DE1270631B - Anordnung zur Darstellung der raeumlichen Lage von Funksendern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WS^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIs

Deutsche Kl.: 21 a4-48/12

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 70 631.9-35
25. Januar 1962
20. Juni 1968

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Darstellung der räumlichen Lage von Funksendern auf dem Schirm einer Braunschen Röhre.

Anordnungen zur Landehilfe oder zur Verhütung von Kollisionen sind bekannt, bei denen von Sendern ausgestrahlte und von dem Flugzeug empfangene Hochfrequenzwellen Verwendung finden. Beispielsweise wird die Gleitbahn eines Flugzeugs zum Landen von einem Funkleitstrahl gebildet. Der Pilot steuert das Flugzeug so, daß sich zwei gekreuzte Zeiger stets in der Mitte einer Anzeigescheibe befinden. Ferner kann zur Beobachtung benachbarter Flugzeuge der an einem Flugzeug angeordnete Funksender Informationen bezüglich der Höhe, der Richtung und der Geschwindigkeit übertragen. Aus diesen Werten kann in einem Flugzeug angezeigt werden, ob Kollisionsgefahr besteht.

Man ist jedoch bestrebt, dem Piloten ein möglichst naturgetreues Bild der Vorgänge zu liefern. Dazu ist es bekannt (britische Patentschrift 601976), eine Landebahn beidseitig mit Funksendern zu versehen und die von den Sendern ausgestrahlten Wellenzüge mittels einer am Flugzeug angeordneten Antenne abzutasten, wobei die von der Antenne gelieferten Spannungen den beiden Ablenksystemen einer Braunschen Röhre zugeführt werden und auf dem Bildschirm eine Abbildung der Funksender erzeugen, deren Lage den Einflugwinkel und die Höhe des Flugzeugs anzeigt. Dabei wird die Antenne in zwei Ebenen geschwenkt, um die Sender abzutasten. Dabei kann natürlich der Fall eintreten, daß bei einer ungenauen Steuerung des Schwenkwinkels der Antenne ein einzelner Sender mehrmals gleichzeitig abgebildet werden kann. Ferner muß die Schwenkbewegung der Antenne mit den Generatoren für die waagerechte und senkrechte Ablenkspannung synchronisiert sein.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist deshalb darin zu sehen, die Anzeigegenauigkeit bei einer Anordnung gemäß der eingangs geschilderten Art zu erhöhen und die Anordnung in einfacherer und zweckmäßiger Weise auszubilden. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sender impulsmoduliert sind und mittels einer an sich bekannten Peilvorrichtung empfangen werden, bei der zwei Antennenpaare (32, 34; 36, 38) mit überlappender Richtcharakteristik für zwei zueinander senkrechte Koordinatenebenen vorgesehen sind, bei der die Ausgangsspannung jeder einzelnen Antenne demoduliert und über je einen logarithmischen Verstärker (32 c, 34 c, 36 c, 38 c) an eine Einrichtung zur Differenzbildung (44, 56) eines Paares geführt sind und bei der die so gebildeten beiden Differenzspannungen Anordnung zur Darstellung der räumlichen Lage von Funksendern

Anmelder:

The Bendix Corporation, Detroit, Mich.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing, H. Negendank, Patentanwalt,

2000 Hamburg, Neuer Wall 41

Als Erfinder benannt:

Julius Schiffman, Oakland County, Mich.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. Januar 1961 (85166),
vom 30. August 1961 (137 708)

den beiden Ablenksystemen (52, 62) der Braunschen Röhre zugeführt sind.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung liegen darin, daß starre Antennen vorgesehen sind und durch die Impulsmodulation eine zweideutige Abbildung von Bildpunkten auf dem Schirm durch entsprechende Wahl der Modulation vermeidbar ist. Ferner entspricht die Abbildung auf dem Schirm in großer Annäherung dem wirklichkeitsgetreuen Bild, das der Pilot visuell wahrnehmen könnte.

Antennenpaare mit überlappender Richtcharakteristik sind an sich bekannt (Introduction to Monopulse). Ferner ist es bekannt, den Einfallswinkel der von der Antenne aufgenommenen Wellenzüge durch Amplitudenphasenmessung oder Summen- und Differenzbildung zu ermitteln. Darin allein besteht jedoch nicht die Erfindung.

Ferner besteht ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung darin, daß sie sowohl zum Landeanflug als auch zur Beobachtung benachbarter Flugzeuge geeignet ist.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und la die perspektivische Ansicht einer durch Sender gekennzeichneten Landebahn und die Darstellung der Sender auf dem Bildschirm einer Braunschen Röhre bei einer Entfernung des Flugzeugs von etwa 5 km,

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F i g. 2 und 2 a die Landebahn und die Bildschirm- tenne aufgenommene .Energie gleich al. Dies entdarstellung bei einer Entfernung von etwa 1 km, spricht in F i g. 7 der Spannungsgröße X bzw. Y.

Fi g. 3 und 3 a die Landebahn und die Bildschirm- Gleiche Verhältnisse gelten für das senkrecht angedarstellung beim Landen des Flugzeugs, ordnete Antennenpaar. Die von den Antennenpaaren

F i g. 4 und 4 a die Landebahn und die Bildschirm- 5 empfangenen Impulszüge werden gemäß der in F i g. 5 darstellung bei einer Entfernung des Flugzeugs von dargestellten Anordnung verarbeitet, so daß die Sender etwa 5 km und seitlicher Abweichung des Flugzeugs, auf dem Schirm einer Braunschen Röhre dargestellt

Fig. 5 ein Schaltschema der erfindungsgemäßen werden.
Anordnung, Befindet sich beispielsweise das Flugzeug 26 in

F i g. 6 ein Antennenpaar mit überlappender Rieht- io F i g. 1 etwa 5 km von der Landebahn entfernt und charakteristik, fallen die Symmetrieachse der Landebahn und die

Fig. 6a die perspektivische Ansicht eines An- Flugzeuglängsachse zusammen, so ergibt sich das in tennenpaares, F i g. 1 a gezeigte Bild, in dem die die Sender ab-

F i g. 6 b einen teilweisen Längsschnitt durch das bildenden Punkte beidseitig symmetrisch zur senk-Antennenpaar gemäß Fig. 6a, 15 rechten Bildschirmachse28 angeordnet sind und ihre

Fig. 6c ein Diagramm zur Darstellung der Rieht- Verbindungsgerade einen Punkt auf der Achse28 charakteristik eines Antennenpaares, schneidet. Je größer die Entfernung des Flugzeugs von

F i g. 7 die Spannungshöhe des von dem Antennen- der Landebahn ist, desto kleiner ist der Winkel der paar mittels der Anordnung gemäß F i g. 5 empfan- Verbindungsgeraden, Die Verteilung der Bildpunkte genen Signals in Abhängigkeit von der Zeit, 20 oberhalb bzw. unterhalb der waagerechten Bildschirm-

Fig. 8 ein Beispiel für die Übertragungswege zwi- achse30 ist ein Maß für die Höhe des Flugzeugs, sehen einem Sender und dem Flugzeug, Wird jedoch die' Landebahn gemäß F i g. 4 von

F i g. 9 die Spannungshöhe ähnlich F i g. 7 bei dem Flugzeug in einem schrägen Winkel angeflogen, einem Übertragungsweg gemäß F i g. 8, so ergibt sich die Bildschirmdarstellung gemäß

Fig. 10 die Projektion des Kathodenstrahlbildes 25 Fig. 4a, bei der die beiden Verbindungsgeraden der auf die Windschutzscheibe, Sender 22 und 24 sich nicht mehr in der senkrechten

Fig. 11a und 11b eine Draufsicht und eine Vorder- Mittellinie 28 schneiden. Aus F i g. 2 a ist ersichtlich, ansicht auf mehrere Antennenpaare zum Zwecke der daß die Entfernung des Flugzeugs nur mehr etwa Kollisionsverhütung, 1 km beträgt und daß die Flughöhe kleiner geworden

Fig. 12 ein Schema zur Erläuterung der Kollisions- 30 ist. Die Bildpunkte sind nämlich in stärkerem Maß verhütung. unter die waagerechte Mittellinie verlagert und der

Die zu beiden Seiten der Landebahn in Reihen, Winkel der beiden Verbindungsgeraden vergrößert. In vorzugsweise in gleichen Abständen und paarweise F i g. 3 a ist die Abbildung auf dem Schirm beim gegenüberliegend angeordneten Sender 22 und 24 in Landen des Flugzeugs dargestellt. F i g. 1 strahlen Hochfrequenzwellenzüge ab, die durch 35 Die in F i g, 6 a gezeigte Antenne besteht aus einem rechteckige Impulse entsprechender Breite, beispiels- Pyramidenstumpf 27 aus leitfähigem Werkstoff, der weise 0,5 \is, und Wiederholfrequenz, z.B. 300 bis in der Flugzeugnase angeordnet ist. Die einzelnen 500Hz, moduliert sind. Die Trägerfrequenz ist vor- Antennen bestehen aus etwa dreieckförmigen, mit zugsweise größer als 3000 MHz. Die Intervalle zwischen Verzahnungen versehenen Streifen, von denen je einer den Impulsen verschiedener Sender sind unterschied- 40 auf einer Seite des Pyramidenstumpfes von diesem lieh, so daß ein gleichzeitiger Empfang mehrerer Im- isoliert angeordnet ist (IRE Convention Record, 1957, pulse von verschiedenen Sendern möglichst klein ist. S. 119 bis 128). Die Antenne weist ein periodisches Zu diesem Zweck sind die Sender untereinander syn- logarithmisches Frequenzverhalten auf. Jede einzelne chronisiert, wobei die Intervalle und/oder die Frequenz Antenne 27 a in F i g. 6 b divergiert von der Wandung der von den Sendern abgestrahlten Impulszüge so 45 27 des Pyramidenstumpfes vom Scheitel 27 b aus zur gewählt ist, daß die Anzahl der gleichzeitig von einem Basis 27 c. Vom Scheitel 27 b weg führt das Koaxial-Antennenpaar am Flugzeug empfangenen Impulszüge kabel 29.

kleiner als die Zahl ist," die eine nicht eindeutige Ab- In F i g. 5 wird die Ausgangsspannung jeder ein-

bildung verursacht. Vorzugsweise sind wenigstens zwei zelnen Antenne 32, 34, 36 und 38 in den Kristallverschiedene Intervallzeiten zwischen den Impulszügen 50 detektoren 32b, 34b, 36b und 38& demoduliert und zu vorgesehen. Die Antennen der Sender sollen Boden- dem logarithmischen Verstärker 32 c, 34 c, 36 c und reflexionen nach Möglichkeit vermeiden (Transactions 38 c zugeführt. Die Amplitude der Ausgangsspannung IRE, antennas and propagation section, September jedes logarithmischen Verstärkers ist dem Logarithmus 1960, S. 477). der Ausgangsspannung der betreffenden Antenne pro-

An Bord des Flugzeugs 26 sind zwei Antennen- 55 portional. Die Kennlinien der logarithmischen Verpaare 32 und 34 bzw. 36, 38 mit überlappender Rieht- stärker können derart auf diejenigen der Kristallcharakteristik für zwei zueinander senkrechte Koordi- detektoren und der Antennen abgestimmt werden, daß natenebenen vorgesehen. Fig. 6a zeigt das symme- innerhalb eines verhältnismäßig großen Winkel- und trisch zur Flugzeuglängsachse 42 angeordnete waage- Amplitudenbereiches eine im wesentlichen logarithrechte Antennenpaar 32 und 34. Die Richtungs- 60 mische Beziehung zwischen der Amplitude der Verempfmdlichkeit der Antennen 32 und 34 ist in F i g. 6 stärkerausgangsspannung und dem Richtungswinkel durch die Kurven 32a und 34a dargestellt, während besteht. In den Einrichtungen 44 und 56 wird jeweils in F i g. 6 c die Stärke der empfangenen linpulszüge die Differenz der Ausgangsspannungen eines Anin Abhängigkeit vom Einfallswinkel Θ aufgetragen ist. tennenpaares gebildet. Die von den Einrichtungen 44 Ist der Winkel Θ gleich dem Winkel zwischen der 65 und 56 gelieferten Differenzspannungen, die jeweils Flugzeuglängsachse 42 und der Antennenachse 40, so den Logarithmen der Quotienten der Verstärkerist die an der einen Antenne aufgenommene Energie ausgangsspannungen proportional sind, werden den gleich a2 in F i g. 6 c und die von der anderen An- Verstärkern 46 und 58 und dann zu den Austaststufen

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50 und 60 geführt. Die Austaststufen liefern eine recht- Kristallrauschen verursacht, vermieden. Hierzu werden eckf örmige Spannungswelle konstanter Dauer mit einer in den Einrichtungen 44 und 56 die Summen der VerAmplitude, die proportional zur Anstiegsamplitude stärkerausgangsspannungen gebildet und die beiden der an die Austaststufe geführten Spannung ist, an Summenspannungen der Einrichtung 48 zur Summendas senkrechte Ablenksystem 52, bzw. das waagerechte 5 bildung zugeführt. Deren Ausgangsspannung wird Ablenksystem 62 der Braunschen Röhre 54. einer Schwellwerteinrichtung 64 zugeführt. Überschrei-Somit ist die waagerechte Koordinate eines Bild- tet die Summe der vier Ausgangsspannungen der punktes auf dem Schirm für jeden Sender eine Funk- Verstärker eine bestimmte Größe, dann beaufschlagt tion des Verhältnisses der Ausgangsspannungen eines die Schwellwerteinrichtung 64 einen Schaltspannungs-Antennenpaares 32 und 34 und damit eine Funktion io generator 66, der zwei Impulse erzeugt, die den beiden der waagerechten Projektion des Winkels Θ zwischen Austaststufen 50 und 60 zugeführt werden. Werden der Einfallsrichtung der Wellenzüge und der Flugzeug- keine Ausgangsimpulse erzeugt, so sind die beiden längsachse. Andererseits ist die senkrechte Koordinate Austaststufen 50 und 60 gesperrt,
des Bildpunktes auf dem Schirm eine Funktion des Damit wird auch die Darstellung von Streubildern Verhältnisses der Ausgangsspannungen des Antennen- 15 infolge von Bodenreflexionen der vom Sender auspaares 36 und 38 und damit eine Funktion der senk- gesandten Impulszüge vermieden. Ein am Boden rechten Projektion des Winkels Θ. Es ergeben sich reflektierter Impulszug ist in F i g. 8 dargestellt, somit für jeweils ein Antennenpaar folgende Be- Gemäß F i g. 9 weisen nun der direkt übertragene Ziehungen: und der reflektierte Impulszug eine Laufzeitdifferenz

E₁ = E₀- g^k@i , 20 auf. Der Schaltspannungsgenerator 66 erzeugt Impulse

und liefert sie an die Austaststufen zum Zeitpunkt i, so

E₂ = E₀- e^Ke>*, daß der reflektierte Impulszug r, dessen Einfallswinkel

worin einen Fehler aufweist, nicht berücksichtigt wird.

_ ,. ., „ ι*· j ο · ^ie ^vom Schaltspannungsgenerator 66 gelieferten

E₀ = die ideelle resultierende Spannung an einem ^ _{Impulse wefden femer durch dne V}erzögerungsein-

Antennenpaar, richtung und ein NICHT-Gatter 70 auf einen Sperr-

E₁ = die Ausgangsspannung der einen Antenne des schwinger 72 geführt, dessen Ausgang mit einer HeIl-

Antennenpaares, steuerelektrode 74 der Braunschen Röhre verbunden

E₂ = die Ausgangsspannung der anderen Antenne ist. Ferner wird die Entstehung von fehlerhaften

des Ausgangspaares, 30 Bildern vermieden, wenn die Ausgangsspannungen der

©! = der Winkel zwischen der Einfallsrichtung des Antennen so groß sind, daß die logarithmischen Ver-

Senders und der einen Antenne, stärker außerhalb ihrer logarithmischen Kennlinie

6>₂ = der Winkel zwischen der Einfallsrichtung des ^^rbe^ⁿ- ^De^^lb^J¹J¹/⁶ ™r Verstärkerausgänge

Senders und der anderen Antenne. Je Dioden 32d 34d 36d und 38d ein Amphtuden-

35 diskriminator 68 und das NICHT-Gatter bzw. die

Dabei ist näherungsweise angenommen, daß für Verzögerungseinrichtung 70 angeschlossen. Der Ameinen verhältnismäßig großen Winkelbereich die Aus- plitudendiskriminator 68 spannt die Dioden derart vor, gangsspannung jeder Antenne eine exponentielle daß sie bei einer Ausgangsspannung der Verstärker Funktion des Winkels ist. Abweichungen von dieser unterhalb einer bestimmten Größe im Sperrzustand Beziehung können durch die Abstimmung zwischen 40 sind. Bei größeren Ausgangsspannungen wird die entden Kennlinien der Antennen, Detektoren und Ver- sprechende Diode leitend, und über den Amplitudenstärker ausgeglichen werden. diskriminator 68 und die Verzögerungseinrichtung 70 Die Ausgänge der logarithmischen Verstärker 32 c wird der Sperrschwinger 72 gesperrt und die Spannung und 34 c sind an der Hellsteuerelektrode herabgesetzt. Gemäß E ' = A los E 45 F i g. 10 kann das Braunsche Rohr 54 mit einer seit-¹ *' liehen Projektionsröhre 180 versehen sein, mittels der E₂ = A log E₂, das Bild auf die Windschutzscheibe 82 projiziert wird.

Zur Beobachtung benachbarter Flugzeuge bzw. zur

worin A = der Verstärkungsfaktor. Kollisionsverhütung ist jedes Flugzeug mit einer An-

Die Einrichtung 44 zur Differenzbildung liefert die 50 tenne und einem Sender ausgerüstet. Zur Vergrößerung

Spannung des Winkelbereichs sind beispielsweise gemäß den

„ Fig. 11a und 11b vier pyramidenförmige Antennen

E" = E₁ -E₂ = Alog— = AK(O₁ -O₂), 92a, 92b, 92c und 92d strahlenförmig und in einer

E₂ Ebene angeordnet. Die Bauweise der Antennen ent-

55 spricht der Antenne in Fig. 6a. Je ein Antennen-

da nun O₁ — Θ₂ das Zweifache des Winkels Θ beträgt, system ist am Bug 90 und am Heck 88 des Flugzeugs

der von der Einfallsrichtung und der Symmetrieachse in F i g. 12 vorgesehen. Das Flugzeug 86 bewegt sich

der beiden Antennen gebildet ist, folgt längs der Linie 86 a und das Flugzeug 84 mit dem

gri _ 2 AK Θ Sender 85 längs der Linie 84 a. Auf dem Bildschirm

60 der Braunschen Röhre im Flugzeug 86 erscheint die

Daraus geht hervor, daß die Amplitude der auf das Abbildung des sich bewegenden Flugzeugs 84. Ist Ablenksystem 52 übertragenen Spannung von der dieses Bild unbeweglich, so ist die Gefahr einer Kolli-Amplitude der Antennenausgangsspannung unabhän- sion gegeben. Die Linien 94 a bis 94/ in F i g. 12 entgig und dem Winkel zwischen der Einfallsrichtung und sprechen beispielsweise Zeitintervallen von einer Seder Symmetrieachse der beiden Antennen propor- 65 künde entsprechend der Geschwindigkeit und Lagetional ist. veränderung der beiden Flugzeuge. Verlaufen die Ferner wird die falsche Abbildung von Bildpunkten Linien zueinander parallel, so erreichen die beiden infolge von Streusignalen geringer Stärke, z. B. durch Flugzeuge den Schnittpunkt 92 zur gleichen Zeit. Da

die parallelen Linien jeweils gleiche Winkel zur Linie 86a bilden, ändert sich die Abbildung auf dem Bildschirm des Flugzeugs 86 nicht. Bewegt sich jedoch das Bild, so haben sich die Einfallswinkel geändert, so daß die Gefahr einer Kollision nicht gegeben ist.

Insbesondere bei der Beobachtung benachbarter Flugzeuge kann die Bildgenauigkeit dadurch vergrößert werden, daß von dem Flugzeug 84 noch Informationen bezüglich der Peilung, der Höhe und Geschwindigkeit ausgestrahlt werden, die über die Schwellwerteinrichtung 64 auf die Dekodier- und Rechenstufe 80 in F i g. 5 übertragen werden. Dadurch kann beispielsweise sichtbar gemacht werden, ob die Kollisionsgefahr sehr groß ist. Ferner können in bekannter Weise Zwischenfrequenzstufen hinter den Antennen vorgesehen sein. Ferner eignet sich die erfindungsgemäße Anordnung bei Verwendung geeigneter Energiewandler für Ultraschallwellen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Darstellung der räumlichen Lage von Funksendern auf dem Schirm einer Braunschen Röhre, dadurch geke η nzeichnet, daß die Sender (22, 24) impulsmoduliert sind und mittels einer an sich bekannten Peilvorrichtung empfangen werden, bei der zwei Antennenpaare (32, 34; 36, 38) mit überlappender Richtcharakteristik für zwei zueinander senkrechte Koordinatenebenen vorgesehen sind, bei der die Ausgangsspannung jeder einzelnen Antenne demoduliert und über je einen logarithmisehen Verstärker (32c, 34c, 36c, 38c) an eine Einrichtung zur Differenzbildung (44, 56) eines Paares geführt sind und bei der die so gebildeten beiden Differenz-Spannungen den beiden Ablenksystemen (52, 62) der Braunschen Röhre zugeführt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Einrichtung zur Differenzbildung geschalteten Antennenspannungen gleichzeitig an je eine Einrichtung zur Suramenbildung (44,56) geschaltet sind, deren Ausgangsspannungen einer weiteren Einrichtung zur Summenbildung (48) zugeführt sind, deren Ausgangsspannung über eine Schwellwerteinrichtung (64) einem Schaltspannungsgenerator (6(y) zugeführt ist, welcher bei einer bestimmten Mindesteingangsspannung zwei Impulse erzeugt, die zwei Austaststufen (50,60) derart steuern, daß nur die Vorderflanken der beiden Differenzspannungen zu den Ablenksystemen (52, 62) weitergeleitet werden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von den Impulsen des Schaltspannungsgenerators (66) über ein NICHT-Gatter (70) ein Sperrschwinger (72) gesteuert ist, dessen Ausgang mit einer Hellsteuerelektrode (74) der Braunschen Röhre verbunden ist, und daß die Antennenspannungen über Dioden (32c?, 34d, 36d, 38 <2) einem mit dem NICHT-Gatter verbundenen Amplitudendiskriminator (68) zugeführt sind, derart, daß bei einer bestimmten Mindestantennenspannung das NICHT-Gatter in den Sperrzustand umgeschaltet wird.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erleichterung des Landeanflugs die Peilvorrichtung am Bug des Flugzeugs in an sich bekannter Weise angeordnet ist und die Landebahn in ebenfalls an sich bekannter Weise durch Aufstellung einer Anzahl von Sendern gekennzeichnet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beobachtung benachbarter Flugzeuge die Antennen der Peilvorrichtung aus mehreren sich radial erstreckenden und am Bug und Heck des Flugzeugs angeordneten Antennenpaaren (88, 90) bestehen und je ein Funksender (85) in einem benachbarten Flugzeug angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 907 314;
britische Patentschrift Nr. 601 976;
D. R., Rhode s, »Introduction to monopulse«, New York, Toronto, London, 1959.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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