can preferably be used directly in the payload as a useful signal.
  • the signal received wirelessly via the first antenna arrangement undergoes only minor changes in its shape (for example, if the wirelessly received signal is modulated, its frequency and / or its phase and / or its amplitude is changed or modulated) and is then used as a useful signal for the payload used. This change in the form of the signal is referred to here as modulation.
  • the payload can contain several processing units in which the signals are converted one after the other. However, it is just as possible for these multiple steps to be carried out in a single processing unit.
  • the processing unit is designed in such a way that it modulates or converts the electromagnetic signal received wirelessly in such a way that, after modulating or converting, it can be used directly as a working signal or useful signal in the payload. This reduces the number of components used on board the aircraft. In particular, it is possible to dispense with an energy store or intermediate energy store, which keeps the weight low in a lightweight aircraft.
  • the first antenna arrangement is arranged on the aircraft and designed to receive signals with a wavelength of a few centimeters, in particular with a wavelength of approximately 1 cm or approximately 3 cm. This signal is therefore in the range of centimeter waves or
  • an antenna whose dimensions correspond to a high multiple of the wavelength of the signal can be advantageous.
  • an antenna can be used whose diameter is at least 100 times, or at least 300 times, or at least 1000 times the wavelength of the electromagnetic signal.
  • the first antenna arrangement on the aircraft is typically smaller than the transmitting antenna and, as a rule, will hardly exceed, or at most insignificantly, the antenna size that can be determined from the physical properties of the signal transmission.
  • the first antenna arrangement can have one or more receiving antennas.
  • the first antenna arrangement can be constructed from an antenna with high gain that can be directed towards the transmitting antenna or a plurality of small individual antennas with low gain. Bundling by means of electronic phase shifters can also be used in order to combine the received electromagnetic signals in a phase-coherent manner.
  • the phase correction for individual smaller antennas can also take place in a first power modulator if each smaller antenna is assigned its own (first) power modulator.
  • the payload is preferably an electrical component, in particular an electrical consumer.
  • the electromagnetic signal is not primarily used to target the to supply electrical consumers, such as the drive, with power for its operation. Rather, the electromagnetic signal is used to provide the required RF power for the payload directly and after a modulation or transformation step in one or more power modulators to be passed directly as a useful signal (the first modulated signal) to the electrical component, where the useful signal can then be used as it is as a working signal.
  • the processing unit has at least one modulator which modulates the received electromagnetic signal, in particular changes its frequency, and forwards the modulated signal to the payload.
  • the electromagnetic signal is modulated and a work signal of the payload is generated directly as a result, the work signal does not have to be generated based on energy from an energy store.
  • the electromagnetic signal transmitted to the aircraft is not first temporarily stored in an energy store and then taken from this energy store in order to generate the work signal of the payload. Rather, the electromagnetic signal is converted by modulation in order to directly receive the working signal of the payload.
  • RADAR systems or parts thereof e.g. emitting units and / or receiving units
  • communication or electronic radio reconnaissance systems and countermeasure systems as a payload on high-flying platforms
  • high-flying platforms have a large target area.
  • objects can therefore be detected at great distances, up to the so-called RADAR horizon, which can be further away than the optical horizon.
  • these long distances require high power RADAR broadcast signals.
  • a light aircraft can achieve the required performance in the Usually only provide for a very short time, so that, in accordance with the principles described herein, another way of supplying power to the payload by means of a strongly bundled microwave signal is proposed.
  • the approach described herein of direct modulation of an electromagnetic signal to a payload transmission signal with a different frequency without power rectification to direct current can also be used for high-flying communication devices for transmitting and forwarding messages. It can also be used in a system for electronic surveillance and warfare installed on a light, high-flying aircraft.
  • the aforementioned devices can be controlled, for example, by control signals modulated onto a signal of the uplink with a very low modulation index (AM, FM, PM, PCM) and by a common control unit.
  • AM, FM, PM, PCM very low modulation index
  • the payload is a second antenna arrangement which is designed to use the first modulated signal as a payload transmission signal, or the payload is a communication system which is designed to use the first modulated signal as a carrier signal of a wireless communication link, or the Payload is a reconnaissance system which is designed to use the first modulated signal as a transmitter signal, or the payload is a data processing unit which is designed to use the first modulated signal as a voltage and power supply.
  • the emitting unit sends out the payload transmission signal and the receiving unit receives the payload transmission signals reflected by objects and feeds the received signals for further processing.
  • the receiving unit can be arranged on a different aircraft than the emitting unit. It is possible that the receiving unit is located on a device on the surface of the earth.
  • the payload can also be a transmission unit in a communication path. It is possible that the first modulated signal is used as a carrier signal of a transmission system. It is also conceivable that the first modulated signal is used as an operating voltage or operating current and possibly as a clock signal for a computer, which can be made up of parametrically controlled circuits, for example.
  • the payload can also be an electronic monitoring system that uses the first modulated signal as a carrier signal for an interference signal transmission system. Parametric amplifiers or mixers fed with the first transmission signal can be used to amplify the payload reception signal.
  • the processing unit has a first modulator.
  • the first modulator is configured to down-modulate the received electromagnetic signal to a lower frequency in order to generate the first modulated signal.
  • the received electromagnetic signal is transmitted to the aircraft at a higher frequency than the frequency of the work signal of the payload.
  • the electromagnetic signal can be modulated to a working signal frequency which is advantageous for the use of the payload and the surroundings of the aircraft.
  • the working signal can have a wavelength of 10 cm. It is therefore suitable as a signal for an emitting unit and can be used, for example, as a RADAR signal. Signals with this longer wavelength are characterized by lower attenuation properties in the atmosphere, which are advantageous for use as a RADAR signal.
  • the work signal of the payload may have suitable or desired frequencies.
  • the first modulator can have actively controllable components such as semiconductor transistors, semiconductor diodes or tubes and / or parametrically changeable passive components such as, for example, inductances, capacitances and / or ohmic resistances.
  • two modulators can be used. These two modulators preferably work with a high degree of efficiency and low power loss in switching mode. Since, in addition to the desired mixed frequencies, many undesirable mixed frequencies and harmonic frequencies can also arise, the modulators themselves or the downstream units or the transmitting antenna arrangements contain suitable filters for filtering out and suppressing these undesired frequencies. This is done for the sole reason that no power is generated and transmitted in undesired or forbidden frequencies. Furthermore, the modulators at their inputs or the preceding units or the receiving antenna groups can contain suitable filters in order to only pass on the desired frequencies and to prevent the overall electronic system from being disturbed by other frequencies, including interfering signals.
  • a large number of modulators can be used instead of a single first modulator, each of which is assigned to a smaller antenna area of a larger antenna field, and the individual received power signals of the individual small antenna areas are thus controlled in a phase-shifted manner to a different frequency of the first modulated Signal modulated and at the same time coherently added at the output.
  • the first modulator is designed to use a coherent modulation in order to generate the first modulated signal.
  • Coherently modulated signals are used in RADAR systems, for example. Signals configured in this way are therefore particularly suitable for use as RADAR signals for an emitting unit.
  • the processing unit is designed to convert part of the received electromagnetic signal into a direct current signal and to use the direct current signal as a power supply for components of the processing unit.
  • the electromagnetic signal is used to be changed into a work signal of the payload via modulation, the payload then being able to use the work signal in this form.
  • electrical energy is required for the operation of the payload or other components on board the aircraft, which in this embodiment is provided based on the electromagnetic signal transmitted to the aircraft. This can also reduce the need for energy storage devices on board the aircraft.
  • the processing unit has a second modulator, the second modulator being designed to modulate an output signal of the payload to a higher or lower frequency and thereby generate a second modulated signal.
  • the first modulator is provided to generate the working signal from the electromagnetic signal. This step can be assigned to a first branch of the processing unit.
  • the output signal of the payload is changed in such a way that it results in a signal with a higher frequency and can be transmitted to a remote station via a downlink channel.
  • the processing unit has a data compressor which is designed to process the second modulated signal.
  • the output signal of the payload and / or the second modulated signal generally require further processing.
  • the output signal from the receiving unit must be processed in a RADAR system before objects can be recognized and displayed based on the output signal from the receiving unit. This processing can take place on board the aircraft or in the remote station that receives the signal sent via the downlink channel. Some processing steps can be carried out on board the aircraft, others in the remote terminal.
  • the data compressor is used to process the output signals output by a receiving unit.
  • the aircraft has an emitting unit and a receiving unit, the emitting unit being designed to transmit the working signal as a payload transmission signal and the receiving unit being designed to receive electromagnetic signals as a payload reception signal.
  • the emitting unit and the receiving unit are, for example, part of a RADAR system or a communication system.
  • the processing unit is designed to receive and modulate a signal received by the emitting unit, the payload received signal, and to transmit the signal modulated in this way to the first antenna arrangement in order to enable this modulated signal to be transmitted to a remote station by means of the first antenna arrangement .
  • the first antenna arrangement can thus implement both a reception and a transmission function.
  • the electromagnetic signal is received via an uplink and transmitted to the remote station via a downlink.
  • the second antenna arrangement can be part of a RADAR system and fulfill the transmission and reception functions of the RADAR system.
  • a system which has an aircraft and a ground unit.
  • the aircraft is an aircraft as described herein.
  • the ground unit is arranged outside the aircraft and is configured to wirelessly transmit an electromagnetic signal to the aircraft via an uplink and to receive signals from the aircraft via a downlink.
  • the ground unit can be a stationary device in the form of a building or a mobile unit such as a land vehicle or a watercraft.
  • the counterpart has an antenna arrangement which can send and / or receive electromagnetic signals.
  • the remote station is preferably a mobile device that can change its position, as can the aircraft above it. It is conceivable that the remote station and the aircraft move relative to one another in such a way that an angle between the earth's surface at the position of the earth's surface and a visual connection between the remote station and the aircraft (this visual connection corresponds to the course of the upward and / or downward path) in Is essentially 90 °, ie that the counterpart is located at the point on the earth's surface over which the aircraft is located.
  • the angle is in a range of values around 90 °, for example 85 ° to 95 °, 80 ° to 100 °, 70 ° to 110 °, for example due to a lateral movement of the aircraft and / or of the opposite side Vehicle.
  • the course of the upward and / or downward path between the remote station and the aircraft is approximately vertical in relation to the earth's surface and a distance that the wireless connection has to cover through the atmosphere is as short as possible in order to minimize the attenuation of the electromagnetic signal possible to keep.
  • the remote station is arranged on the surface of the earth.
  • an electromagnetic signal is transmitted by means of short-wave microwave power and the transmission power or a useful signal for a radiation unit of a RADAR system or a communication device operating at similar high frequencies is transmitted via direct active modulation or provided for an electronic reconnaissance system.
  • a small part of the received power can be rectified and used for the operation of components such as control and synchronization circuits as well as for downlink communication.
  • UAV Unmanned Aerial Vehicle
  • the electromagnetic signal of the uplink can be bundled at a high frequency so that a large part of the microwave power emitted by the counterpart can be captured by the high-flying platform and used for the payload.
  • the aircraft has a downlink which may be less powerful than the uplink.
  • the downlink can be less bundled or focused so that the downlink can be received and further processed by several remote stations.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an aircraft with a payload and the connection of the aircraft to a counterpart
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the components of an aircraft.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the components of an aircraft in an alternative embodiment.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the components of an aircraft in an alternative embodiment.
  • FIG. 1 shows an illustration and possible use of an electronic system 10 in an aircraft 1 with a ground unit 2 which contains a counterpart 20.
  • the remote station 20 on the ground and the electronic system 10 in the aircraft 1 are in a wireless connection with one another via an HF uplink 30 and HF downlink 40.
  • the downlink 40 can also be connected to several remote stations 20.
  • the system 10 in the aircraft 1 radiates the HF power received via the uplink 30 as HF power 315 without intermediate storage or conversion into a direct voltage or a direct current after a frequency conversion into a useful signal such as a RADAR signal, communication signal or signal from an interference application away.
  • useful signals are like reflected RADAR signals, communication signals or reconnaissance signals 325 are received by the system 10 and transmitted back, converted in frequency, via the downlink 40 to the remote station 20.
  • the aircraft 1 shows an overview of an aircraft 1 with a system 10 and a ground unit 2 with a counterpart 20.
  • the aircraft 1 is a light, high-flying unmanned platform, the drive system of which is operated with solar power (drive system and photovoltaic system not shown). with insufficient electrical power or stored electrical energy available to operate additional electronic systems such as emitting units and communication equipment.
  • the available buoyancy for carrying additional solar cells and electrical energy storage devices or a power supply cable is also very limited.
  • This necessary operating power (this includes both the payload transmission signal 315 and the power for operating the emitting unit) is intended here as high-frequency power from a remote station 20 on the earth's surface, such as from a ship or land vehicle with sufficient power generation of its own, at a high level and therefore a high frequency (wavelength, for example 0.97 cm, 1 cm or 3 cm) that can be easily bundled can be radiated directly onto the flying platform via the uplink 30 with sufficient power. It is possible to use optical laser radiation. Electromagnetic signals outside the visible optical range can, however, have advantages in terms of attenuation by the atmosphere and, in general, the dependence on the weather due to clouds and fog over the sea.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the system 10 shown in FIG. 1 and arranged in the aircraft 1.
  • An electromagnetic signal (can also be referred to as an RF power signal) is transmitted to the aircraft via the uplink.
  • the downlink transmits an electromagnetic signal (can also be referred to as a return signal) in the opposite direction, that is to say to the remote station 20 Signal sent to the remote station 20 for further processing and use.
  • the frequency of the downlink is usually lower than the frequency of the signal on the uplink, as long as very high bundling is not required on the downlink.
  • the system 10 has a first antenna arrangement 200.
  • the first antenna arrangement 200 is designed to receive the electromagnetic signal of the uplink 30 and to transmit the electromagnetic signal of the downlink 40.
  • the first antenna arrangement 200 can contain one or more antennas, even for frequencies that are far apart.
  • the first antenna arrangement 200 is connected to the processing unit 100 in order to transmit received electromagnetic signals to the processing unit 100 and to receive electromagnetic signals to be transmitted from the processing unit 100.
  • the system 10 has a payload 300 that uses the first modulated signal as a working signal.
  • the payload 300 can be an emitting unit and receiving unit for a RADAR system.
  • the payload can be an antenna system for a RADAR system, the antenna system of the RADAR system having an emitting unit and a receiving unit. Another payload can be used.
  • the signal 315 is then generally referred to as the payload transmit signal and the signal 325 is generally referred to as the payload receive signal.
  • the focused high-frequency power radiated in via the uplink 30 is received in a directed manner by distributed receiving antennas as part of the first antenna arrangement 200 and, by means of active power modulators in the system 10, directly from the high radiated frequency to a lower frequency for location or Communication is modulated and emitted again via suitable antennas (eg radiation unit 310).
  • the payload received signals 325 are only minimally preprocessed and compressed on the aircraft and modulated again by means of the microwave power supply in the system 10 and emitted in a little bundled over the downlink 40 in the direction of the remote station (s) 20, where they are emitted from several remote stations can be received and further processed.
  • the atmospheric attenuation as well as the usual procedures in shipping are decisive.
  • FIG. 3 describes the structure of the processing unit 100 of the system 10 from FIG. 2 in a higher level of detail.
  • the processing unit 100 is connected on the one hand to a receiving antenna 210 and a transmitting antenna 220 of the first antenna arrangement 200.
  • the receiving antenna 210 receives electromagnetic signals of the uplink 30, the transmitting antenna 220 transmits electromagnetic signals of the downlink 40.
  • the processing unit has a first modulator 110.
  • the first modulator 110 controlled by the first oscillator 115, modulates the signal of the uplink 30 in order to obtain the useful signal for a further modulator 130 and the emitting unit 310 of the payload 300.
  • This useful signal is given directly and without a detour via rectification to the emitting unit 310 (or a transmission unit of a communication link).
  • a further modulator 130 which can be a signal processing unit, for example for synchronization and phase swiveling, between the first modulator 110 and the emitting unit 310.
  • the processing unit 100 also has a second modulator 120.
  • the second modulator receives and uses the received signal from the payload 300 and modulates it so that it can be transmitted over the downlink 40.
  • An optional receiving and signal processing unit 140 is arranged between the second modulator 120 and the receiving antenna unit 320 of the payload 300.
  • An optional data compressor 150 is arranged between the second modulator 120 and the transmission antenna 220 of the first antenna arrangement 200.
  • a first mixer oscillator 115 is connected to the first modulator 110 and a second mixer oscillator 125 is connected to the second modulator 120.
  • the mixed oscillators 115, 125 with the modulators 110 and 120 also have the task of producing phase coherence in antenna arrangements consisting of several transmitting and receiving antennas so that the signals can be combined in the correct phase.
  • a direct signal conversion or frequency change takes place in the branch of the first modulator 110 and the branch of the second modulator 120.
  • the first modulator 110 modulates the signal of the uplink 30 so that this modulated signal can be used directly as a RADAR transmitter signal.
  • the second modulator 120 modulates the possibly preprocessed received signal so that it can be used directly as a signal of the downlink.
  • the processing unit 100 has two modulators 110, 120 for remodulating the received microwave power with the uplink frequency (frequency of the signal of the uplink 30) f up to the lower RADAR transmission frequency f RADAR and the RADAR reception frequency f RADAR to the lower downlink frequency (frequency of the downlink signal 40)philo w n.
  • the power mixers use active components such as diodes, transistors or tubes or passive components such as parametrically variable inductances or capacitances. Unlike other mixers, they do not use a DC operating voltage supply, but only microwave voltages, similar to the AC-AC converters in the Power electronics. Only a small part of the microwave power is rectified and for some control circuits such as the oscillators 115, 125 and a control unit 400.
  • a simple coherence of all frequencies is achieved by the remote station 20 (also: ground station), which has a high-precision oscillator for the uplink frequency f up . With signal processing by the data compressor 150 on board the aircraft, this condition can be weakened, only the two local mixer oscillators 115 with fi and 125 with f2 have to be in phase for coherent signal processing, for example by a common, highly constant frequency source.
  • a further modulator 130 is arranged between the first modulator 110 and the emitting unit 310 in order to enable synchronization for the detection of the RADAR reflections, phase shifting for active beam swiveling and distance measurement.
  • the transmit / receive channel consisting of uplink 30 and downlink 40 can be present several times according to the antenna characteristics in order to calculate a broad emission and an angular resolution from the phase shift in several receive channels, as is usual in antennas with electronic beam swiveling. However, this step is carried out in the remote station 20.
  • the RADAR signal Since the wireless power transmission of the uplink 30 is most favorable for an optimal design of the transmission output stages in the remote station 20, the RADAR signal must advantageously have this power Re-emit continuously and evenly as a useful signal 315, since no storage of the microwave power in the aircraft is possible or useful.
  • This emission of the RADAR transmission power by means of the RADAR transmission signal 315 can take place in two ways: as a circulating focused beam, whereby each individual power modulator 110 must be able to convert the full power of the uplink and where a phase control makes the electronic beam pivoting (only one Receipt of the received signal 325 from this narrow beam.
  • each power modulator 110 can be designed with a lower power.
  • a beam swiveling can take place via a circumferential phase modulation via the first modulator 110 and / or the further modulator 130 or, in the case of permanent undirected coherent all-round radiation, by a phase evaluation in the receiving channel of the second modulator 120.
  • the control of the payload 300 with emitting unit 310 and receiving unit 320 takes place by means of control signals modulated onto the signal of the uplink 30 with a very low modulation index (AM, FM, PM, PCM).
  • a central synchronization can also be modulated, which enables all receiving ground stations or ships in the reception area of the transmitted compressed RADAR reception signals to evaluate and display them independently.
  • the necessary control and command signals for the central control unit 400 which is connected to all blocks (not shown) in the processing unit 100 via control and synchronization signal lines, can be transmitted.
  • a highly focused microwave beam is used for the wireless signal transmission on the transmission links 30, 40 from the counterpart 20 to the aircraft 1 in flight.
  • the transmitting antenna in the opposite station must be mechanically pivotable or the wireless upward beam 30 must be electronically pivoted by phase shifting in the transmitter antenna field and thus be able to follow the exact flight movements of the high-flying aircraft.
  • the receiving antenna 210 must also follow the transmitting antenna of the remote station by electronic beam pivoting, ie phase shift between the individual elements of the receiving antenna, since a mechanical pivoting would be too heavy.
  • a strong focus is advantageous for a high transmission economy, since a large part of the microwave power radiated via the transmitting antenna surface ATX is to be received with the receiving antenna surface ARX of the receiving antenna 210 on the aircraft 1 at an altitude of about 20 km or only at an altitude of 1 km to 2 km .
  • the remote station 20 sending the power and the receiving system 10 in the aircraft 1 form a cooperative system which alternately adjusts the transmission and reception characteristics to one another for optimal power transmission.
  • the downlink 40 uses a far lower frequency than the uplink 30, which results in a significantly broader radiation from the transmitting antenna 220 in the aircraft 1. This has the advantage that a plurality of mutually independent remote stations 20 can evaluate and display the RADAR received signal on the downlink 40 for their purposes.
  • the RADAR emission can be omnidirectional around the aircraft 1 if such an omnidirectional antenna can be installed. This enables a permanent all-round view even when the aircraft is heading in a straight line.
  • an elongated antenna that can only illuminate two half-spaces, front and rear or right and left to the circling flight path of the aircraft, can be used. In order to get a complete picture, the aircraft must in this case circle over a little changeable reconnaissance position over land, or follow the movement of a fleet formation over sea in a circling manner. Such an elongated antenna can considerably simplify the construction of the aircraft 1.
  • the antenna diagram can be pivoted vertically in order to compensate for tilted positions of the aircraft and the antennas.
  • the processing unit 100 has a control unit 400 which controls the individual components.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of the system 10 for an aircraft 1.
  • a combined antenna system 330 is provided which combines the functions of the emitting unit 310 and the receiving unit 320 from FIG. 3.
  • the antenna system 330 transmits a RADAR transmission signal 315.
  • the antenna system 330 also receives a RADAR reception signal 325.
  • the RADAR transmission signal 315 is generated by the processing unit 100 by the electromagnetic signal of the Uplink 30 is modulated (ie changed in its frequency).
  • the modulated signal is passed on to the antenna system 330 and emitted by it as a RADAR transmission signal 315.
  • Both signals from and to the antenna system 330 are divided in the processing unit 100 by a circulator or diplexer 160 depending on the signal direction or signal frequency.
  • FIG. 5 shows a further alternative embodiment of the electronic system 10 for an aircraft 1. Any communication or measuring device 330 that is connected to the environment via any connection 335 is shown here .
  • the other components 110, 115, 120, 125, 150, 400 have the same functions as already described for FIGS. 3 and 4.
  • the processing unit 100 has a universal data processing unit 170, such as a computer, arranged between the modulators 110, 120.
  • the data processing unit is operated with a high-frequency voltage or power supply obtained from the first modulator 110, and not with one or more direct voltages, as in generally customary designs, which would require a power rectifier in a known design. This is possible if the switching elements in the data processing unit 170 are not generally customary circuits with direct voltage or power supply, but parametrically variable high-frequency alternating current circuits, such as parametrons or parametric amplifiers or mixers.

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Abstract

Ein Luftfahrzeug weist eine erste Antennenanordnung (200), eine Nutzlast (300), und eine Verarbeitungseinheit (100) auf. Die erste Antennenanordnung ist ausgestaltet, elektromagnetische Signale drahtlos zu empfangen. Die Verarbeitungseinheit (100) ist mit der ersten Antennenanordnung einerseits und mit der Nutzlast (300) andererseits gekoppelt. Die Verarbeitungseinheit (100) ist ausgestaltet, ein von der ersten Antennenanordnung empfangenes elektromagnetisches Signal (30) zu modulieren und dadurch ein erstes moduliertes Signal zu erzeugen und an die Nutzlast (300) weiterzuleiten. Die Nutzlast (300) ist ausgestaltet, das erste modulierte Signal als Arbeitssignal zu verwenden. Somit wird ein Hochfrequenz-Leistungssignal einer Aufwärtsstrecke in ein Nutzlast-Arbeitssignal ummoduliert, so dass das Nutzlast-Arbeitssignal von der Nutzlast ohne Gleichrichtung in eine Gleichspannung unmittelbar verwendet werden kann.

Description

Luftfahrzeug mit drahtloser Leistungsbereitstellung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein das technische Gebiet der Luftfahrt. Insbesondere betrifft die Beschreibung ein Luftfahrzeug, dem für das Betreiben von an Bord des Luftfahrzeugs befindlichen Energieverbrauchern bzw. Nutzlasten Leistung über eine Hochfrequenz-Strecke drahtlos übertragen wird.
Hintergrund der Erfindung
Luftfahrzeuge, frei fliegend oder gekoppelt mit einem Zug- oder Schleppfahrzeug, können ausgestaltet sein, verschieden lange Zeiträume in der Luft zu verbleiben. Hierfür ist eine bestimmte Menge Energie erforderlich, welche aus Energiespeichern entnommen oder aus anderen Quellen, wie beispielsweise Photovoltaikanlagen oder über Leitungen von einem Schleppfahrzeug, bereitgestellt werden kann. Die Energie wird benötigt, um ein Antriebssystem des Luftfahrzeugs und Komponenten an Bord des Luftfahrzeugs zu betreiben. Der Leistungsbedarf kann dabei stark schwanken, z.B. in Abhängigkeit der vorhandenen und verwendeten Komponenten und auch in Abhängigkeit einer Betriebsart dieser Komponenten.
Leichtluftfahrzeuge und Ultraleichtluftfahrzeuge zeichnen sich durch ein sehr geringes Gewicht im Verhältnis zu ihrer geometrischen Dimensionen aus. Das geringe Gewicht ist eine Folge von verschiedenen Eigenschaften und Anforderungen an die Ausgestaltung eines Ultraleichtluftfahrzeugs: Energie wird beispielsweise über eine Photovoltaikanlage bereitgestellt, so dass ein vorab befüllter Energiespeicher kein limitierender Faktor ist; ein Energiespeicher mit einer vorgegebenen Kapazität wird bereitgestellt, um die Phasen ohne Sonneneinstrahlung überbrücken zu können; die Struktur des Ultraleichtluftfahrzeugs ist auf niedriges Gewicht ausgelegt; es werden wenigen und leichte Komponenten und Nutzlasten an Bord des Ultraleichtluftfahrzeugs verbaut. Allgemein kann unter einem Luftfahrzeug ein frei fliegendes, gefesseltes, ballonartig schwebendes, mit dynamischen oder statischem Auftrieb ausgestattetes Luftfahrzeug sein.
Leichtluftfahrzeuge können beispielsweise als Beobachtungssysteme verwendet werden, indem sie mit Beobachtungsvorrichtungen und/oder Sendevorrichtungen, welche elektromagnetische Emissionen und Immissionen verwenden, ausgestattet werden. Ebenso können Leichtluftfahrzeuge einen Knoten in einem Kommunikationsverbund, insbesondere einem drahtlosen Kommunikationsverbund, darstellen, wenn sie mit den entsprechenden Übertragungsvorrichtungen ausgestattet sind.
Es mag sein, dass Beobachtungsvorrichtungen und Übertragungsvorrichtungen einen Energiebedarf haben, der durch die bordeigenen Energiespeicher und Energievorräte oder ggf. vorhandene externe Energiespeicher, die für das Luftfahrzeug zugänglich sind, nicht gedeckt werden kann.
Darstellung der Erfindung
Es kann daher als Aufgabe der Erfindung betrachtet werden, eine an Bord eines Luftfahrzeugs mit begrenzten Energieressourcen angeordnete Nutzlast, insbesondere eine Nutzlast, welche Hochfrequenz-Signale nutzt, mit Leistung zu versorgen und zu betreiben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung.
Gemäß einem Aspekt ist ein Luftfahrzeug beschrieben. Das Luftfahrzeug weist eine erste Antennenanordnung, eine Nutzlast und eine Verarbeitungseinheit auf. Die erste Antennenanordnung ist ausgestaltet, elektromagnetische Signale drahtlos zu empfangen. Die Verarbeitungseinheit ist mit der ersten Antennenanordnung einerseits und mit der Nutzlast andererseits gekoppelt. Die Verarbeitungseinheit ist ausgestaltet, ein von der ersten Antennenanordnung empfangenes elektromagnetisches Signal zu modulieren und dadurch ein erstes moduliertes Signal zu erzeugen und an die Nutzlast weiterzuleiten. Die Nutzlast ist ausgestaltet, das erste modulierte Signal als Arbeitssignal zu verwenden.
Bei dem hierin beschriebenen Luftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein Leichtbauluftfahrzeug handeln. Als Leichtbauluftfahrzeug im Zusammenhang mit dieser Beschreibung wird insbesondere ein unbemanntes Luftfahrzeug mit einem Gewicht unterhalb von 200 kg, bevorzugt unterhalb von 150 kg, weiter bevorzugt unterhalb von 100 kg verstanden. Die Angaben über das Gewicht beziehen sich insbesondere jeweils auf das maximale Gewicht während des Betriebs des Leichtbauluftfahrzeugs. Das Leichtbauluftfahrzeug zeichnet sich durch eine Spannweite der Tragflächen über 10 m, bevorzugt über 15 m, weiter bevorzugt über 20 m aus. Bezogen auf die Spannweite ist das Gewicht des Leichtbauluftfahrzeugs also sehr niedrig. Ein niedriges Verhältnis zwischen Gewicht bezogen auf die Spannweite kann natürlich auch mit höheren Werten für Gewicht und Spannweite erreicht werden. Beispielsweise kann das Flugzeug 400 kg bei einer entsprechend hohen Spannweite von über 50 m oder gar über 70 m aufweisen. Ein solches Luftfahrzeug ist natürlich auch als Leichtbauluftfahrzeug zu verstehen. Das Leichtbauluftfahrzeug kann so ausgestaltet sein, dass es eine Einsatzdauer ohne Zwischenlandung auf der Erdoberfläche oder einer anderen fliegenden Plattform über mehrere Tage, beispielsweise mehr als 5, mehr als 10, oder sogar mehr als 20 Tage bis hin zu 100 oder 200 Tagen, bewältigen kann. Es ist ebenso denkbar, dass das Leichtbauluftfahrzeug auf erneuerbare Energiequellen oder die Sonnenstrahlung, zugreift, um Energie für das Betreiben des Leichtbauluftfahrzeugs zu erzeugen und dadurch die lange ununterbrochene Betriebsdauer zu ermöglichen. Unter einem Luftfahrzeug im Sinne dieser Beschreibung kann insbesondere ein Luftfahrzeug mit den oben beschriebenen Rahmenbedingungen betreffend Gewicht, Spannweite und Eignung für die genannte Flughöhe sein. Bei einem Luftfahrzeug kann es sich aber allgemein um einen Flugkörper handeln, z.B. ein solcher, der für das Transportieren einer Last ausgelegt ist oder ein sogenannter Leichter-Als-Luft-Flugkörper.
Das Leichtbauluftfahrzeug weist eine Antriebseinheit, beispielsweise mindestens einen Propeller und damit gekoppelte Kraftmaschinen, auf. Die Kraftmaschinen sind bevorzugt elektrisch betrieben. Um Energie an die Kraftmaschinen bereitzustellen, kann eine Brennstoffzelle oder wiederaufladbare Batterien an Bord des Leichtbauluftfahrzeugs vorgesehen sein. Ebenfalls kann das Leichtbauluftfahrzeug eine Photovoltaik-Anlage aufweisen, um basierend auf dem Licht der Sonne elektrische Energie bereitzustellen. Desgleichen kann der Antrieb über eine Schleppvorrichtung am Boden erreicht werden.
Das Leichtbauluftfahrzeug kann insbesondere für Flugeinsätze in der Stratosphäre vorgesehen und geeignet sein. Die Stratosphäre erstreckt sich zwischen einer Höhe von 11 bis 50 km über Normalnull. Das Leichtbauluftfahrzeug kann beispielsweise im unteren Drittel der Stratosphäre fliegen, d.h. zwischen 11 und 25 km über Normalnull. Ein geschlepptes Leichtflugzeug kann insbesondere zwischen der Höhe von geringfügig über 0 km bis 1 km über Normalnull, aber auch bis 2 km oder 3 km über Normalnull fliegen.
Obige Werte für die Ausgestaltung und Dimensionierung (Größe, Gewicht, etc.) sind lediglich beispielhaft und ohne einschränkende Wirkung wiedergegeben. Jedenfalls ist das Gewicht bei einem Leichtbauluftfahrzeug ein relevanter Parameter und es ist angestrebt, das Gewicht so niedrig wie möglich zu halten. Es wird demnach vorgeschlagen, die Leistung für eine Nutzlast drahtlos von einer Gegenstelle an das Luftfahrzeug zu übertragen und dort für die weitere Verwendung in ein Wechselsignal umzuwandeln, und zwar ohne Umwandlung in ein Gleichstromsignal und /oder Zwischenspeicherung der Energie in einem Energiespeicher. Auf einen (evtl zusätzlichen) Energiespeicher für die Nutzlast an Bord des Luftfahrzeugs kann demnach verzichtet werden, weil die Leistung über das elektromagnetische Signal an das Luftfahrzeug drahtlos übertragen wird und in dem Luftfahrzeug in ein moduliertes Wechselsignal gewandelt wird. Das modulierte Wechselsignal kann bevorzugt unmittelbar in der Nutzlast als Nutzsignal verwendet werden. Das bedeutet, dass das an das Luftfahrzeug übertragene elektromagnetische Signal nicht nur dem reinen Leistungstransport dient, sondern eine Vorstufe des Nutzsignals der Nutzlast darstellt. Das über die erste Antennenanordnung drahtlos empfangene Signal erfährt nur geringe Veränderungen seiner Form (z.B. wird, wenn das drahtlos empfangene Signal moduliert wird, seine Frequenz und/oder seine Phase und/oder seine Amplitude verändert bzw. moduliert) und wird dann als Nutzsignal der Nutzlast verwendet. Diese Veränderung der Form des Signals wird vorliegend als Modulation bezeichnet.
Die Nutzlast kann mehrere Verarbeitungseinheiten enthalten, in denen die Signale schrittweise nacheinander gewandelt werden. Es ist aber genauso möglich, dass diese mehrere Schritte in einer einzelnen Verarbeitungseinheit ausgeführt werden. Die Verarbeitungseinheit ist so ausgestaltet, dass er das drahtlos empfangene elektromagnetische Signal so moduliert bzw. wandelt, dass es nach dem Modulieren bzw. Wandeln direkt als Arbeitssignal oder Nutzsignal in der Nutzlast verwendet werden kann. Somit wird die Anzahl der an Bord des Luftfahrzeugs verwendeten Bauteile reduziert. Insbesondere kann auf einen Energiespeicher oder Energiezwischenspeicher verzichtet werden, was das Gewicht in einem Leichtbauluftfahrzeug niedrig hält.
Die erste Antennenanordnung ist an dem Luftfahrzeug angeordnet und ausgestaltet, Signale mit einer Wellenlänge von wenigen Zentimetern zu empfangen, insbesondere mit einer Wellenlänge von ca. 1 cm oder ca. 3 cm. Dieses Signal befindet sich also im Bereich der Zentimeterwellen bzw.
Mikrowellen.
Diese Wellenlängenbereiche für das drahtlos übertragene elektromagnetische Signal ermöglicht es, Antennen mit entsprechend geringen Ausmaßen zu verwenden. Um das Signal von einer Bodenstation an ein in der Luft befindliches Luftfahrzeug zu übertragen, kann es jedoch auf Grund der hohen Entfernung gewünscht sein, ein stark gebündeltes Signal zu erzeugen. Hierfür kann eine Antenne, deren Ausmaße einem hohen Vielfachen der Wellenlänge des Signals entsprechen, vorteilhaft sein. Beispielsweise kann eine Antenne verwendet werden, deren Durchmesser mindestens dem 100-fachen, oder mindestens dem 300-fachen, oder mindestens dem 1000-fachen der Wellenlänge des elektromagnetischen Signals entspricht. Diese Überlegungen gelten für die Sendeantenne in oder an der Gegenstelle.
Die erste Antennenanordnung an dem Luftfahrzeug ist typischerweise kleiner als die Sendeantenne und wird in der Regel die sich aus den physikalischen Eigenschaften der Signalübertragung ermittelbare Antennengröße kaum oder höchstens unwesentlich überschreiten. Die erste Antennenanordnung kann eine oder mehrere Empfangsantennen aufweisen. Die erste Antennenanordnung kann aus einer auf die Sendeantenne ausrichtbaren Antenne mit hohem Gewinn oder mehreren kleinen einzelnen Antennen mit geringem Gewinn aufgebaut sein. Ebenfalls kann eine Bündelung mittels elektronischen Phasenschiebern verwendet werden, um die empfangenen elektromagnetischen Signale phasenkohärent zu kombinieren. In einer Variante kann die Phasenkorrektur für einzelne kleinere Antennen auch in einem ersten Leistungsmodulator erfolgen, wenn jeder kleineren Antenne ein eigener (erster) Leistungsmodulator zugeordnet ist.
Die Nutzlast ist bevorzugt eine elektrische Komponente, insbesondere ein elektrischer Verbraucher. Dabei ist jedoch zu beachten, dass das elektromagnetische Signal in erster Linie nicht dazu dient, den oder die elektrischen Verbraucher, wie z.B. den Antrieb, mit Leistung für dessen Betrieb zu versorgen. Vielmehr wird das elektromagnetische Signal genutzt, um eine benötigte HF-Leistung für die Nutzlast direkt zur Verfügung zu stellen und nach einem Modulations- oder Transformationsschritt in einem oder mehreren Leistungsmodulatoren direkt als Nutzsignal (das erste modulierte Signal) an die elektrische Komponente geleitet zu werden, wo das Nutzsignal dann so wie es ist als Arbeitssignal verwendet werden kann.
Die Verarbeitungseinheit weist mindestens einen Modulator auf, welcher das empfangene elektromagnetische Signal moduliert, insbesondere in seiner Frequenz verändert, und das modulierte Signal an die Nutzlast weiterleitet.
Durch diesen Aufbau sind einige Komponenten in der Energiebereitstellungskette obsolet. Weil das elektromagnetische Signal moduliert wird und dadurch direkt ein Arbeitssignal der Nutzlast generiert wird, muss das Arbeitssignal nicht basierend auf Energie eines Energiespeichers erzeugt werden. Das an das Luftfahrzeug übertragene elektromagnetische Signal wird nicht erst in einem Energiespeicher zwischengespeichert und dann aus diesem Energiespeicher entnommen, um das Arbeitssignal der Nutzlast zu erzeugen. Vielmehr wird das elektromagnetische Signal durch Modulation umgewandelt, um direkt das Arbeitssignal der Nutzlast zu erhalten.
Beispielsweise kann die Verwendung von RADAR-Anlagen oder Teilen davon (z.B. von Abstrahleinheiten und/oder Empfangseinheiten), Kommunikations- oder elektronischen Funkaufklärungsanlagen und Gegenmaßnahmeanlagen als Nutzlast auf hoch fliegenden Plattformen besonders vorteilhaft sein, weil hoch fliegende Plattformen ein großes Zielgebiet haben. Im Fall von RADAR-Anlagen können Objekte daher auf große Entfernungen detektiert werden, bis zum sogenannten RADAR--Horizont, der weiter entfernt sein kann als der optische Horizont. Allerdings erfordern diese großen Entfernungen RADAR-Sendesignale von hoher Leistung. Ein Leichtluftfahrzeug kann die geforderten Leistungen in der Regel nur für eine sehr kurze Zeit bereitstellen, so dass gemäß den hierin beschriebenen Prinzipien ein anderer Weg zur Leistungsversorgung der Nutzlast mittels eines stark gebündelten Mikrowellensignals vorgeschlagen wird.
Der hierin beschriebene Ansatz der direkten Ummodulation eines elektromagnetischen Signals auf ein Nutzlast-Sendesignal mit einer anderen Frequenz ohne Leistungsgleichrichtung auf Gleichstrom lässt sich auch für hoch fliegende Kommunikationseinrichtungen zum Aussenden und Weiterleiten von Nachrichten verwenden. Auch die Verwendung in einer Anlage zur elektronischen Überwachung und Kampfführung installiert auf einem leichten hochfliegendem Luftfahrzeug ist möglich. Die Steuerung der genannten Einrichtungen kann z.B. durch auf ein Signal der Aufwärtsstrecke mit sehr geringem Modulationsindex (AM, FM, PM, PCM) aufmodulierten Steuersignalen und durch eine gemeinsame Steuereinheit erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Nutzlast eine zweite Antennenanordnung, die ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Nutzlast-Sendesignal zu verwenden, oder die Nutzlast ist eine Kommunikationsanlage, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Trägersignal einer drahtlosen Kommunikationsverbindung zu verwenden, oder die Nutzlast ist eine Aufklärungsanlage, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Sendersignal zu verwenden, oder die Nutzlast ist eine Datenverarbeitungseinheit, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Spannungs- und Stromversorgung zu verwenden.
Die Abstrahleinheit sendet das Nutzlast-Sendesignal aus und die Empfangseinheit empfängt die von Objekten reflektierten Nutzlast-Sendesignale und führt die empfangenen Signale einerweiteren Verarbeitung zu. Beispielsweise kann die Empfangseinheit an einem anderen Luftfahrzeug angeordnet sein als die Abstrahleinheit. Es ist möglich, dass sich die Empfangseinheit an einer Vorrichtung auf der Erdoberfläche befindet. Alternativ kann die Nutzlast auch eine Übertragungseinheit in einem Kommunikationspfad sein. Es ist möglich, dass das erste modulierte Signal als Trägersignal einer Sendeanlage verwendet wird. Auch ist denkbar, dass das erste modulierte Signal als Betriebsspannung oder Betriebsstrom und ggf. als Taktsignal für einen Computer dient, welcher z.B. aus parametrisch gesteuerten Schaltkreisen aufgebaut sein kann. Alternativ kann die Nutzlast auch eine elektronische Überwachungsanlage sein, die das erste modulierte Signal als Trägersignal für eine Störsignal-Sendeanlage verwendet. Parametrische Verstärker oder Mischer gespeist mit dem ersten Sendesignal können verwendet werden, um das Nutzlast-Empfangssignal zu verstärken.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verarbeitungseinheit einen ersten Modulator auf. Der erste Modulator ist ausgestaltet, das empfangene elektromagnetische Signal auf eine niedrigere Frequenz abwärts zu modulieren, um das erste modulierte Signal zu erzeugen.
Das bedeutet, dass das empfangene elektromagnetische Signal auf einer höheren Frequenz an das Luftfahrzeug übertragen wird als die Frequenz des Arbeitssignals der Nutzlast. Insbesondere kann das elektromagnetische Signal auf eine Arbeitssignal-Frequenz moduliert werden, welche für die Verwendung der Nutzlast und die Umgebung des Luftfahrzeugs vorteilhaft ist. Beispielsweise kann das Arbeitssignal eine Wellenlänge von 10 cm haben. Damit eignet es sich als Signal für eine Abstrahleinheit und kann beispielsweise als RADAR-Signal verwendet werden. Signale mit dieser längeren Wellenlänge zeichnen sich durch geringere Dämpfungseigenschaften in der Atmosphäre aus, welche für die Verwendung als RADAR-Signal vorteilhaft sind. Wenn eine Kommunikationsanlage als Nutzlast verwendet wird, kann das Arbeitssignal der Nutzlast geeignete oder gewünschte Frequenzen haben. Der erste Modulator kann aktiv steuerbare Bauelemente wie Halbleitertransistoren, Halbleiterdioden oder Röhren und/oder parametrisch veränderbare passive Bauteile wie beispielsweise Induktivitäten, Kapazitäten und/oder ohmsche Widerstände aufweisen.
In einer Variante können zwei Modulatoren verwendet werden. Diese beiden Modulatoren arbeiten bevorzugt mit einem hohen Wirkungsgrad und geringer Verlustleistung im Schaltbetrieb. Da dabei neben den gewünschten Mischfrequenzen auch viele unerwünschte Mischfrequenzen und harmonische Frequenzen entstehen können, enthalten die Modulatoren selber oder die nachgeordneten Einheiten oder auch die sendenden Antennenanordnungen geeignete Filter zur Aussiebung und Unterdrückung dieser unerwünschten Frequenzen. Dies erfolgt schon alleine deshalb, damit keine Leistung in unerwünschte oder unerlaubten Frequenzen erzeugt und übertragen wird. Weiter können die Modulatoren an ihren Eingängen oder die vorrausgehenden Einheiten oder die empfangenen Antennengruppen geeignete Filter enthalten, um nur die gewünschten Frequenzen weiterzuleiten und eine Störung des elektronischen Gesamtsystems durch andere Frequenzen, auch als Störsignale, zu verhindern.
In einer Variante kann an Stelle eines einzelnen ersten Modulators eine Vielzahl von Modulatoren verwendet werden, wovon jeder Modulator jeweils einer kleineren Antennenfläche eines größeren Antennenfeldes zugeordnet ist, und so phasenverschoben angesteuert werden die einzelnen empfangenen Leistungssignale der einzelnen kleinen Antennenflächen auf eine andere Frequenz des ersten modulierten Signals moduliert und gleichzeitig am Ausgang kohärent addiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der erste Modulator ausgestaltet, eine kohärente Modulation anzuwenden, um das erste modulierte Signal zu erzeugen. Kohärent modulierte Signal werden beispielsweise in RADAR-Anlagen verwendet. Somit eignen sich auf diese Weise ausgestaltete Signal insbesondere für die Verwendung als RADAR-Signale für eine Abstrahleinheit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit ausgestaltet, einen Teil des empfangenen elektromagnetischen Signals in ein Gleichstromsignal zu wandeln und das Gleichstromsignal als Energieversorgung von Komponenten der Verarbeitungseinheit zu verwenden.
Grundsätzlich ist vorgesehen, dass das elektromagnetische Signal dazu dient, über eine Modulation in ein Arbeitssignal der Nutzlast verändert zu werden, wobei die Nutzlast das Arbeitssignal dann in dieser Form verwenden kann. Dennoch kann es sein, dass für den Betrieb der Nutzlast oder anderer Komponenten an Bord des Luftfahrzeugs elektrische Energie benötigt wird, welche in dieser Ausführungsform basierend auf dem an das Luftfahrzeug übertragenen elektromagnetischen Signal bereitgestellt wird. Dies kann zusätzlich den Bedarf von Energiespeichern an Bord des Luftfahrzeugs reduzieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verarbeitungseinheit einen zweiten Modulator auf, wobei der zweite Modulator ausgestaltet ist, ein Ausgabesignal der Nutzlast auf eine höhere oder niedrigere Frequenz zu modulieren und dadurch ein zweites moduliertes Signal zu erzeugen.
Der erste Modulator ist vorgesehen, aus dem elektromagnetischen Signal das Arbeitssignal zu erzeugen. Dieser Schritt kann einem ersten Zweig der Verarbeitungseinheit zugewiesen werden. In einem zweiten Zweig der Verarbeitungsanlage wird das Ausgabesignal der Nutzlast so verändert, dass es in einem Signal mit höherer Frequenz resultiert und über einen Abwärtskanal an eine Gegenstelle übertragen werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verarbeitungseinheit einen Datenkompressor auf, welcher ausgestaltet ist, das zweite modulierte Signal zu verarbeiten.
Das Ausgabesignal der Nutzlast und/oder das zweite modulierte Signal bedürfen in der Regel einer weiteren Verarbeitung. So muss das Ausgabesignal der Empfangseinheit in einer RADAR-Anlage verarbeitet werden, bevor basierend auf dem Ausgabesignal der Empfangseinheit Objekte erkannt und angezeigt werden können. Diese Verarbeitung kann an Bord des Luftfahrzeugs oder in der Gegenstelle, die das über den Abwärtskanal gesendete Signal empfängt, erfolgen. Einige Verarbeitungsschritte können an Bord des Luftfahrzeugs, andere in der Gegenstelle ausgeführt werden.
In einem Beispiel dient der Datenkompressor der Verarbeitung der von einer Empfangseinheit ausgegebenen Ausgabesignale.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Luftfahrzeug eine Abstrahleinheit und eine Empfangseinheit auf, wobei die Abstrahleinheit ausgestaltet ist, das Arbeitssignal als Nutzlast-Sendesignal auszusenden und wobei die Empfangseinheit ausgestaltet ist, elektromagnetische Signale als Nutzlast-Empfangssignal zu empfangen. Die Abstrahleinheit und die Empfangseinheit sind beispielsweise Teil einer RADAR-Anlage oder einer Kommunikationsanlage. Die Verarbeitungseinheit ist ausgestaltet, ein von der Abstrahleinheit empfangenes Signal, das Nutzlast-Empfangssignal, zu erhalten, zu modulieren, und das so modulierte Signal an die erste Antennenanordnung zu übertragen, um eine Übertragung dieses modulierten Signals mittels der ersten Antennenanordnung an eine Gegenstelle zu ermöglichen.
Die erste Antennenanordnung kann somit sowohl eine Empfangs- als auch eine Sendefunktion implementieren. Das Empfangen des elektromagnetischen Signals erfolgt über eine Aufwärtsstrecke (uplink) und das Übertragen an die Gegenstelle über eine Abwärtsstrecke (downlink). Die zweite Antennenanordnung kann Teil einer RADAR-Anlage sein und Sende- und Empfangsfunktionen der RADAR- Anlage erfüllen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein System angegeben, welches ein Luftfahrzeug und eine Bodeneinheit aufweist. Das Luftfahrzeug ist ein Luftfahrzeug wie hierin beschrieben. Die Bodeneinheit ist außerhalb des Luftfahrzeugs angeordnet und ist ausgestaltet, ein elektromagnetisches Signal drahtlos über eine Aufwärtsstrecke an das Luftfahrzeug zu übertragen und Signale von dem Luftfahrzeug über eine Abwärtsstrecke zu empfangen.
Die Bodeneinheit kann eine stationäre Einrichtung in Form eines Gebäudes oder eine mobile Einheit wie ein Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug sein. Die Gegenstelle weist eine Antennenanordnung auf, welche elektromagnetische Signale senden und/oder empfangen kann. Bevorzugt ist die Gegenstelle eine mobile Einrichtung, welche ihre Position verändern kann, wie auch das Luftfahrzeug über ihr. Es ist denkbar, dass die Gegenstelle und das Luftfahrzeug sich so relativ zueinander bewegen, dass sich ein Winkel zwischen der Erdoberfläche an der Position der Erdoberfläche und einer Sichtverbindung zwischen Gegenstelle und Luftfahrzeug (diese Sichtverbindung entspricht dem Verlauf der Aufwärts- und/oder Abwärtsstrecke) im Wesentlichen 90° beträgt, d.h. dass die Gegenstelle sich an dem Punkt der Erdoberfläche befindet, über dem das Luftfahrzeug sich aufhält. Es ist möglich, dass der Winkel sich in einem Wertebereich um 90° befindet, z.B. 85° bis 95°, 80° bis 100°, 70° bis 110°, z.B. bedingt durch eine seitliche Bewegung des Luftfahrzeugs und/oder des die Gegenstelle tragenden Fahrzeugs. Somit ist der Verlauf der Aufwärts- und/oder Abwärtsstrecke zwischen Gegenstelle und Luftfahrzeug etwa vertikal bezogen auf die Erdoberfläche und eine Distanz, die die drahtlose Verbindung durch die Atmosphäre zurücklegen muss, ist so kurz wie möglich, um die Dämpfung des elektromagnetischen Signals so gering wie möglich zu halten. Somit ist die Gegenstelle in einer Ausführungsform auf der Erdoberfläche angeordnet.
In anderen Worten lassen sich die Eigenschaften des Luftfahrzeugs in einer Ausführungsform wie folgt zusammenfassen: mittels kurzwelliger Mikrowellenleistung wird ein elektromagnetisches Signal übertragen und über direkte aktive Modulation die Sendeleistung bzw. ein Nutzsignal für eine Abstrahleinheit einer RADAR-Anlage oder eine auf ähnlichen hohen Frequenzen arbeitende Kommunikationseinrichtung oder für ein elektronisches Aufklärungssystem bereitgestellt. Ein kleiner Teil der empfangenen Leistung kann gleichgerichtet und für den Betrieb von Komponenten wie Steuerungs- und Synchronisationsschaltungen sowie die Abwärtskommunikation verwendet werden. Dieser Ansatz ermöglicht den Betrieb einer leistungsfähigen RADAR- oder Kommunikations- oder elektronischen Aufklärungseinrichtung auf einer hoch fliegenden Plattform (UAV, Engl.: Unmanned Aerial Vehicle), die im Wesentlichen ihre gesamte oder einen Großteil ihrer eigenen elektrischen Leistung für den Antrieb benötigt. Dabei kann das elektromagnetische Signal der Aufwärtsstrecke auf einer hohen Frequenz gebündelt sein, so dass ein großer Teil der von der Gegenstelle abgestrahlten Mikrowellenleistung von der hoch fliegenden Plattform aufgefangen und für die Nutzlast genutzt werden kann. Das Luftfahrzeug weist eine Abwärtsstrecke auf, die leistungsschwächer als die Aufwärtsstrecke sein kann. Die Abwärtsstrecke kann wenig gebündelt oder fokussiert sein, so dass die Abwärtsstrecke von mehreren Gegenstellen empfangen und weiter verarbeitet werden kann.
Kurze Beschreibung der Figuren
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Die Darstellungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Elemente. Es zeigen: Fig. 1 eine Darstellung eines Luftfahrzeugs und einer Gegenstelle, welche das hierin beschriebene Funktionsprinzip implementieren;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Luftfahrzeugs mit einer Nutzlast sowie die Verbindung des Luftfahrzeugs zu einer Gegenstelle;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Komponenten eines Luftfahrzeugs.
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Komponenten eines Luftfahrzeugs in einer alternativen Ausgestaltung.
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Komponenten eines Luftfahrzeugs in einer alternativen Ausgestaltung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Fig. 1 zeigt ein Darstellung und mögliche Verwendung eines elektronischen Systems 10 in einem Luftfahrzeug 1 mit einer Bodeneinheit 2, die eine Gegenstelle 20 enthält. Die Gegenstelle 20 auf dem Boden und das elektronische System 10 in dem Luftfahrzeug 1 stehen über eine HF-Aufwärtsstrecke 30 und HF-Abwärtsstrecke 40 in einer drahtlosen Verbindung miteinander. Dabei kann die Abwärtsstrecke 40 auch mit mehreren Gegenstellen 20 in Verbindung stehen.
Das System 10 in dem Luftfahrzeug 1 strahlt die über die Aufwärtsstrecke 30 empfangene HF-Leistung ohne Zwischenspeicherung oder Umwandlung in eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom nach einer Frequenzumwandlung in ein Nutzsignal wie ein RADAR-Signal, Kommunikationssignal oder Signal einer Störanwendung als HF-Leistung 315 wieder ab. Genauso werden Nutzsignale wie reflektierte RADAR-Signale, Kommunikationssignale oder Aufklärungssignale 325 vom System 10 empfangen und frequenzgewandelt über die Abwärtsstrecke 40 an die Gegenstelle 20 zurück übertragen.
Fig. 1 zeigt in einer Übersichtsdarstellung ein Luftfahrzeug 1 mit einem System 10 und eine Bodeneinheit 2 mit einer Gegenstelle 20. Das Luftfahrzeug 1 ist in einer Variante eine leichte, hochfliegende unbemannte Plattform, deren Antriebssystem mit Solarstrom betrieben wird (Antriebssystem und Photovoltaikanlage nicht gezeigt), wobei nicht genügend elektrische Leistung oder gespeicherte elektrische Energie zum Betreiben zusätzlicher elektronischer Systeme wie Abstrahleinheiten und Kommunikationseinrichtung verfügbar ist. Auch ist der verfügbare Auftrieb zum Mitführen weiterer Solarzellen und elektrischer Energiespeicher oder eines Leistungsversorgungskabels sehr begrenzt. Diese notwendige Betriebsleistung (dies umfasst sowohl das Nutzlast-Sendesignal 315 als auch die Leistung für das Betreiben der Abstrahleinheit) soll hier als Hochfrequenzleistung von einer Gegenstelle 20 auf der Erdoberfläche, wie z.B. von einem Schiff oder Landfahrzeug mit einer ausreichender eigenen Leistungserzeugung, auf einer hohen und daher gut bündelbaren Hochfrequenz (Wellenlänge z.B. 0,97 cm, 1 cm oder 3 cm) direkt auf die fliegende Plattform über die Aufwärtsstrecke 30 mit ausreichender Leistung eingestrahlt werden. Eine Verwendung von optischer Laser-Strahlung ist möglich. Elektromagnetische Signale außerhalb des sichtbaren optischen Bereichs kann allerdings Vorteile haben bezüglich der Dämpfung durch die Atmosphäre und allgemein die Wetterabhängigkeit durch Wolken und Nebel über der See.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des in Fig. 1 gezeigten und in dem Luftfahrzeug 1 angeordneten Systems 10. Über die Aufwärtsstrecke wird ein elektromagnetisches Signal (kann auch als HF-Leistungssignal bezeichnet werden) an das Luftfahrzeug übertragen. Die Abwärtsstrecke überträgt ein elektromagnetisches Signal (kann auch als Rück-Signal bezeichnet werden) in die Gegenrichtung, also zu der Gegenstelle 20. Über die Abwärtsstrecke 40 wird ein Signal an die Gegenstelle 20 zur weiteren Verarbeitung und Nutzung gesendet.
Die Frequenz der Abwärtsstrecke ist in der Regel niedriger als die Frequenz des Signals auf der Aufwärtsstrecke, solange auf der Abwärtsstrecke keine sehr hohe Bündelung verlangt wird.
Das System 10 weist eine erste Antennenanordnung 200 auf. Die erste Antennenanordnung 200 ist ausgeführt, um das elektromagnetische Signal der Aufwärtsstrecke 30 zu empfangen und das elektromagnetische Signal der Abwärtsstrecke 40 zu senden. Die erste Antennenanordnung 200 kann eine oder mehrere Antennen enthalten, auch für weit auseinander liegende Frequenzen.
Die erste Antennenanordnung 200 ist mit der Verarbeitungseinheit 100 verbunden, um empfangene elektromagnetische Signale an die Verarbeitungseinheit 100 zu übertragen und zu sendende elektromagnetische Signale von der Verarbeitungseinheit 100 zu erhalten.
Das System 10 weist eine Nutzlast 300 auf, welche das erste modulierte Signal als Arbeitssignal verwendet. Die Nutzlast 300 kann in einem Beispiel eine Abstrahleinheit und Empfangseinheit für eine RADAR-Anlage sein.
In einem Beispiel kann die Nutzlast eine Antennenanlage für eine RADAR-Anlage sein, wobei die Antennenanlage der RADAR-Anlage eine Abstrahleinheit und eine Empfangseinheit aufweist. Es kann auch eine andere Nutzlast verwendet werden. Das Signal 315 wird dann allgemein als Nutzlast-Sendesignal und das Signal 325 allgemein als Nutzlast-Empfangssignal bezeichnet.
Auf dem Luftfahrzeug 1 wird die fokussierte und über die Aufwärtsstrecke 30 eingestrahlte Hochfrequenzleistung von verteilten Empfangsantennen als Bestandteil der ersten Antennenanordnung 200 gerichtet aufgenommen und mittels aktiver Leistungsmodulatoren in dem System 10 direkt von der hohen eingestrahlten Frequenz zu einer niedrigeren Frequenzen für die Ortung oder Kommunikation moduliert und über geeignete Antennen (z.B. Abstrahleinheit 310) wieder abgestrahlt. Ebenso werden die Nutzlast-Empfangssignale 325 auf dem Luftfahrzeug nur minimal vorverarbeitet und komprimiert und erneut mittels der Mikrowellen Leistungs-Versorgung in dem System 10 moduliert und wenig gebündelt über die Abwärtsstrecke 40 in Richtung der Gegenstelle(n) 20 abgestrahlt, wo sie von mehreren Gegenstellen empfangen und weiterverarbeitet werden können. Für die Auswahl der Ortungs- oder Kommunikationsfrequenzen sowie die Leistungsübertragung ist die atmosphärischen Dämpfung sowie übliche Verfahren in der Schifffahrt maßgebend.
Fig. 3 beschreibt in einem höheren Detaillierungsgrad den Aufbau der Verarbeitungseinheit 100 des Systems 10 aus Fig. 2.
Die Verarbeitungseinheit 100 ist einerseits mit einer Empfangsantenne 210 und einer Sendeantenne 220 der ersten Antennenanordnung 200 verbunden. Die Empfangsantenne 210 empfängt elektromagnetische Signale der Aufwärtsstrecke 30, die Sendeantenne 220 überträgt elektromagnetische Signale der Abwärtsstrecke 40.
Die Verarbeitungseinheit weist einen ersten Modulator 110 auf. Der erste Modulator 110, gesteuert durch den ersten Oszillator 115, moduliert das Signal der Aufwärtsstrecke 30, um das Nutzsignal für einen weiteren Modulator 130 und die Abstrahleinheit 310 der Nutzlast 300 zu erhalten. Dieses Nutzsignal wird direkt und ohne Umweg über eine Gleichrichtung auf die Abstrahleinheit 310 (oder eine Sendeeinheit einer Kommunikationsverbindung) gegeben. In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel befindet sich ein weiterer Modulator 130, welcher eine Signalbearbeitungseinheit sein kann, z.B. für die Synchronisation und Phasenschwenkung, zwischen dem ersten Modulator 110 und der Abstrahleinheit 310. Weiterhin weist die Verarbeitungseinheit 100 einen zweiten Modulator 120 auf.
Der zweite Modulator erhält und verwendet das Empfangssignal von der Nutzlast 300 und moduliert dies so, dass es über die Abwärtsstrecke 40 übertragen werden kann. Zwischen dem zweiten Modulator 120 und der Empfangsantenneneinheit 320 der Nutzlast 300 ist eine optionale Empfangs- und Signalverarbeitungseinheit 140 angeordnet. Zwischen dem zweiten Modulator 120 und der Sendeantenne 220 der ersten Antennenanordnung 200 ist ein optionaler Datenkompressor 150 angeordnet. Mit dem ersten Modulator 110 ist ein erster Mischoszillator 115 verbunden und mit dem zweiten Modulator 120 ist ein zweiter Mischoszillator 125 verbunden. Die Mischoszillatoren 115, 125 mit den Modulatoren 110 und 120 haben auch die Aufgabe, bei Antennenanordnungen bestehend aus mehreren Sende- und Empfangsantennen eine Phasenkohärenz herzustellen, so dass die Signale phasenrichtig kombiniert werden können.
In dem Zweig des ersten Modulators 110 und dem Zweig des zweiten Modulators 120 erfolgt eine direkte Signalumwandlung bzw. Frequenzänderung. Der erste Modulator 110 moduliert das Signal der Aufwärtsstrecke 30 so, dass dieses modulierte Signal direkt als RADAR--Sendersignal genutzt werden kann. Der zweite Modulator 120 moduliert das ggf. vorverarbeitete Empfangssignal so, dass es direkt als Signal der Abwärtsstrecke genutzt werden kann.
Die Verarbeitungseinheit 100 weist zwei Modulatoren 110, 120 zur Remodulation der empfangenen Mikrowellenleistung mit der Aufwärtsstrecken-Frequenz (Frequenz des Signals der Aufwärtsstrecke 30) fup zur niedrigeren RADAR- Sendefrequenz fRADAR und der RADAR-Empfangsfrequenz fRADAR zur niedrigeren Abwärtsstrecken-Frequenz (Frequenz des Signals der Abwärtsstrecke 40) füown . Die Leistungsmischer verwenden wie gewöhnlich aktive Bauelemente wie Dioden, Transistoren oder Röhren oder passive Bauelemente wie parametrisch veränderbare Induktivitäten oder Kapazitäten. Anders als andere Mischer verwenden sie keine Gleichspannungs-Betriebsspannungsversorgung, sondern ausschließlich Mikrowellen-Spannungen, ähnlich wie AC-AC Konverter in der Leistungselektronik. Nur ein kleiner Teil der Mikrowellenleistung wird gleichgerichtet und für einige Steuerschaltungen wie die Oszillatoren 115, 125 und eine Steuereinheit 400.
Dabei stehen die Frequenzen der Mischoszillatoren 115 und 125 in festen oder variablen Zahlenverhältnissen, fi = l/k fup und f2 = m/n fi, um so eine niedrigere RADAR-Sende- und Empfangsfrequenz fRADAR = fup - fi zu erzeugen sowie eine davon verschiedene Abwärtsstrecken-Frequenz fdown = fRADAR + f2. Eine einfache Kohärenz aller Frequenzen wird dabei durch die Gegenstelle 20 (auch: Bodenstation) erreicht, die einen hochpräzisen Oszillator für die Aufwärtsstrecken- Frequenz fup hat. Bei einer Signalverarbeitung durch den Datenkompressor 150 an Bord des Luftfahrzeugs kann diese Bedingung abgeschwächt werden, nur die beiden lokalen Mischoszillatoren 115 mit fi und 125 mit f2 müssen für eine kohärente Signalverarbeitung in Phase sein, z.B. durch eine gemeinsame hochkonstante Frequenzquelle.
Zwischen dem ersten Modulator 110 und der Abstrahleinheit 310 ist ein weiterer Modulator 130 angeordnet, um eine Synchronisation zur Erkennung der RADAR- Reflektionen, Phasenschiebung zur aktiven Strahlschwenkung sowie Entfernungsmessung zu ermöglichen.
Der Sende-Empfangskanal bestehend aus Aufwärtsstrecke 30 und Abwärtsstrecke 40 kann entsprechend der Antennencharakteristik mehrfach vorhanden sein, um ein breite Abstrahlung sowie eine Winkelauflösung aus der Phasenverschiebung in mehreren Empfangskanälen zu errechnen, wie üblich in Antennen mit elektronischer Strahlschwenkung. Dieser Schritt wird jedoch in der Gegenstelle 20 ausgeführt.
Da die drahtlose Leistungsübertragung der Aufwärtsstrecke 30 am günstigsten für eine optimale Auslegung der Sendeendstufen in der Gegenstelle 20 stetig und gleichmäßig erfolgt, muss das RADAR-Signal diese Leistung vorteilhafterweise stetig und gleichmäßig als Nutzsignal 315 wieder abstrahlen, da keine Speicherung der Mikrowellenleistung im Luftfahrzeug möglich und sinnvoll ist. Diese Abstrahlung der RADAR-Sendeleistung mittels des RADAR-Sendesignals 315 kann in zwei Arten erfolgen: als umlaufender fokussierter Strahl, wobei jeder einzelne Leistungsmodulator 110 die volle Leistung der Aufwärtsstrecke umsetzen können muss und wobei eine Phasensteuerung die elektronische Strahlschwenkung macht (hierbei erfolgt auch nur ein Empfangen des Empfangssignals 325 aus diesem engen Strahl. Aufgrund der stärker gebündelten Sendeleistung ist eine geringere Anzahl von Integrationen des Empfangssignals 325 nötig, das Gesamtbild wird nur mit jedem Strahlumlauf aktualisiert) oder rundum als kontinuierliche kreisförmige Abstrahlung oder soweit es die Antenne ermöglicht, wobei alle einzelnen Leistungsmodulatoren 110 zusammen die drahtlose Leistung der Aufwärtsstrecke übernehmen müssen, womit jeder Leistungsmodulator 110 mit einer geringeren Leistung ausgestaltet sein kann.
Eine Strahlschwenkung kann über eine umlaufende Phasenmodulation über den ersten Modulator 110 und/oder den weiteren Modulator 130 erfolgen oder bei dauernder ungerichteter kohärenter Rundum-Abstrahlung durch eine Phasenauswertung im Empfangskanal des zweiten Modulators 120 erfolgen.
Die Steuerung der Nutzlast 300 mit Abstrahleinheit 310 und Empfangseinheit 320 erfolgt durch auf das Signal der Aufwärtsstrecke 30 mit sehr geringem Modulationsindex (AM, FM, PM, PCM) aufmodulierte Steuersignale. Auch eine zentrale Synchronisation kann aufmoduliert werden, die so allen empfangenden Bodenstationen oder Schiffen im Empfangsbereich der abgestrahlten komprimierten RADAR-Empfangssignalen eine eigenständige Auswertung und Darstellung ermöglicht. Genauso können durch Modulation der Aufwärtsstrecke 30 mit sehr geringem Modulationsindex die nötigen Steuer- und Kommandosignale für die zentrale Steuereinheit 400, die über Steuer- und Synchronisations- Signalleitungen mit allen Blöcken (nicht gezeigt) in der Verarbeitungseinheit 100 in Verbindung steht, übertragen werden. Für die drahtlose Signalübertragung auf den Übertragungsstrecken 30, 40 von der Gegenstelle 20 zum hoch fliegenden Luftfahrzeug 1 wird ein hoch fokussierter Mikrowellenstrahl verwendet. Für eine hohe Bündelung muss der Durchmesser DTX der Sendeantenne der Gegenstelle 20 erheblich größer als die Wellenlänge ltc sein, DTX > 100 ltc oder auch DTX > 300 ltc, oder auch DTX > 1000 ltc. Da die Abstrahlung weitgehend vertikal erfolgt, können auch kürzere Wellenlängen wie l = 3 cm oder l = 0,97 cm verwendet werden, die in der Atmosphäre zwar eine höhere Dämpfung erfahren, die hoch dämpfenden Wolken aber vertikal, d.h. auf dem kürzesten Wege, durchqueren und so das Ausmaß der Dämpfung begrenzt bleibt. Weiter erlauben kurze Wellenlängen eine hohe Fokussierung mit Antennenflächen, die auch für mobile Bodenstation oder auf Schiffen möglich sind. Wegen der hohen Fokussierung und damit engen Begrenzung der Mikrowellenenergie muss dabei die Sendeantenne in der Gegenstelle mechanisch schwenkbar sein oder durch Phasenverschiebung im Senderantennenfeld der drahtlose Aufwärtsstrahl 30 elektronisch geschwenkt werden und so den genauen Flugbewegungen des hoch fliegenden Luftfahrzeugs folgen kann. Wegen der hohen Bündelung muss auch die Empfangsantenne 210 der Sendeantenne der Gegenstelle durch elektronische Strahlschwenkung, d.h. Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Elementen der Empfangsantenne, folgen, da eine mechanische Schwenkung ein zu hohes Gewicht haben würde. Eine starke Fokussierung ist für eine hohe Übertragungsökonomie vorteilhaft, da ein Großteil der über die Sendeantennenfläche ATX abgestrahlte Mikrowellenleistung mit der Empfangsantennenfläche ARX der Empfangsantenne 210 am Luftfahrzeug 1 in etwa 20 km Höhe oder auch nur in einer Höhe von 1 km bis 2 km empfangen werden soll.
Dabei bilden die Leistung sendende Gegenstelle 20 und das empfangende System 10 in dem Luftfahrzeug 1 ein kooperatives System, das wechselweise die Sende- und Empfangscharakteristik für eine optimale Leistungsübertragung aneinander angleicht. Die Abwärtsstrecke 40 nutzt eine weit geringere Frequenz als die Aufwärtsstrecke 30, was eine deutlich breitere Abstrahlung durch die Sendeantenne 220 im Luftfahrzeug 1 ergibt. Dies hat den Vorteil, dass mehrere voneinander unabhängige Gegenstellen 20 das RADAR-Empfangssignal auf der Abwärtsstrecke 40 für ihre Zwecke auswerten und darstellen können.
Die RADAR-Abstrahlung kann rundstrahlend, um das Luftfahrzeug 1 herum erfolgen, wenn eine solche rundstrahlende Antenne eingebaut werden kann. Dies ermöglicht eine permanente Rundumsicht auch bei einem geradlinigen Kurs des Luftfahrzeugs. Alternativ kann eine längliche Antenne, die nur zwei Halbräume, vorne und hinten oder rechts und links zum kreisenden Flugweg des Luftfahrzeuges ausleuchten kann, verwendet werden. Um ein volles Bild zu erhalten, muss das Luftfahrzeug in diesem Fall über einer wenig veränderlichen Aufklärungsposition über Land kreisen, oder der Bewegung eines Flottenverbandes über See kreisend folgen. So eine längliche Antenne kann die Bauausführung des Luftfahrzeugs 1 erheblich vereinfachen.
Um mit der verfügbaren Sendeenergie möglichst effektiv ein Suchgebiet auszustrahlen, kann das Antennendiagramm vertikal schwenkbar sein, um dadurch Schieflagen des Luftfahrzeuges und der Antennen auszugleichen.
Die Verarbeitungseinheit 100 weist eine Steuereinheit 400 auf, welche die einzelnen Komponenten steuert.
Bezugnehmend auf Fig. 3 zeigt Fig. 4 eine alternative Ausgestaltung des Systems 10 für ein Luftfahrzeug 1. In dieser Ausgestaltung ist eine kombinierte Antennenanlage 330 bereitgestellt, welche die Funktionen der Abstrahleinheit 310 und der Empfangseinheit 320 aus Fig. 3 kombiniert. Die Antennenanlage 330 sendet ein RADAR-Sendesignal 315 aus. Die Antennenanlage 330 empfängt auch ein RADAR-Empfangssignal 325. Das RADAR-Sendesignal 315 wird von der Verarbeitungseinheit 100 erzeugt, indem das elektromagnetische Signal der Aufwärtsstrecke 30 moduliert (d.h. in seiner Frequenz verändert) wird. Das modulierte Signal wird an die Antennenanlage 330 weitergegeben und von ihr als RADAR-Sendesignal 315 abgestrahlt. Beide Signale von und zu der Antennenanlage 330 werden in der Verarbeitungseinheit 100 durch einen Zirkulator oder Diplexer 160 je nach Signalrichtung oder Signalfrequenz aufgeteilt.
Bezugnehmend auf Fig. 3 und Fig. 4 zeigt Fig. 5 eine weitere alternative Ausgestaltung des elektronischen Systems 10 für ein Luftfahrzeug 1. Hier ist eine beliebige Kommunikations- oder Messeinrichtung 330, die über eine beliebige Verbindung 335 mit der Umgebung in Verbindung steht, gezeigt. Die anderen Komponenten 110, 115, 120, 125, 150, 400 haben die gleiche Funktionen wie schon für die Fig. 3 und Fig. 4 beschrieben.
Die Verarbeitungseinheit 100 weist eine zwischen den Modulatoren 110, 120 angeordnete universelle Datenverarbeitungseinheit 170, wie z.B. einen Computer, auf. Die Datenverarbeitungseinheit wird mit einer hochfrequenten Spannungs oder Stromversorgung, gewonnen aus dem ersten Modulator 110, betrieben, und nicht wie in allgemein üblichen Ausführungen mit einer oder mehreren Gleichspannungen, was einen Leistungsgleichrichter in bekannter Ausführung erfordern würde. Dies ist möglich, wenn die Schaltelemente in der Datenverarbeitungseinheit 170 nicht allgemein übliche Schaltungen mit Gleichspannungs- oder Stromversorgung sind, sondern parametrisch veränderliche Hochfrequenz-Wechselstrom Schaltungen, wie z.B. Parametrons oder parametrische Verstärker oder Mischer.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ oder „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste
1 Luftfahrzeug
2 Bodeneinheit
10 elektronisches System
20 Gegenstelle
30 Aufwärtsstrecke
40 Abwärtsstrecke
100 Verarbeitungseinheit
110 erster Modulator
115 erster Mischoszillator
120 zweiter Modulator
125 zweiter Mischoszillator
130 Modulator, Signalkonditionierung
140 Empfangs- und Signalverarbeitungseinheit
150 Datenkompressor
160 Zirkulator, Diplexer
170 Datenverarbeitungseinheit
200 erste Antennenanordnung
210 Empfangsantenne
220 Sendeantenne
300 Nutzlast
310 Abstrahleinheit
315 Nutzlast-Sendesignal
320 Empfangseinheit
325 Nutzlast-Empfangssignal
330 kombinierte Sende- und Empfangsantennenanlage
335 Verbindung zur Umwelt
400 Steuereinheit

Claims

Patentansprüche
1. Luftfahrzeug (1 ) aufweisend: eine erste Antennenanordnung (200), welche ausgestaltet ist, elektromagnetische Signale drahtlos zu empfangen; eine Nutzlast (300); eine Verarbeitungseinheit (100), welche mit der ersten Antennenanordnung (200) einerseits und mit der Nutzlast (300) andererseits gekoppelt ist; wobei die Verarbeitungseinheit (100) ausgestaltet ist, ein von der ersten Antennenanordnung (200) empfangenes elektromagnetisches Signal (30) zu modulieren und dadurch ein erstes moduliertes Signal zu erzeugen und an die Nutzlast (300) weiterzuleiten; wobei die Nutzlast (300) ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Arbeitssignal zu verwenden.
2. Luftfahrzeug (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Nutzlast (300) eine zweite Antennenanordnung ist, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Nutzlast-Sendesignal (315) zu verwenden; oder; wobei die Nutzlast (300) eine Kommunikationsanlage ist, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Trägersignal einer drahtlosen Kommunikationsverbindung zu verwenden; oder wobei die Nutzlast (300) eine Aufklärungsanlage ist, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Sendersignal zu verwenden; oder wobei die Nutzlast (300) eine Datenverarbeitungseinheit (170) ist, welche ausgestaltet ist, das erste modulierte Signal als Spannungs- und Stromversorgung zu verwenden.
3. Luftfahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verarbeitungseinheit (100) einen ersten Modulator (110) aufweist; wobei der erste Modulator (110) ausgestaltet ist, das empfangene elektromagnetische Signal (30) auf eine niedrigere Frequenz abwärts zu modulieren, um das erste modulierte Signal zu erzeugen.
4. Luftfahrzeug (1 ) nach Anspruch 3, wobei der erste Modulator (110) ausgestaltet ist, eine kohärente Modulation anzuwenden, um das erste modulierte Signal zu erzeugen.
5. Luftfahrzeug (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit ausgestaltet ist, einen Teil des empfangenen elektromagnetischen Signals (30) in ein Gleichstromsignal zu wandeln und das Gleichstromsignal als Energieversorgung von Komponenten des Luftfahrzeugs zu verwenden.
6. Luftfahrzeug (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit (100) einen zweiten Modulator (120) aufweist; wobei der zweite Modulator (120) ausgestaltet ist, ein Ausgabesignal der Nutzlast (300) auf eine höhere oder niedrigere Frequenz zu modulieren und dadurch ein zweites moduliertes Signal zu erzeugen.
7. Luftfahrzeug (1 ) nach Anspruch 6, wobei die Verarbeitungseinheit (100) einen Datenkompressor (150) aufweist, welcher ausgestaltet ist, das zweite modulierte Signal zu verarbeiten.
8. Luftfahrzeug (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, weiterhin aufweisend eine Abstrahleinheit (310) und eine Empfangseinheit (320); wobei die Abstrahleinheit (310) ausgestaltet ist, das Arbeitssignal als Nutzlast-Sendesignal (315) auszusenden; wobei die Empfangseinheit (320) ausgestaltet ist, ein Nutzlast- Empfangssignal (325) zu empfangen; wobei die Verarbeitungseinheit (100) ausgestaltet ist, das Nutzlast- Empfangssignal an die erste Antennenanordnung (200) zu übertragen, um eine Übertragung an eine Gegenstelle (20) mittels des auszusendenden elektromagnetischen Signals zu ermöglichen.
9. System, aufweisend ein Luftfahrzeug (1) und eine Bodeneinheit (2); wobei das Luftfahrzeug (1) ein Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis
8 ist; wobei die Bodeneinheit (2) außerhalb des Luftfahrzeugs (1) angeordnet ist; wobei die Bodeneinheit (2) ausgestaltet ist, ein elektromagnetisches Signal drahtlos über eine Aufwärtsstrecke (30) an das Luftfahrzeug (1 ) zu übertragen und Signale von dem Luftfahrzeug (1) über eine Abwärtsstrecke (40) zu empfangen.
10. System nach Anspruch 9, wobei die Bodeneinheit (2) auf der Erdoberfläche angeordnet ist.
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