DE2613055C3 - Dopplerpeiler mit simulierter Antennenrotation - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dopplerpeiler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I. Ein Peiler dieser Art ist bekannt aus der DE-AS 12 04 288: bei diesem bekannten Peiler wird jeweils von zwei Pcilwcrten, von denen der eine bei Rechtsrotation und der andere bei Linksrotation der Antennencharakteristik gewonnen wird, der Mittelwert gebildet

Fig. 1 zeigt schematisch einen gattungsgemäßen Dopplerpeiler für ein Beispiel mit sechs Einzelantennen, sechs Schalteinrichtungen und einem Empfänger. A 1 bis A 6 sind die Einzelantennen, S1 bis 56 die Schalteinrichtungen, die von der Steuereinrichtung B auf Durchlaß und Sperre des Signals in bestimmter zeitlicher Reihenfolge gesteuert werden. V ist der Verzweigungspunkt, an dem die Ausgänge der Schalteinrichtungen zusammengeführt werden. Das in V entstehende Suramensignal wird dem Empfänger E zugeführt. Am Ausgang des Empfängers liegt die Auswerteeinrichtung W. W und B sind miteinander verbunden, da ein wechselseitiger Informationsaustausch zwischen diesen beiden Einrichtungen erfindungsgemäß erforderlich ist. C ist die geschlossene Kurve, auf der die Einzelantennen angeordnet sind. Da die Einzelantennen an verschiedenen Orten aufgestellt sind, haben die Äusgangssignaie der Einzeiantennen verschiedene Phasenwinkel, so daß das Eingangssignal des Empfängers als Ganzes eine Phasenmodulation besitzt. In dieser Phasenmodulation ist eine Information enthalten, die es ermöglicht, mit Hilfe der Auswerteeinrichtung die Einfallsrichtung der empfangensn Welle festzustellen.

Bekannt ist durch die Veröffentlichung von F. Steiner, Großbasispeiler nach dem Dopplerprinzip, Nachrichtentechnische Fachberichte, Band 12, 1958, Seiten 85-90, eine Peileinrichtung, bei der gleiche Einzelantennen auf einem Kreis äquidistant angeordnet sind und bei der die Ausgangssignale der Einzelantennen in gleichbleibenden Zeitabständen als Kurzzeitsignale dem Eingang des Empfängers so zugeführt sind, daß dabei jeweils auf das Signa! einer Einzelantenne das Signal einer benachbarten Einzelantenne folgt und die Antennengruppe Al bis A6 in einen bestimmten Umlaufsinn längs Jcr Kreiskurve C in vollen Umläufen mit bestimmter Umlauffrequenz durchlaufen wird. Wenn dabei die Phasenlaufzeiten der Signale von der Einzelantenne zum Empfängereingang für alle Signale hinreichend gleich sind, enthält das Summensignal des Empfängers eine nahezu sinusförmige Phasenmodulation, bei der die Grundfrequenz der Phasenmodulation gleich der Umlauffrequenz der Abtastung ist. Nach der Phasendemodulation im Auswertegerät ergibt sich eine periodische, nahezu sinusförmige Kurve der hochfrequenten Phase des Ausgangssignals des Empfängers, deren Grundfrequenz die Umlauffrequenz ist und aus deren zeitlichem Verlauf die Richtung der einfallenden Welle entnommen wird. In dieser Vorveröffentlichung sind die Einzelantennen passive Antennen und die Schaltanordnung so gestaltet, daß das die Einzelantenne mit dem Verzweigungspunkt jeweils verbindende Kabel am Eingang und Ausgang dieses Kabels durch Diodenschalter geschaltet wird.

In der Veröffentlichung von F. Steiner, Wide-Base Doppler Very-High-Frequency Direction Finder, IRE Transactions on aeronautical and navigational electronics, Band ANE-7, Sept. 1960, Seite 98-105 ist eine von der vorher beschriebenen abweichende, zeitliche Reihenfolge des Abtastvorgangs beschrieben. Hierbei wechselt der momentane Umlaufsinn der Abtastung der Einzelantennen periodisch, wobei jedoch einer der beiden Umlaufsinne überwiegt und dadurch insgesamt ein mittlerer Um-

laufsinn um die gesamte Antennengrupe herum mit einer mittleren Umlauffrequenz vorhanden ist.

Durch die Arbeit von F. Fischer, Vollelektronische Experimentieranlage eines Großbasis-Dopplerpeilers, Zeitschrift für Flugwissenschaften, Band 10 * (1962), S. 191-202, ist bekannt, daß das Schalten der Signale der Einzelantennen so erfolgt, daß an beiden Enden jedes Kabels je ein Diodenschalter liegt. Der zwischen dem Verzweigungspunkt V und dem einen Kabelende liegende Schalter schaltet nur das zu der iß jeweils abgetasteten Einzelantenne führende Kabel an den Verzweigungspunkt an, um den Verzweigungspunkt impedanzmäßig nicht mit den jeweils unbenutzten Kabeln zu belasten. Der zwischen der Einzelantenne und dem anderen Kabelende liegende is Schalter ist so gestaltet, 4aß der Ausgang der jeweils unbenutzten Einzelantennen nicht mit der Kabelimpedanz belastet ist, so daß diese Einzelantennen im Leerlauf arbeiten und in ihnen nur die sehr geringen Leerlaufströme fließen. Es ist also nur die jeweils abgetastete Einzelantenne stromfükrend, und die als Fehlerquelle in Peilanordnungen bekannte Strahlungskopplung zwischen den Einzelantennen entfällt. Die zwischen der Phasenmodulation am Empfängerausgang und dem zu messenden Einfallswinkel der --^s Welle bestehende Gesetzmäßigkeit enthält die Phasenlaufzeit der Zuleitung von der Einzelantenne zum Empfänger und die Phasenlaufzeit des Empfängers und der Auswerteeinrichtung, und die Meßgenauigkeit für den Einfallswinkel der Welle hängt daher von m der zeitlichen Konstanz und der genauen Kenntnis dieser Phasenlaufzeiten ab. Daher sind zur Bestim mung dieser Laufzeitanteile relativ komplizierte Phasenlaufzeitmessungen und/oder Korrekturmaßnahmen erforderlich, wenn eine hohe Meßsicherheit der Peilung erreicht werden soll. Insbesondere dann, wenn die Anordnung dazu dient, nacheinander auf verschiedenen Signalfrequenzen zu peilen und die Einzelantennen ein frequenzabhängiges Verhalten zeigen unH der Empfänger einstellbare, frequenz-selektive und daher phasenempfindliche Abstimmittel zur Einstellung von Resonanzkreisen auf die Signalfrequenz besitzt, ist die Phasenlaufzeit der Zuleitungen und des Empfängers nur schwer genau zu erfassen und zu berücksichtigen. In der bereits erwähnten Arbeit von Fischer ist vorgeschlagen, die Umlauffrequenz des Peilers zu vermindern, wodurch sich insgesamt die Gruppenlaufzeitänderungen vermindern, aber auch der Frequenzhub der Peilanlage vermindert, also auch die eigentliche Meßgröße schlechter erkennbar wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen weiteren Dopplerpeiler anzugeben, bei dem die Phasenlaufzeiten in den Zuleitungen und im Empfänger nahezu keinen Einfluß auf die Bestimmung der Einfallsrichtung der :o empfangenen Welle haben und einen schnellen Frequehzwechsel ohne Verlust an Genauigkeit und ohne Eichmaßnahmen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Peiler erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil wi des Patentanspruchs I angegebenen Maßnahmen gelöst.

Gegenüber dem eingangs als bekannt angegebenen Peiler gemäß der DE-AS 12 04 288 weist der Peiler gemäß Anspruch 1 den wesentlichen Vorteil auf, daß die <ö Schnelligkeit der Ermittlung des korrigierten Peilwertes erhöht wird und dieser korrigierte Peilwert fortlaufend vorliegt, und zwar dadurch, daß zur Bestimmung des korrigierten Peilwertes nicht erst zwei Peilwerte ermittelt und daraus die Differenz gewonnen wird, sondern daß fortlaufend die Differenz der Phasenverläufe be^;der Umläufe gebildet wird.

Die genannten verschiedenen Abtastvorgänge können zeitlich nacheinander oder auch gleichzeitig erfolgen. Im Falle des zeitlichen Nacheinander erfolgt die Trennung der Signale der verschiedenen Umlaufsinne durch bekannte zeitselektive Mittel. Da zeitselektive Mittel mit relativ geringem Aufwand und hoher Präzision und geringer Beeinflussung der zu messenden Phasen erfolgen können, ist die Methode des zeitlichen Nacheinander der verschiedenen Umlaufsinne vorteilhaft hinsichtlich des Aufwandes und der Meßsicherheit. Der Nachteil eines solchen Verfahrens im Vergleich zu den Methoden, bei denen in beiden Umlaufsinnen gleichzeitig abgetastet wird, ist, daß das gleichzeitige Abtasten innerhalb eines bestimmten Zeitraums ein Doppeltes an Informationen gibt als -das zeitlich aufeinanderfolgende Abtasten.

Wenn die Abtastvorgänge dei ^rschiedenen Umlaufsinne bei gleicher Umlauffrequer.2 zeitlich nacheinander verlaufen, erhält man Einschwingvorgänge im Empfänger in dem Moment, in dem von einem Abtastvorgang zum anderen umgeschaltet wird, wenn dabef. das Signal im Umschaltmoment eine unstetige Änderung erleidet. Dieser Einschwingvorgang läßt sich weitgehend vermeiden, wenn man in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung den jeweils laufenden Abtastvorgang in einem Moment beendet, in dem die hochfrequente Phase am Empfängerausgang ein Maximum oder Minimum durchläuft und der nachfolgende Abtastvorgang mit entgegengesetztem Umlaufsinn bei der gleichen Einzelantenne beginnt, die dann auch beim neuen Umlauf ein Maximum oder Minimum der <p-Kurve ergibt. In einem solchen Maximum oder Minimum ist dann bei Wechsel des Umlaufsinns der Abtastung keinerlei Unstetigkeit des ersten Differentialquotienten der φ-Kurve vorhanden, und es treten praktisch keine Einschwingvorgänge auf. Hierzu muß die Auswerteeinrichtung auf Grund der φ-Messungdie Steuereinrichtung so beeinflussen, daß der Wechsel des Umlaufsinns der Abtastung im richtigen Moment erfolgt.

Wenn die Einzelantennen gleichzeitig mehrfach in verschiedenem Umlaufsinn abgetastet werden, vorzugsweise je einmal in beiden Umlaufsinnen, so kann man die verschiedenen Abtastvorgänge beispielsweise mit verschiedenen Umlauffrequenzen ablaufen lassen und die Verläufe der hochfrequenten Phasen am Empfängerausgang nach der Demodulation durch frequenzselektive Mittel, d. h. durch an sich bekannte passive oder aktive Filter trennen, im Auswertenetzwei κ die Phasenkurven der verschiedenen Abtastvorgänge getrennt auswerten und durch Vergleich der Resultate der verschiedenen Auswertevorgänge die Richtung der einfallenden Welle bestimmen.

Fig. 2 erläutert das Prinzip der Auswertung von zwei Phasenkurven der Abtastungen mit zwei verschiedenen Umlaufsinnen nach der Erfindung für das Beispiel der Fig. 1 mit 6 Antennen, die auf einen Kreis angeordnet sind und mit jeweils konstanter Umlaufgeschwindigkeit nacheinander abgetastet werden. F i g. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der hochfrequenten Phase am Empfrngerausgang. Um die Darstellung unabhängig von der jeweiligen Umlauf frequenz f_u der Abtastung zu machen und die Ergebnisse der verschiedenen Abtastvorgänge auch bei verschiedenen

Umlauffrequenzen direkt vergleichbar zu machen, ist an der waagerechten Koordinatenachse nicht die Zeit t, sondern die dimensionslose Größe f_vt aufgetragen. Der Nullpunkt /= 0 der Zeit ist in Fig. 1 für jeden Abtastvorgang so festgelegt, daß <= 0 dann ist, wenn das abgetastete Signal der Einzelantenne Al im Auswertegerät erscheint. Tastet man die Antennengruppe gegen den Uhrzeigersinn mit konstanter ■ Umlaufsgeschwindigkeit ab, so erfolgt bei 6 Einzelantennen die Abtastung der Antenne A2 zur Zeit f( t ■=' '/(,, der Antenne .4 3 zur Zeit fut = V₆. der Antenne λ 4 zur Zeit fut = V<,. der Antenne A 5 zur Zeit fi:t = ⁴/_b. der Antenne A 6 zur Zeit fut = '7_b und schließlich wieder die Antenne Al zur Zeit f_vt = V₆ = 1. In dieser Darstellung ist also die relative Periodendauer der Phasenkurve gleich 1. Tastet man die Antennengruppe im zweiten Abtastvorgang im Uhrzeigersinn ab mit f_vt= 0 für die Antenne Al, so tastet man die Antenne A6 bei /_υΐ — V₆, die Antenne A5 bei/,/ = V₆, die Antenne A4 bei /„/ = V₄, die Antenne A3 bei /^r = V₆, die Antenne A2 bei /^i = V₆ und schließlich wieder die Antenne Al bei f_vt = V₆ = 1. Aufgetragen ist in Fig. 2 der hochfrequente Phasenwinkel ψ, mit dem das jeweils empfangene Signal der Einzelantennen am Eingang der Auswerteeinrichtung auftritt. Bei /_yi= 0, also bei der Abtastung der Antenne Al hat dieser Phasenwinkel den Wert φ_ν bei der Abtastung der Antenne A_n den Phasenwinkel <fp. In dem φ_η sind neben dem Phasenwinkel der von der Antenne A_n empfangenen Welle auch die Phasenverschiebung in der Zuleitung von der Antenne A_m zum Verzweigungspunkt V und die Phasenverschiebung im Empfänger vom Verzweigungspunkt V an und im Demodulator enthalten. Setzt man voraus, daß die letztgenannten Phasenverschiebungen für alle Einzelantennen gleich sind, so liegen die Meßwerte q?„, die bei der Abtastung der Einzelantennen gewonnen werden, auf einer sin-Kurve, falls die einfallende Welle eine ebene Welle ist und daher einen definierten Einfallswinkel hat. Nimmt man in F ig. 1 beispielsweise an, daß die zu messende Welle in derjenigen Richtung einfällt, in der die Einzelantenne Al liegt, so hat der Phasenwinkel φ₂ bei Abtastung der Antenne Al den größten Wert des gemessenen, hochfrequenten Phasenwinkels, der im Beispiel bei Abtastung gegen den Uhrzeigersinn im Zeitpunkt fu'~ V₆ auftritt. Den kleinsten Phasenwinkel φ₅ ergibt die der Antenne A2 gegenüberliegende Antenne AS. Insgesamt erhält man beim Umlauf gegen den Uhrzeigersinn nach Ausfilterung der Umlauf-Grundfre- ; quenz aus den 6 Meßwerten φ, bis <p₆ die Kurve 1 der Fig. 2. Hierbei sind alle φ_π als nacheilende Phasenwinkel negativ. Tastet man die Antennengruppe im Uhrzeigersinn ab, so erhält man aus den Meßwerten φ,' bis φ₆' die Kurve 2 der Fig. 2. Die relative Zeitdifferenz ψ zwischen den Höchstwerten der beiden Phasenkurven 1 und 2 zeigt, aus welcher Richtung die Welle einfällt, ψ ist die relative Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt, in dem der eine Abtastvorgang die Antenne A 2 abtastet, und dem Zeitpunkt, in dem ι der andere Abtastvorgang die Antenne A 2 abtastet, wobei der bereits definierte Zeitnullpunkt jeder Abtastung der Auswerteeinrichtung aus der Steuereinrichtung zugeführt ist. beispielsweise als derjenige Zeitpunkt, in dem die Antenne A 1 abgetastet wird. Ändert ·., sich die Richtung der einfallenden Welle, so verschieben sich die Kurven 1 und 2 gegeneinander, und es ändert sich w. Es ist ψ = 0. also beide Kurven gleich, wenn die Welle aus der Richtung A I oder der Richtung A 4 einfällt. Um eine eindeutige Aussage über die Einfallsrichtung der Welle zu erhalten, muß auch das Vorzeichen des ψ bekannt sein, d. h. man muß wissen, ob in Fi g. 2

' das Maximum der Kurve 1 rechts oder links vom Maximum der Kurve 2 liegt. Die Messung des ψ ist eine Methode, die entsprechend der Aufgabe der Erfindung unabhängig ist von den Phasenlaufzeiten zwischen dem Empfangsvorgang in der Einzelantenne und dem Ausgang des hochfrequenten Empfangsteils, so daß diese Laufzeiten nicht genau bekannt zu sein brauchen und sich auch langsam ändern können.

Unternimmt man mehr als zwei gleichzeitige Abtastumläufe mit verschiedenen Umlaufsfrequenzen, so wächst entsprechend die Anzahl der Informationen, die die Antennengruppe pro Zeiteinheit an den Empfänger abliefert, und es wächst bei gegebener Gesamtmeßzeit die Meßsicherheit für den Einfallswinkel

Fig. 2 erläutert lediglich das Grundprinzip der in dem Verfahren enthaltenen, mathematischen Gesetzmäßigkeiten. Es gibt mehrere technische Wege zur Gestaltung der Auswerteeinrichtung, die beispielsweise an sich bekannte Verfahren der Phasendemodulation verwenden.

Die gleichzeitige Abtastung der Einzelantennen in zwei verschiedenen Umlaufsinnen kann auch mit gleichen Ur, -aufsfrequenzen erfolgen, wobei man die frequenzseiektiven Mittel einspart und dementsprechend die durch die Filter verursachten Phasendrehungen nicht auftreten. Dann treffen im Verzweigungspunkt die Kurzzeitsignale beider Abiastvorgänge gleichzeitig und untrennbar zusammen. Im Summensignal ist dann eine Phasenmodulation enthalten, in der sich die Phasenverläufe beider Abtastvorgänge vermischen. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden in der Steuereinrichtung die Zeitverläufe der beiden Abtastvorgänge so lange gegeneinander verschoben, bis die Phasenmodulation im Summensignal verschwindet, d. h. die beiden Phasenkurven der Fig. 2 um eine halbe Periode der Umlaufsfrequenz gegeneinander verschoben sind. Hierzu erfolgt eine Beeinflussung der Steuereinrichtung durch das Auswertegerät, in dem die resultierende Phasenmodulation festgestellt wird und daraus ein Steuerbefehl für die Steuereinrichtung abgeleitet wird. Die Steuereinrichtung stellt die zeitliche Verschiebung der beiden Abtastvorgänge bis zum Verschwinden der Phasenmodulation des Summensignals ein, und die Auswerteeinrichtung gewinnt aus der zeitlichen Verschiebung eine Anzeige für die Rici.tung der einfallenden Welle.

Hierzu 2 BI2U Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Dopplerpeiler mit simulierter Antennenrotation, bei welchem die Peilantenne mittels einer Steuereinrichtung zwei gegensinnigen Abtastvorgangen unterworfen ist, die jeweils mindestens einen vollständigen Umlauf um die Antennengruppe herum bewirken, und bei welchem eine Auswerteschaltung die Peilinformation aus dem phasenmodulierten Summensignal der Kurzzeitsignale nach dessen m Phasendemodulation mit Hilfe selektiver Mittel gewinnt, die die zeitlichen Verläufe der hochfrequenten Phasen (ψ) für die beiden Umläufe voneinander trennen, dadurch gekennzeichnet, daß an die selektiven Mittel eine Differenzschaltung ange- is schlossen ist, die vorzeichenrichtig die auf die jeweilige Umlauffrequenz (/„) der Abtastung bezogene relative zeitliche Differenz (φ) der Phasenveriäufe beider Umläufe bildet, aus welcher Differenz die Richtung d?r einfallenden Welle gewonnen wird, wozu eine der Einzelantennen (Λι) zur Festlegung des zeitlichen Nullpunkts des zeitlichen Verlaufs der hochfrequenten Phase und zur Festlegung der räumlichen Nullrichtung ausgewählt ist.

2. Dopplerpeiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorgänge der beiden Umläufe zeitlich nacheinander erfolgen und die Trennung der zeitlichen Phasenverläufe der beiden Umläufe in der Auswerteschaltung durch zeitselektive Mittel erfolgt. W

3. Dopplerpeiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen den Abtastvorgängen beider Umläufe dann erfolgt, wenn die hochfrequente Phase d-s Ausgangssignais des Empfängers in Abhängigkeit von der Zeit ein Maximum oder Minimum durchläuft und nach Wechsel des Umlaufsinns der Abtastung der neue Abtastvorgang bei der gleichen Einzelantenne beginnt, bei der der jeweils vorhergehende Abtastvorgang endete, wobei die Auswerteschaltung auf Grund der von ihr gemessenen hochfrequenten Momentanphase die Steuereinrichtung zum Wechsel des Umlaufsinns veranlaßt.

4. Dopplerpeiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorgänge der beiden -t> Umläufe gleichzeitig mit verschiedener Umlauffrequenz erfolgen und in der Auswerteschaltung die Trennung der zeitlichen Phasenverläufe der beiden Umläufe durch frequenzselektive Mittel erfolgt.

5. Dopplerpeiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Abtastvorgänge verschiedenen Umlaufsinnes gleichzeitig mit gleicher Umlauffrequenz stattfinden und durch Einwirkung der Auswerteschaltung auf die Steuereinrichtung eine zeitliche Verschiebung der beiden Abtastvorgang ge zueinander so erfolgt, daß das Summensignal im Empfänger keine meßbare Phasenmodulation besitzt und die Einfallsrichtung der empfangenen Welle aus dieser zeitlichen Verschiebung entnommen wird.