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Überwachungssystem für die Fernlenkung von Luftfahrzeugen Die Erfindung
bezieht sich auf ein überwachungssystem für die Fernlenkung von Luftfahrzeugen entlang
einer vorgeschriebenen Flugbahn von einer Radarstation aus durch Markierung der
Standorte und Bewegungsbahnen auf einem Koordinaten-Sichtanzeigegerät.
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Bisher wurde zur Fernlenkung von Flugzeugen von einer Radarstation
aus eine Radarrundsichtdarstellung angewendet, wobei der jeweilige Standort und
der Flugbahnverlauf durch ständige Beobachtung und Vergleich mit der Lage eines
Zielpunktes auf der Rundsichtdarstellung sowie durch Vergleich mit einer vorgeschriebenen
Flugbahn ermittelt und die erhaltenen Informationen an den Piloten des Flugzeugs
übermittelt wurden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Überwachungssystem für
die Fernlenkung anzugeben, das von der Radarrundsichtdarstellung auf einem Kathodenstrahlröhren-Bildschirm
abgeht und eine vollautomatische Überwachung auf einem Koordinaten-Sichtanzeigegerät
einführt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich das Überwachungssystem
erfindungsgemäß durch einen ersten Spannungsgeber zur Ermittlung der Standortkoordinaten
des zu überwachenden und fernzulenkenden Luftfahrzeuges und zur Darstellung der
Standortkoordinaten auf einem Lageplan, ferner durch einen zweiten Spannungsgeber
zur Erzeugung der Koordinaten der Sollbewegungsbahn des Luftfahrzeugs sowie durch
Rechenschaltungen, die ihre Informationen und Spannungssignale aus dem Unterschied
der Spannungen zwischen den durch den ersten Spannungsgeber definierten Standortkoordinaten
und der durch den zweiten Spannungsgeber definierten Sollbewegungsbahn erhalten.
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Bei der Überwachung eines Flugzeugs von einer Radarstation aus ist
es gleichgültig, ob die Station mit einem Primär- oder einem Sekundär-Radarverfahren
arbeitet. Die Signale, welche die Koordinaten der Lage des Flugzeugs darstellen,
können aus einem Radar-Rundsuchbildgerät entnommen werden, und zwar entweder durch
manuelle Einstellung oder mit Hilfe eines bereits vorgeschlagenen Echofolgesystems.
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Einige Ausführungsformen des überwachungssystems sind in den Zeichnungen
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 das Blockschema einer Fernsteuerung für die Überwachung
eines Luftfahrzeugs entlang einer vorbestimmten oder davon abhängigen geradlinigen
Flugbahn, F i g. 2 ein Blockschema zur Fernsteuerung eines Luftfahrzeugs entlang
einer beliebigen oder davon abhängigen Flugbahn, F i g. 3 und 4 Diagramme zur Erläuterung
der Wirkungsweise des Steuersystems von F i g. 2, F i g. 5 ein Blockschema einer
weiteren Ausführungsform.
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Eine Radaranlage (F i g. 1) sieht einen Sender 10
sowie eine
Rundsuchantenne 11 und einen Empfänger 12 vor. Der Empfänger 12 ist an ein Radarbildgerät
13 angeschlossen, das eine ein Radar-Rundsuchbild erzeugende Kathodenstrahlröhre
14 aufweist. Das Radarbildgerät ist mit ortsfesten Ablenkspulen für die Bildröhre
versehen, wobei den ortsfesten Ablenkspulen die erforderlichen Ablenkspannungen
zugeführt werden, die die Abtastung des Bildschirmes durch den Elektronenstrahl
bewirken. Zwei Impulsgeneratoren 15 und 16 sind an die zwei ortsfesten Ablenkspulen
17 und 18 angeschlossen und bewirken die Ablenkung des Kathodenstrahles
der Röhre 14.
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Wird der Standort des Luftfahrzeugs aus der Radarbilddarstellung entnommen,
so bedient man sich zur Zielmarkierung eines kleinen Kreises auf dem Schirm des
Bildgerätes, um das zu überwachende Luftfahrzeug hervorzuheben. Zur Standortbestimmung
ist ein Spannungsgeber 20 vorgesehen, der zwei die Standortkoordinaten darstellende
Gleichspannungen
liefert. Die vom Spannungsgeber 20 gelieferten
Gleichspannungen werden unmittelbar für die Ablenkung des Kathodenstrahles verwendet
und den Ausgangspunkt-Regelungseingängen der Impulsgeneratoren 15, 16 zugeführt.
Die Impulsgeneratoren 15, 16 bestehen aus Hochleistungsverstärkern mit zwei Eingangs-
und zwei Rückkopplungskreisen. In dem einen Eingangs- und Rückkopplungskreis wird
der Eingang und die Rückkopplung von Widerständen gebildet, während im anderen Kreis
der Eingang einen Widerstand und die Rückkopplung einen Kondensator umfaßt. Diese
Schaltung liefert eine Sägezahnspannung an ihrem Ausgang, wobei der Ausgangspunkt
von der Spannung abhängt, die am Regeleingang des ersten Eingangs- und Rückkopplungskreises
liegt. Die Steilheit des Sägezahnanstiegs hängt von der Spannung am Eingang des
zweiten Eingangs- und Rückkopplungskreises ab. Die vom Spannungsgeber 20 gelieferten
Spannungen werden an die Regeleingänge der Impulsgeneratoren 16,15
gegeben.
Wenn die Eingangsspannung am Steilheitseingang gleich Null ist, so erhält man eine
stationäre Markierung auf der Kathodenstrahlbildröhre. Die Eingangsspannungen an
den zwei Impulsgeneratoren können mit kleinen, um 90° gegeneinander phasenverschobenen
Wechselstromkomponenten moduliert sein, so daß aus dem Markierungspunkt ein Markierungskreis
wird. Die Standortmarkierung erscheint als eine Tastpausenspur auf dem Bildschirm
der Röhre 14.
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Bei der Steuerung eines Luftfahrzeugs (F i g. l ) entlang einer geradlinigen
Flugbahn oder in örtlicher Abhängigkeit davon ist die Flugbahn durch zwei Koordinaten
definiert, die den Ausgangspunkt wiedergeben; außerdem muß die Kursrichtung der
Flugbahn gegeben sein. Durch einen Spannungsgeber 21 werden die zwei Spannungen
für die Koordinaten des Ausgangspunktes erzeugt und an die Regeleingänge der Impulsgeneratoren
15,16 gelegt. Die beiden Spannungen bestimmen daher den Ausgangspunkt einer zweiten
Tastpausenmarkierung, d. h. einer Markierung, die zwischen zwei Radartastperioden
erzeugt wird.
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Durch Schalter 22 werden die Regeleingänge der Impulsgeneratoren an
verschiedene Spannungsgeber gelegt, wobei Schalter elektronischer Natur sind, um
die erforderliche Schaltgeschwindigkeit zu erreichen. An die Steilheitseingänge
der Impulsgeneratoren 15, 16 werden Gleichspannungssignale angelegt, die von einem
Sinus-Kosinus-Signalgeber 23 geliefert werden. Diese Signale erzeugen auf dem Bildschirm
der Kathodenstrahlröhre 14 eine Gerade, deren Richtung von der Einstellung des Sinus-Kosinus-Signalgebers
23 abhängt, wobei die Einstellung des Signalgebers 23 manuell bei 24 erfolgt.
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Die beiden Spannungen, von denen eine die Lage des Ausgangspunktes
der Sollflugbahn und die Zweifachspannung den Standort des Luftfahrzeugs wiedergibt,
werden zwei Subtraktionsschaltungen 27, 28 zugeführt. In diesen Subtraktionsschaltungen
werden die Differenzen der Koordinatenwerte beider Punkte gebidet. Um den Abstand
des durch die Ausgangsspannungen des Spannungsgebers 20 definierten Punktes
von der durch den Spannungsgeber 21 und die Einstellung des Handeinstellknopfes
24 bestimmten Geraden zu ermitteln, werden die von den Subtraktionsschaltungen 27,
28 gelieferten Signalspannungen durch Auflöseschaltungen 29, 30 in Komponenten zerlegt,
wobei die Komponentenzerlegung in Richtung der Sollflugbahn und senkrecht dazu vorgenommen
wird. Die von den Auflöseschaltungen 29, 30 gelieferten Ausgangsspannungen, die
die Abstände von der Sollflugbahn darstellen, werden in einer Kombinationsschaltung
31 zusammengesetzt, deren Ausgang in einem Anzeigegerät 32 dargestellt wird.
Die Ausgangswerte der beiden Auflöseschaltungen 29, 30, die die Abstände senkrecht
zur Sollflugbahn aufzeigen, werden in einer Kombinationsschaltung 33 zusammengesetzt
und auf einem Anzeigegerät 34 dargestellt. Durch Einstellung der Spannungsgeber
21 und des Handbetätigungsknopfes 24 erscheint die Sollflugbahn auf dem Bildschirm,
während der Spannungsgeber, der die Spannungen für den Standort liefert, so eingestellt
wird, daß die Standortmarkierung den Bewegungen des Luftfahrzeugs auf dem Bildschirm
folgt.
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Die Anzeigegeräte 32 und 34 liefern eine sichtbare Anzeige des Abstandes
des Luftfahrzeugs in Längsrichtung von der Sollflugbahn sowie von deren Ausgangspunkt
und des senkrechten Abstandes von der Sollflugbahn. Um die von den Anzeigegeräten
32 und 34 gelieferten Meßgrößen zur Steuerung des Luftfahrzeugs zu ver%venden, werden
die von den Kombinationsschaltungen 31 und 33 gelieferten Spannungswerte einem Modulator
35 zugeführt, der einen Sender 36 moduliert. Im Luftfahrzeug werden die vom Sender
36 ausgesandten Signale durch einen Empfänger 37 aufgenommen und in einem Demodulator
38 demoduliert und schließlich zwei Anzeigegeräten 39, 40 zugeführt. Die
von den Anzeigegeräten 39, 40 gelieferten Anzeigen entsprechen den auf den Anzeigegeräten
32, 34 der Radarstation erscheinenden Daten. Die vom Demodulator 38 gelieferten
Spannungen können auch direkt einer automatischen Steuerung des Luftfahrzeugs zugeführt
werden.
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Zur Steuerung des Luftfahrzeugs entlang einer geradlinigen Flugbahn
werden die von den Geräten 34 und 40 angezeigten Abstände stets auf einem Minimum
gehalten. Das Luftfahrzeug kann auch entlang einer Flugbahn gesteuert werden, die
nicht mit der durch den Spannungsgeber 21 und das Handbetätigungsglied 24 festgelegten
Linienführung zusammenfällt, woben der auf den Anzeigegeräten 39 und/oder 40 erscheinende
Abstand von der Sollflugbahn nicht Null ist, sondern einem vorbestimmten Wert entspricht.
Wenn der Handeinstellungsknopf 24 auf eine nordsüdliche Richtung eingestellt
ist, so liefern die Anzeigegeräte 32, 34 die beiden Koordinaten des Luftfahrzeugstandorts
in Nord-Süd- und in Ost-West-Richtung.
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Da eine große Anzahl von Tastpausenmarkierungen auf einem Radarschirm
erzeugt werden kann, läßt sich ein einziges Radarbildgerät zur gleichzeitigen Steuerung
von mehreren Luftfahrzeugen einsetzen. Voraussetzung hierfür ist, daß für jedes
Luftfahrzeug ein Spannungsgeber 20 für die Erzeugung von Standortspannungen sowie
eigene Subtraktionsschaltungen 27, 28, Auflöseschaltungen 29, 30 und Kombinationsschaltungen
31, 33 vorgesehen sind.
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Zur Steuerung eines Luftfahrzeugs entlang einer beliebig gekrümmten
Flugbahn sieht die zweite Ausführungsform (F i g. 2) eine Radaranlage mit einem
Sender 50 sowie eine Rundsuchantenne 51 und einen Empfänger 52 vor. Der Empfänger
52 ist an ein Radarbildgerät
53 mit einer Kathodenstrahlröhre
54
angeschlossen, wobei das Bildgerät mit einer stationären Ablenkspule ausgerüstet
ist.
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Diese Ausführungsform verwendet ein automatisches Folgesystem, so
daß nicht mehr die Notwendigkeit besteht, einen Spannungsgeber von Hand derart zu
steuern, daß die von ihm gelieferten Spannungen eine Markierung erzeugen, die der
Bewegung des Fahrzeugs folgt.
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Der hierfür vorgesehene Spannungsgeber 60 erzeugt zwei Gleichspannungen,
die die Koordinaten des Standorts des Luftfahrzeugs in seiner Ausgangsstellung wiedergeben;
ein Geschwindigkeits- und Richtungssignalgeber 61 erzeugt Gleichspannungen,
die die Komponenten der Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs in zwei Koordinatenrichtungen
wiedergeben. Auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 54 wird eine Tastpausenmarkierung
dadurch erzeugt, daß die Ausgangsspannungen des Spannungsgebers 60 den Regeleingängen
zweier Impulsgeber 62, 63
zugeführt werden, während die Ausgangsgrößen des
Signalgebers 61 den Steilheitseingängen der Impulsgeber 62, 63 zugeführt
werden. Diese Impulsgeber erzeugen linear ansteigende Spannungimpulse, deren Neigung
proportional den beiden Geschwindigkeitskomponenten ist und deren Ausgangspunkte
von den Ausgangsspannungen des Signalgenerators 60 abhängen. Die Ausgangsspannungen
der Impulsgeber 62, 63 ändern sich daher langsam in Abhängigkeit von der
Standortänderung des Luftfahrzeugs, die durch die im Signalgeber 61 wiedergegebene
Geschwindigkeit und Richtung bestimmt ist.
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Die Ausgangsgleichspannungen der Kippgeneratoren 62, 63 können
zur Steuerung einer Markierung auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre
54 herangezogen werden und sind daher über Schalter an einen Abtastgenerator
65 angeschlossen.
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Zur Darstellung der beiden Koordinaten der Sollkurve sind zwei Impulsgeneratoren
70,71 vorgesehen, die periodisch wiederkehrende miteinander synchronisierte
Impulse erzeugen.
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In ein Rundsicht-Radarbild 75 werden die Sollkurve 76 und der Standort
eines Flugzeugs 77 eingetragen, wobei der Standort durch eine kreisförmige Markierung
angedeutet ist. Der Impulseverlauf 79 bzw. 80 für die der Sollkurve entsprechende
Ablenkung in den zwei Koordinatenrichtungen (F i g. 4 a und 4 b) ergibt sich aus
den Tastpausen A bzw. B,
die zwischen verschiedenen Tastperioden der
Radaranlage liegen. Während der Tastpause A wird die Ziehmarkierung 78 erzeugt,
wofür die Spannungen 81
und 82 zuständig sind. Im Verlauf der Spannungen
79, 80, 81, 82 ergibt sich zunächst eine Anlaufperiode t1, während der nur
die den Ausgangspunkt bestimmenden Spannungen an den entsprechenden Impulsgeneratoren
liegen. In der an diese Anlaufperiode sich anschließenden weiteren Periode liegen
Spannungen an diesen Generatoren, die eine Ablenkung des Elektronenstrahles bewirken.
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Zur Bestimmung des Abstandes des Luftfahrzeugs von der Sollkurve werden
ein bestimmter Punkt auf der Sollkurve herausgegriffen und die entsprechenden Spannungen
festgestellt. Diese Spannungen werden mit den Spannungen verglichen, die dem Standort
des Luftfahrzeugs entsprechen. Die einem Punkt der Sollkurve entsprechenden Spannungswerte
werden von Impulsaustastschaltungen 85, 86 geliefert, die in bestimmten, durch Impulse
festgelegten Augenblicken die Momentanwerte des Spannungsverlaufs messen und aufzeichnen.
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Zum Spannungsvergleich sind zwei Subtraktionsschaltungen
87, 88 sowie zwei Auflöseschaltungen 89,
90 und zwei Kombinationsschaltungen
91, 92 vorgesehen. Hierbei werden die Auflöseschaltungen 89, 90 in Abhängigkeit
von der Richtung der Sollkurve eingestellt, jedoch können sie auch manuell in Abhängigkeit
von der Richtungseinstellung des Signalgebers 61 gesteuert werden, der einen Teil
des automatischen Folgesystems bildet.
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Die Ausgangsspannungen der Kombinationsschaltungen 91, 92 werden
Anzeigegeräten 93 und/oder einer Modulationsschaltung 102 zur Modulierung
eines Senders 103 zugeführt.
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Für die Auswahl der Zeitpunkte, zu denen durch die Impulsaustastschaltungen
85, 86 Augenblickswerte der einer bestimmten Sollkurve entsprechenden Spannungen
ermittelt werden, ist ein Impulsgenerator 94 vorgesehen, der in jeder Tastpause
einen Impuls 95 (F i g. 4 c) mit linear verlaufendem Anstieg erzeugt. Der
Ausgang des Impulsgenerators 94 wird in einer Koinzidenzvergleichsschaltung
96 mit einer Gleichspannung verglichen, die einer Schaltung 97
entnommen
wird, wobei bei Gleichheit der beiden miteinander verglichenen Spannungen ein Impuls
erzeugt wird. Die Koinzidenzvergleichsschaltung 96 besteht aus zwei gittergesteuerten
Elektronenröhren mit einem gemeinsamen hochohmigen Kathodenwiderstand, wobei die
beiden miteinander zu vergleichenden Spannungen an den Steuergittern der beiden
Röhren liegen.
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Die Schaltung 97 sieht von Hand zu verstellendes Potentiometer
vor, das auf Ausgangsspannungen innerhalb des Bereiches der vom Generator
94 gelieferten Spannungen eingestellt werden kann, und enthält einen Impulsgenerator
98, der eine sich linear ändernde Spannung liefert. Der Ausgangspunkt dieser
Spannung ist durch eine veränderliche Eingangsspannung bestimmt, die einem Spannungsgeber
99 entnommen wird, wobei die Steilheit des Anstiegs durch eine aus einem Spannungsgeber
100 entnommene veränderliche Eingangsspannung bestimmt wird. Der Spannungsgeber
99 wird in Abhängigkeit vom Ausgangsstandort des Luftfahrzeugs eingestellt,
während der Spannungsgeber 100 in Abhängigkeit von der Luftfahrzeuggeschwindigkeit
eingestellt wird. Der Kippgenerator 98 erzeugt dann linear ansteigende Spannungen,
wobei der Anstieg der Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs proportional ist und der
Ausgangswert vom Standort des Luftfahrzeugs abhängt. Der Zeitpunkt, zu dem in der
Koinzidenzvergleichsschaltung 96 ein Impuls erzeugt wird, ändert sich demnach in
einem von der Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs abhängigen Maße. Dieser Impuls wird
als Auslöseimpuls in den Impulsaustastschaltungen 85,
86 verwendet, und die
fortschreitende Veränderung des Zeitpunktes, zu dem dieser Impuls erzeugt wird,
entspricht der Bewegung des Luftfahrzeugs entlang der Sollkurve. Die von der Koinzidenzschaltung
96 gelieferten Impulse (F i g. 4 d) fallen zeitlich mit den Schnittpunkten der Kippimpulse
95 und der gestrichelten Linie 101 zusammen, wobei die gestrichelte
Linie 101 die vom Impulsgenerator 98 gelieferte Ausgangsspannung darstellt.
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Die Momentanwerte der der Sollkurve entsprechenden Impulse werden
für einen bestimmten, entlang der Sollkurve sich bewegenden Punkt festgesetzt,
wobei
diese Spannungen mit Spannungen verglichen werden, die dem tatsächlichen Standort
des Luftfahrzeugs entsprechen.
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Bei Verwendung der Fernsteuerungsanlage und bei konstanter Geschwindigkeit
des Luftfahrzeugs auf seiner ganzen Bahn werden die Impulsgeneratoren
70, 71 so eingestellt, daß die von ihnen erzeugte Kurve 76 auf dem
Bildschirm der Röhre mit gleichmäßiger Bewegungsgeschwindigkeit des Elektronenstrahles
erzeugt wird, wobei auch die Impulsgeneratoren 98 und 94 so eingestellt werden,
daß linear ansteigende Impulse entstehen.
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Bei einer einfacheren Fernsteuerungsanlage (Fig. 5) wird ein von Hand
zu betätigendes Folgesystem verwendet, um die gewünschten Anzeigen über den Standort
eines Luftfahrzeugs gegenüber einer bestimmten Kurve zu erhalten. Diese vereinfachte
Anlage enthält einen Sender 110 sowie eine Rundsuchantenne 111 und
einen Empfänger 112, der an ein Radarbildgerät angeschlossen ist. Das Bildgerät
besitzt ortsfeste Ablenkspulen und ist so ausgebildet, daß in den Tastpausen Markierungen
eingeblendet werden können. Die Sollkurve des Flugzeugs wird auf dem Bildschirm
als Markierungslinie durch zwei Impulsgeneratoren 114, 115 wiedergegeben.
Die den tatsächlichen Standort des Luftfahrzeugs darstellenden Spannungen werden
durch einen Spannungsgeber 116 erzeugt. Am Ausgang des Spannungsgebers
116
erscheinen zwei Spannungen, die die beiden Koordinaten des Standortes
des Luftfahrzeugs darstellen. Diese beiden Spannungen werden den Regeleingängen
von zwei Impulsgeneratoren 117,118 zugeführt. Den Steilheitsregeleingängen
dieser beiden Kippgeneratoren werden zwei Gleichspannungen zugeführt, die die Sinus-
und Kosinuskomponenten der Luftfahrzeuggeschwindigkeit darstellen. Diese Gleichspannungen
werden aus einem Sinus-Kosinus-Potentiometer 119 (F i g. 5) gewonnen, das
durch eine einstellbare Spannungsquelle 120 gespeist wird. Die Spannungsquelle
120 wird auf einen Wert eingestellt, der der Geschwindigkeit des Fahrzeugs
entspricht, während das Sinus-Kosinus-Potentiometer in übereinstimmung mit der Bewegungsrichtung
des Luftfahrzeugs eingestellt wird. Die Impulsgeneratoren 117, 118 erzeugen
demnach periodisch wiederkehrende Sägezahnimpulse, die dem Radarbildgerät
113 zugeführt werden und eine weitere Tastpausenmarkierungslinie liefern.
Diese Markierungslinie ist geradlinig und geht aus von dem Punkt, der dem Standort
des Luftfahrzeugs zugeordnet ist, ihre Richtung wird durch die Einstellung des Sinus-KosinLis-Potentiometers
119 bestimmt. Die Periode des Tastpausenimpulses ist von beschränkter Daue:,
so daß die Länge der Markierungslinie auf dem Bildschirm von der Größe der an dem
Steilhehseingana liegenden Spannung, also von der Einstellung der Spannungsquelle
120 abhängig ist. Das Sinus-Kosinus-Potentiometer wird derart eingestellt,
daß die Gerade vom Standort des Luftfahrzeugs bis zu dem nächstgelegenen Punkt auf
der Sollkurve reicht, während die Spannungsquelle 120 hierauf so eingestellt
wird, daß die Länge der Markierungsgeraden bis zu der auf dem Bildschirm erscheinenden
Sollkurve reicht. Die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 120
stellt dann
den Abstand des Luftfahrzeugs von der Sollkurve dar und kann entweder dem Anzeigegerät
121 oder über einen Sender 123 einem Modulator 122 zugeführt werden. An Stelle der
dem Sinus-Kosinus-Potentiometer zugeführten geregelten Spannung kann auch eine konstante
Spannung verwendet werden, wodurch die Auftastdauer eines Auftastgerätes für die
Tastpausenmarkierungen verändert und dadurch die Länge der Markierungsgeraden bestimmt
wird.