NO134598B - - Google Patents

Description

RadiofyBsystem.

Den foreliggende oppfinnelse angår, et .system for ,å lokalisere bevegelige :gj en-stander, fartøyer, ved hjelp av et roterende radiofyr.

Radionavigeringsanordniniger som «er.

kjent sunder betegnelsen «roterende radio-

fyr», «omfatter et antennesystem, ien sen-

der og modulator.er og utstråler to signaler..

Det ene signal som kalles referansesig-

nalet .sendes i alle retninger «og modu-

lenes direkte eller ved hjelp av en under - bærebølge av «et signal med en viss fre-

kvens fn. Det andre signalet er en ikke-modulert bølge .som kalles informasjions-eller målesignalet og sendes :i samsvar med et roterende retnlngsdiagram med kardi-oidform teller med en annen «komplisert form, eg det roterer med f, omdreininger pr. sek.

En passende mottager som er :an'bragt

på fartøyet mottar for det -første «et >refe-ransesignal med frekvens f, «og for .det andre et målesignal med .'samme frekvens

■f,, iog sender (disse signaler inn i to forskjellige kanaler. Faseforskyvningen mellom referansesignalet og målesignalet «til-svarer på hvert sted i rommet fartøyets azimuth (eller et helt multiplum av .denne azimuth) i forhold til det -roterende radio-

fyr. Ved å foreta fasemåling .av lavfre-kvenssignalene -vil fartøyets mottager der-

ved kunne ibestemme .sin azimuth ;med hensyn tål «det roterende radiofyrs ,mag-netiske nord.

Ved systemer som benytter visse no-terende radiofyr, som f. (eks. VHF roterende

•radiofyr for alle retninger, :søm er Skjent ;under betegnelsen VOR, kan bare fartøyets

azimuth bestemmes av mottageren. Ved andre systemer som f. eks. er 'kjent under betegnelsen TACATI er det mulig for far-

tøyet også å 'bestemme avstanden mellom dette og det roterende radiofyr. Ved fråde VOR og TACAN nar 'kontrollstasjonen i forbindelse med det roterende radiofyr ingen mulighet for å bli informert om fartøyets azimuth eller avstand.

,En hensikt med .den foreliggende ,oppfinnelse er .å tilveiebringe ^et .roterende radiofyr som muliggjør at kontrollstasjo-

nen som er forbundet med det roterende radiofyr (som også kan være en stasj.on som er .anbragt .på ,et annet fartøy) skal kunne bestemme .azimuth og avstand til ethvert forutbestemt fartøy som er .ut-

styrt med utstyr som .beskrevet nedenfor og også muligens informere det forutbe-stemte fartøy .om dets avstand (idet .azimuth er kontinuerlig tilgjengelig ombord i fartøyet.,)

jEn annen hensikt med «op<p>finnelsen er .å tilveiebringe et roterende radiofyr for å muliggjøre at .'kontrollstasjonen «også skal kunne .motta forskjellige andre in-formasjoner (f. eiks. høyde,, «kjennetegn,

o. a.) fra fartøyet.

En annen hensikt med ^oppfinnelsen

er å •.tilveiebringe .et roterende radiofyrsystem ved njelp ;av enkle ikretser i forbindelse med roterende radiofyr -av -f. eks. typen VOR eller "TACAN, og i forbindelse med mottagere .som «er innrettet til .å sam-arbeide med idisse roterende radiofyr..'Systemet ifølge oppfinnelsen :benytter ibare jen enkel ibærefEefcvens :som «er idet roter-

ende radiofyrs «frekvens i motsetning -tall

andre systemer av samme type som tid-ligere er. foreslått, og som, i forbindelse med det roterende radiofyr sender pulser med en forutbestemt tidsposisjon i forhold til rotasjonen av retningsdiagram-met ved hjelp av en spesiell bærebølge.

For korthets skyld vil radiofyrsyste-met ifølge oppfinnelsen bli kalt VORDAR, for å uttrykke det faktum at det kombi-nerer et roterende radiofyr av VOR-typen og stedsbestemmelsesanordnlnger som er ekvivalente med radar.

VORDAR systefmet ifølge oppfinnelsen omfatter, i tillegg til anordninger for å utstråle et referansesignal i alle retninger, som er modulert av et første signal med frekvens t1 og et målesignal med retningsdiagram som roterer med en hastighet av f1 omdreininger pr. sek., anordninger for å modulere referansesignalet med et andre signal med passende frekvens f2 som er større enn f,, en radio-frekvensimottager for å motta pulser som sendes av fartøyet og et PPI-katodestråle-rør eller et panioramisk rør som mottar pulsene, og som er utstyrt med spesielle avsøknimgsinnretninger som styres av det første signal med frekvens f, og av pulser som utledes fra det andre signal med frekvens <f>2.

Mottageren på fartøyet omfatter i tillegg til anordninger for å detektere referansesignalet og målesignalet og sammenligne deres respektive faser, en anordning for å utlede fra målesignalet med frekvens f,, første pulser med lengde t-, og frekvens f,, som har en veldefinert fase i forhold til målesignalet, en anordning for å utlede det andre signal med frekvens f2 fra referansesignalet og for å utlede andre pulser med lengde t2 og frekvens f2 fra dette andre signal, idet de andre pulser har en veldefinert fase i forhold til det andre signal, en samtidighets-krets som tilveiebringer utgangspulser når den samtidig mottar en første puls og en andre puls, og en radiofrekvenssender for å sende ut disse utgangspulser.

Andre kretser og komponenter kan også sammenstilles med det roterende radiofyr og med mottageren, som vil ses av det følgende.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli detaljert beskrevet under henvisning til tegningene hvor: Fig. 1 viser et roterende radiofyr. Fig. 2 viser en mottager på fartøyet, sammen med dens forskjellige kretser og dens tilhørende sender. Fig. 3 viser et signaldiagram for å forklare systemets virkemåte. Fig. 4 og 5 er diagrammer for å vise den plangeometriske karakter av romav-søkningen som benyttes ved systemet. Fig. 6 viser formen av avsøkningssig-nalene for PPI-katodestrålerøret, og Fig. 7 viser tilleggskretser til mottageren i fig. 2.

I fig. 1 er et vanlig VOR-system som benyttes meget i sivil luftfart, vist inne i en blokk I med strekede linjer. Det omfatter fire antenner 1, 2, 3, 4 som er an-ordnet i hjørnene av et kvadrat, idet antennene 1—3 og 2—4 er diagonalt mot-satte. Disse fire antenner tilføres (1) i fase en VHF bærebølge som er modulert av en under-bærebølge med frekvens F sam i seg selv er modulert av et signal med frekvens f1 og (2) passende respektive faser av den samme bærebølge, umodu-lert. Under bærebølgen F er avhengig av antall tenner på et hjul 16 og dets rota-sjonshastighet. Modulasjonsfrekvensen f, kan tilveiebringes ved å variere avstanden mellom tennene på hjulet 16. VHF energi som tilveiebringes av senderen 5 module-res av en modulator 6. Utgangen fra senderen er koblet til en energideler 7 som har to utganger. Den første utgangen er koblet til en energitilførselslinje 8 som over balanserte grener på broen 9 og 10 tilfører antennene i fase en referanse-bølge som er dobbelt modulert av frekvensene F og f,. Den andre utgangen er koblet til en demodulatorkrets 11 som sør-ger for å eliminere enhver modulasjon og gjenopprette den rene bærebølge, og derfra til et kapasitivt geniometer 12 hvorfra til-førselslinjer 13 og 14 fører til antenne 1—3 og 2—4 over andre grener på broene 9 og 10 for å tilveiebringe en fast fasefor-skyvning på f. eks. 90°. Det kapasitive goniometer 12 roteres med en vinkelhas-tighet på f, omdreininger pr. sek. ved hjelp av en motor 15. Denne motor driver også det før omtalte hjul 16, hvis tenner er passelig fordelt, for å indusere en vek-selstrøm med en frekvens F som er fre-kvensmodulert med frekvensen f,, i en spole 17. Denne strøm tilføres modulato-ren 6.

Ved et vanlig VOR system benyttes frekvensene F = 9960 perioder pr. sek. og fT = 30 perioder pr. sek.

For å omgjøre en VOR-sender til en

VORDAR-sender må følgende foretas: En oscillator 18 er synkronisert med VOR-frekvens f, og tilveiebringer et signal med frekvens f2, idet f, = kf, (hvor k er en uekte brøk).

Alle kjente anordninger for å synkronisere en oscillator med en frekvens f, ved hjelp av den VOR-del som tilveiebringer et signal med frekvens f,, kan benyttes. Eksempelvis kan et tannhjul 20

(eller en friksjonsoverføringsanordning)

anbringes på en aksel 19 på motoren 15, som driver det kapasitive goniometer 12 og hjulet 16 med en vinkelfrekvens på f1 omdreininger pr. sek., idet tannhjulene 20 har et omsetningsforhold r og driver et hjul 21 som har d tenner jevnt fordelt og er slik profilert at de vil frembringe et sinusformet signal med en frekvens U = r. f, . d, i en magnetisk pick-up 22. Som et eksempel kan en ta (når f, =30

pr. sek.

Signalet med frekvens fa tilføres for det første en modulator 6 og for det andre en pulsgenerator som f. eks. en flip-flop-krets 23. Utgangen fra flip-flop-kretsen er koblet til en avsøkningsanordning på et katodestrålerør 24, for å tilveiebringe radiell stråleavbøynlng. Avsøkningsanord-ningen mottar også et spesielt signal som tilveiebringes av en krets 28 for å frembringe en modifisert sirkulær avbøyning, og et signal som utledes av pulsene som tilveiebringes av fartøyet og som mottas av antennen 27 og en mottager 26, for å variere styrken av strålen. Denne krets 28, som vil bli forklart senere, mottar fra en diskriminator 25 et referansesignal 100 (fig. 3) med en frekvens f,, så vel som pulser 104 som frembringes av flip-flop kretsen 23. Hensikten er å omgjøre signal 100 til et forskjøvet signal.

I fig. 2 er det i en blokk II med strekede linjer vist en VHF-mottager av vanlig type som er innrettet på fartøyet for å bestemme dets azimuth i forhold til VOR. Denne mottager omfatter en antenne 51, en mottagerkrets 52 som for det første er koblet til et båndfilter 53 med en sen-terfrekvens lik F fulgt av en frekvens-diskriminator 54 som tilveiebringer et referansesignal med frekvens f, og for det andre er koblet til et lavpassfilter 55 som frembringer målesignalet med frekvens f, som genereres ved rotasjon av Kardio-iddiagramimet. De to kanaler hvori referansesignalet og målesignalet henholds-vis-dannet er koblet til et fasemeter 56 som tilveiebringer fartøyets azimuth.

For å omgjøre VOR-mottageren til en VORDAR mottager, er utgangen fra filteret 55 i målekanalen koblet til en pulsgenerator 57, f. eks. en Schmidt flip-flop-krets som tilveiebringer en puls 102 (fig.

3) med lengde t1 sekunder hver gang det sinusformede signal 101 som representerer målesignalet ved frekvens f,, passerer gjennom null i en gitt retning, f. eks. i positiv retning. Denne puls er ekviva-lent med den puls som ville bli tilveiebragt i mottagerutgangen, dersom antennen 51 ble avsøkt av en stråle med bredde dø som roterer med samme hastighet som Kardioid-diagrammet, idet størrelsen dø er avhengig av tj etter ligningen:

når t ] er uttrykt i sekunder. Dersom f. eks. T] er lik 110 miksosekunder og f, har den allerede foreslåtte verdi, vil den ekvivalente stråle ha en bredde på 1.2°.

Utgangen fra mottageren 52 er videre koblet til et båndfilter 58, hvis senterfre-kvens er f2 og som igjen er koblet til en pulsgenerator 59, f. eks. av samme type som kretsen 57, idet denne generator 59 tilveiebringer en puls 104 med lengde x., hver gang sinuskurven 103 som representerer signalfrekvensen £„ passerer gjennom null i en gitt retning, f. eks. i positiv retning. Lengden x2 sekunder represen-<T>2

terer en radiell distanse på 300 000

2 km.

Utgangen fra pulsgeneratorene 57 og 59 er koblet til en «og»-type samtidighets-krets 60 som tilveiebringer en vel definert puls 114 med lengde x- A, hver gang en puls 103 er samtidig med en puls 104. Slike samtidighetskretser er velkjente og kan f. eks. bestå av et elektronrør med flere styregittre eller av et sett med dioder. Det er denne puls 114 som mottas av mottageren 26 i fig. 1.

Samtidighetskretsen 60 åpner for en VHF sender 61 som er koblet til en an-tennne 62. Denne sender mottar også fra en kodeinnretning 63, annen informasjon som skal sendes samtidig med pulsen 114. Denne informasjon som f. eks. utgjøres av kodede pulser, kan representere høyden av fartøyet eller dets kjennetegn. På grunn av informasjonens hurtige gjenta-gelse og katodeskjermens etterstråling, vil alle med unntagelse av ett av f. eks. 20 svar fra fartøyet (dersom det benyttes 20 forskjellige høydenivåerj) bli undertrykket, slik at den opprettholdte puls svarer til høyden av fartøyet.

I fig. 3 er det ved 100 vist et sinusformet referansesignal med frekvens f,, som

frembringes ved utgangen av "frekvens-1 diskrimlnatoren '54. Signalet 'som tilveie-' bringes ved utgangen av filter 55, når far-' tøyet har en gitt azimuth -6, er vist ved 101. Pulsen med lengde t, som utledes fra^ signalet 101 av pulsgeneratoren 57, er vist ved 102. Det sinusformede signal ved frekvens f2, er vist ved 103 -og pulsen med-lengde x., som utledes fra signalet 103 av pulsgeneratoren 59, er vist ved 104. De punkter i -rommet som blir avsøkt ved et gitt øyeblikk t er de som svarer til en samtidighet mellom pulsene 102 og 104. Pulsen 104 definerer sirkulære bånd 105 (fig. 4) me den bredde -på dp = 300 000 . Stedet for de punkter som samtidig 2 mottar t, og t2 pulser vil være sektor 106 med åpning på dø. Det vil ses at dersom samtidighet oppstår ved et punkt A på en stråle 1'07 ved tidspunktet t, vil det således på ethvert punkt av strålen 107 produseres pulser x i og x2 (eller mer bestemt, modulasjon av frekvens f, og f2 hvorfra pulsene er dannet i mottageren) .som utstråles -med en hastighet som er lik hastigheten for elektromagnetiske bølger. Den vriikelmes-sige adskillende energi er dø og den av-standsmessige adskillende energi er dp. Dersom f2 er et helt multiplum q av f,, med f .eks. f1 = 30 perioder pr. sek. f2 = 600 perioder pr. sek når q = 20, vil de punkter i rommet som avsøkes være fordelt på 20 stråler med lik avstand (eller heller på '20 jevnt fordelte sektorer med åpning dø), dvs. at de er adskilt med '360 = 18°. '20 Disse stråler eller sektorer vil bli gitt betegnelsen R,,/,,, hvor in indikerer at strålen genereres ved den nite rotasjon av Kardioiden og n angir utstrålingsretnln-gen av strålen (n vil være et tall mellom 1 og q og i dette eksempelet altså mellom ■1 og 20). •Fig. 5 viser '20 stråler R,/, til R|/2o som genereres under Kardioidens første i rotasjon. I løpet av kardioidens neste rotasjon er det <;>klart at strålene R,/1 til <R>2/20 vil bli generert, osv.

Da det er ønskelig å utforske alle punkter i rommet, ville det være ønskelig å gi større verdier for dø (dø ^ 18°), men dette ville frata systemet enhver praktisk Interesse. For å utforske alle punkter i rommet og fremdeles opprett-holde en passelig adskillende energi, er f2 gitt en verdi som er svakt skilt fra en 'harmonisk frekvens av f,, dvs. i dette tilfellet en verdi som er svakt forskjellig fra iden 20ende harmoniske. Dersom en antar at f2 == (20 -f- E)30, dvs. når k = iq + e, er det funnet (fig. 5) at strålen R2/n Ikke lenger faller sammen med strålen

■Rn/,, for den foregående rotasjon. Vinke-len mellom to etterfølgende stråler i den

2 jr

■samme rotasjon vil være . Strålene 20+ e

R2/n og R7/„ er forskjøvet med hensyn til hverandre med en vinkel

Resultatet er at strålen R2/n er for-skjøvet i forhold til strålen R1/n ved en vinkel co, strålen R3/n er forskjøvet i forhold til strålen R,/n ved en vinkel på 2 co osv og strålen Rp/n vil falle sammen med strålen 'R,/,,,, dersom

Ved slutten av p omdreininger vil .20 p jevnt adskilte stråler være utsendt og ikke bare 20 stråler som i det tilfellet hvor f_, = 20 f,. Hver stråle sender ikke lenger

1 P

hvert sekund men hvert — sekund.

Tallet p kan velges etter ,ønske, men det velges helst .slik at en får hele verdier for f2. Dersom en antar at p = 15, vil f2 .1 I-være lik 602 perioder pr. sek. (g = — = —).

p 15 Avstanden mellom to stråler Rni/„ og Rm + i/n er lik i»2<0>- Den komplette :avsøk-15 1

ningsperiode av planet tar — = — sek.

30 2

Alle -punkter i planet vil bli effektivt avsøkt når 'den adskillende energi .er valgt slik at dø ;>cd. Nærliggende sektorer vil overlappe 'hverandre når det sørges for

■at dØ er vesentlig større 'enn co (fig. '6).

På grunn .av den høye rotasjonshas-tighet av strålen 107, må det tas forholds-regler for å hindre forvrengning av plan-posisjonen, på grunn av at strålen har dreiet seg en vesentlig vinikél mellom det øyeblikket da pulser fra nære fartøyer og pulser fra fjerne fartøyer mottas, for en forutbestemt azimuth.

For å hindre slik forvrengning må av-søkningen stoppes 602 ganger i sekundet,

1 eller mer generelt hvert sekund ved den stilling den hadde i det øyeblikk sinuskurven 103 passerte gjennom null i positiv retning.

De radielle avbøyningssignaler er sag-takkede signaler som utledes fra pulsen 104 ved hjelp av flip-flop-kretsen 23.

For vinkelavbøyning kan, istedenfor å tilføre signalet 100 som frembringes av diskriminatoren 25, til den tilsvarende av-bøyningsanordning på katodesrtålerøret 24, dette signal omgjøres til et mer kom-plekst signal 108 (fig. 6) som dannes av trinnet 109 på signalet 100 som avbrytes ved hyppigheten av pulsene 104 som tilveiebringes fra flip-flop-kretsen 23.

Kretser som muliggjør at det konti-nuerlige signal, omgjøres til et forskjøvet signal ved forskyvning på stadig gjentatte tidspunkter, er vel kjent. De omfatter van-ligvis utvekslingskretser som sørger for at stadig gjentatte utvelgningspulser oppstår, og pulstidsomformingskretser som. omdan-ner utvelgningspulsene til pulser som er like lange som deres gjentagelsesperiode.

På grunn av interferens mellom signalene som utstråles direkte fra radiofyret og signaler som reflekteres fra forskjellige gjenstander vil signalet med frekvens fn som er utledet fra filteret 55 (fig. 2) vanlig-vis ikke være stabilt i fase. Fasemeteret 56 (fig. 2) må derfor gis en tidskonstant av en størrelsesorden på en brøkdel av et sekund.

Anordningen som er vist i fig. 7, gjør det mulig å gi fasen av signalet med frekvens f, den ønskede stabilitet. En oscillator 64 med frekvens f, har samme fase som et signal med frekvens f, som sendes ut fra filteret 55 over en fasediskrimina-tor 65 som leverer et signal med passende retning over en tidskonstantkrets 66. For å tilveiebringe styringen av oscillatoren 64, kan denne erstattes med to oscillatorer med høyere frekvenser som kan kombine-res slik at den ønskede frekvens f, tilveiebringes.

Det er også to mulige måter hvorpå kjennetegn kan sendes: a) Modulasjon med F som under-bære-bølge. b) Syklisk avbrytelse av F-sendingen og sendingen av kjennetegn. Signalene

på PPI-røret opprettholder sin stråling i den tid kjennetegnet sendes.

Claims (5)

1. Radiofyrsystem omfattende en sender for å sende roterende retningsindikerende signaler utledet fra et roterende strålingsdiagram, hvorved azimuth-indikasjoner kan tilveiebringes på et fartøy, og hvor mottageren på fartøyet er innrettet til å skille de retningsindikerende signaler far ytterligere signaler (f2) som sendes i alle retninger fra fyret, karakterisert ved at et første sett pulser

(102) som har en bestemt fase i forhold til retningssignalene tilveiebringes på far-tøyet, at et andre sett pulser (104) som har en bestemt fase i forhold til de ytterligere signaler tilveiebringes på fartøyet, at et tredje sett pulser (114) tilveiebringes på fartøyet i samsvar med samtidighet mellom det første og det andre sett pulser og at det tredje sett pulser sendes til fyret hvor de tilføres en indikeringsanordning (24) som er synkronisert med de utsendte ytterligere signaler (f2), for på fyret å gi en indikasjon av avstanden til fartøyet.

2. Radiofyrsystem ifølge påstand 1, karakterisert ved at fartøyets sender omfatter en kodeinnretning (63) som sørger for å sende fartøyets kjennetegn (eller høyde) samtidig med de utsendte pulser (114).

3. Radiofyrsystem ifølge påstand 1 eller 2, omfattende en sender for å sende referansesignaler med en fase som vari-erer etter som retningsstrålediagrammet «peker» i forskjellige referanseretninger, slik at azimuth-indikasjoner tilveiebringes på fartøyet ved å sammenligne det signal som tilveiebringes av retningsstråledia-grammets rotasjon og referansesignalet, karakterisert ved at de ytterligere signaler sendes med en større hyppighet enn referansesignalene.

4. Radiofyrsystem ifølge påstand 3, hvor indikeringsanordningen (24) på radiofyret er av oscilloskop-typen, karakterisert ved at vinkelavbøyningen av indikatoranordningens retningsstråle er synkronisert med referansesignalets frekvens, at den radielle avbøyning av strålen er synkronisert med de utsendte ytterligere signaler og at lysstyrken av strålen varieres i samsvar med det mottatte tredje sett pulser (114) fra fratøyet, slik at det på indikeringsanordningen tilveiebringes en indikasjon på avstand og vinkelposisjon av fartøyet i forhold til fyret.

5. Radiofyrsystem ifølge påstand 4, karakterisert ved at indikeringsanordningen (24) omfatter en flip-flop-krets (23) hvortil de ytterligere signaler (f.,) tilføres for å tilveiebringe en serie pulser 104), at disse pulser tilføres oscil-loskopet for å tilveiebringe en radiell avbøyning av strålen, at en ytterligere krets (28) er tilveiebragt for å generere vinkelavbøyning, at referansesignalene (f,) tilføres den ytterligere krets for å synkronisere denne og at pulsene- (104) tilføres den ytterligere krets for å modi-fisere vinkelavbøyningen av strålen.