DE19711655A1 - Integralmonitornetzwerk, Antennenanlage und Sendeanlage für ein Instrumentenlandesystem (ILS) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Integralmonitornetzwerk zur Simu­ lation des Fernfelds einer ebenen, schräg von einer Gruppenan­ tenne weglaufenden Wellenfront nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1, eine Antennenanlage mit einer Gruppenantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 und eine Sendeanlage für ein Instrumentenlandesystem (ILS) nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 4.

Die vorliegende Erfindung resultiert aus Arbeiten an dem in der Flugsicherung bekannten und auch so genannten Instrumenten­ landesystem ILS. Das Problem und die Lösung wird auch anhand dieses Beispiels beschrieben, ist aber nicht auf dieses be­ schränkt.

Die Aufgabe eines solchen Systems besteht zunächst darin, in­ nerhalb bestimmter räumlicher Bereiche ein elektromagnetisches Feld mit vorgegebenen Funktionen zu erzeugen. Aus Sicherheits­ gründen ist dies auch laufend zu überwachen. Für die laufende Überwachung wird neben Messungen im Feld auch auf Integralmes­ sungen zurückgegriffen. Hier sind sogenannte fernfeldäquivalen­ te Messungen üblich. Grundsätzlich läßt sich das Feld im Inne­ ren eines Raumes bestimmen, wenn das Feld am Rand (an der Ober­ fläche) des Raumes und die Quellverteilungen bekannt sind. Hiervon macht man Gebrauch, indem man das Feld in der Apertur der Antenne durch Sensoren ausmißt und mittels eines sogenann­ ten Integralmonitornetzwerks aufsummiert.

Beim Instrumentenlandesystem ILS ist die Antenne (Localizer oder Landekursantenne) eine ebene, meist lineare Gruppenanten­ ne, die aus einer Vielzahl von Antennenelementen besteht. Jedem dieser Antennenelemente ist ein Feldsensor zugeordnet. Durch ein Integralmonitornetzwerk erfolgt dann eine Simulation des Fernfelds einer ebenen, schräg von einer Gruppenantenne weglau­ fenden Wellenfront. Beim Instrumentenlandesystem ILS ist es üb­ lich und vorgeschrieben, drei solcher Wellenfronten und damit drei Richtungen zu messen. Diese Messungen und die zugehörigen Richtungen werden mit den Bezeichnungen "Course", "Width" und "Clearance" versehen. "Course" ist der vorgeschriebenen Kurs­ richtung zugeordnet, "Width" ist einer festen, gegenüber der Kursrichtung um etwa zwei Grad abweichenden Richtung zugeordnet und "Clearance" liegt beispielsweise im Bereich von 20 bis 35 Grad von der Kursrichtung abweichend. Die Laufzeiten, die zwi­ schen den einzelnen Antennenelementen und damit den diesen zu­ geordneten Sensoren einerseits und einer ebenen, schräg von dieser Gruppenantenne weglaufenden Wellenfront andererseits auftreten, müssen von dem der jeweiligen Richtung zugeordneten Teilnetzwerk des Integralmonitornetzwerks ausgeglichen werden. Besonders für den Bereich "Clearance" sind dabei wegen der gro­ ßen Wellenlängen (ungefähr 2,7 m) zum Teil erhebliche Leitungs­ längen erforderlich.

Aus US 4,605,930 und den dort zitierten Literaturstellen ist dieses Problem bekannt. US 4,605,930 beschäftigt sich besonders mit der bei den längeren Leitungen nicht mehr zu vernachlässi­ genden Dämpfung und schlägt dafür bei den kürzeren Leitungen eine zusätzliche Dämpfung vor. Sowohl große Leitungslängen wie auch viele Dämpfungsglieder sind nicht nur teuer und benötigen viel Platz, sie schwächen vor allem die an sich schwachen Si­ gnale weiter ab. Da dieser Platz in der Regel in Schränken be­ nötigt wird, die im Freien stehen, fällt zusätzlich noch ein Klimatisierungsproblem an, weil die Kabellängen und damit die Laufzeiten temperaturabhängig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Integralmonitor­ netzwerke, damit ausgerüstete Antennenanlagen und Sendeanlagen anzugeben, die mit kürzeren Leitungslängen für den Laufzeitaus­ gleich und zumindest mit weniger oder kleineren Dämpfungsglie­ dern auskommen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Integral­ monitornetzwerk nach der Lehre des Anspruchs 1, eine Antennen­ anlage mit einer Gruppenantenne nach der Lehre des Anspruchs 3 und eine Sendeanlage für ein Instrumentenlandesystem (ILS) nach der Lehre des Anspruchs 4.

Der Erfindung liegt die Tatsache zugrunde, daß im Falle eines reinen Trägersignals im Abstand ganzer Wellenlängen jeweils identische Signalverhältnisse vorliegen und daß der Fall des reinen Trägersignals eine sehr gute Näherung für den tatsäch­ lich vorliegenden Fall des modulierten Signals ist. Damit kön­ nen in den erforderlichen Laufzeitleitungen ganze Vielfache ei­ ner Wellenlänge weggelassen werden. Der Verkürzungsfaktor der Leitung ist dabei selbstverständlich so zu berücksichtigen, daß die sogenannte elektrische Länge des weggelassenen Leitungs­ stücks und nicht dessen geometrische Länge gleich dem ganzen Vielfachen einer Wellenlänge ist. Die Dämpfungen der Laufzeit­ leitungen unterscheiden sich damit auch nicht mehr so sehr von­ einander und können unberücksichtigt bleiben.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprü­ chen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme der bei­ liegenden Zeichnungen weiter erläutert:

Fig. 1 zeigt eine unmaßstäbliche Darstellung der geometri­ schen Situation.

Fig. 2 zeigt schematisch die Beschaltung der Antennenanlage, soweit die Überwachung betroffen ist.

Anhand der Fig. 1 wird zunächst die Situation beschrieben und die Aufgabenstellung dargelegt.

Fig. 1 zeigt eine Gruppenantenne A mit N Antennenelementen EL. Die Antennenelemente EL sind nebeneinander angeordnet und weisen jeweils den Abstand d untereinander auf. Im dargestell­ ten Augenblick wird eine ebene Welle in Richtung auf ein Flug­ zeug F1 abgestrahlt. Diese ebene Welle weist gegenüber der Vor­ derfront der Antenne A einen Winkel α auf. Dieser Winkel α ist auch gleich dem Winkel der Ausbreitungsrichtung dieser Welle gegenüber der Senkrechten auf der Vorderfront der Antenne. Für jedes der Antennenelemente EL ist auch die Phasenverschiebung Φ1. . .ΦN vom zugeordneten Antennenelement zur ebenen Welle dargestellt.

Außer dem Winkel α und der Senkrechten auf der Vorderfront der Antenne sind noch zwei weitere Richtungen eingezeichnet. Diese weichen um die Winkel αW und αCL von der Senkrechten auf der Vorderfront der Antenne ab. Es sind dies diejenigen Rich­ tungen, die oben als "Width" und "Clearance" bezeichnet wurden, während die Senkrechte auf der Vorderfront der Antenne, die gleichzeitig Bezugsrichtung für die anderen ist, die oben als "Course" bezeichnete Richtung ist. Die Darstellung in Fig. 1 ist hier nicht maßstäblich.

Anhand der Fig. 2 wird nun im wesentlichen die Antennenanla­ ge beschrieben.

Jedem der Antennenelemente EL1. . .ELN ist eine Sonde Pr zu­ geordnet. Aus der Gesamtheit der von den Sonden aufgenommenen Signale werden nun durch das nachgeschaltete Integralmonitor­ netzwerk die drei vorgeschriebenen Signale S0 für den Kurs "Course", SW für die Abweichung "Width" und SCl für die Abwei­ chung "Clearance" gebildet.

Zunächst wird jedes aufgenommene Sondensignal in einem 1 : 3-Tei­ ler in drei gleiche Teilsignale aufgeteilt und an ein Netz­ werk mit Verzögerungsleitungen DL weitergegeben. Dieses Netz­ werk ist in drei Teilnetzwerke unterteilt, die je für eines der genannten Signale zuständig sind.

Das in Fig. 2 links gezeichnete Teilnetzwerk ist für das Si­ gnal S0 für die Kursrichtung, "Course" zuständig. Es ist als für ϕ = 0°, also für die Kursrichtung, "Course" ausgelegt ge­ kennzeichnet. Die Verzögerungsleitungen sind hier nur sehr schematisch dargestellt. Tatsächlich sind die Phasenverschie­ bungen Φ11. . .Φ1N, die diese Verzögerungsleitungen bewirken müssen, untereinander elektrisch gleich. Dabei wird unter­ stellt, daß die Zuleitungen von den Sonden bereits abgeglichen sind, wie dies bei ILS üblich ist. Jedem dieser Teilnetzwerke ist ein N:1-Überlagerer nachgeschaltet, in dem die Ausgangs­ signale der Verzögerungsleitungen gleichgewichtet zusammenge­ faßt werden.

Von den Antennenelementen EL1. . .ELN gleichphasig abge­ strahlte Signale ergeben eine senkrecht von der Antenne weglau­ fende ebene Welle. Solche Signale, die unmittelbar an den An­ tennenelementen gleichphasig sind, sind auch an den zugeordne­ ten Sonden gleichphasig und bleiben dies auch, wenn sie unter­ einander gleich durch die Verzögerungsleitungen verzögert wer­ den. Auch eine in beliebiger Entfernung vor der Antenne, aber zu dieser parallel verlaufende ebene Welle wird von allen Son­ den mit gleicher Phase empfangen. Mit dieser Anordnung sind fernfeldäquivalente Messungen möglich.

Entsprechendes gilt auch für Signale, die von den Anten­ nenelementen EL1. . .ELN derart abgestrahlt werden, daß sich eine in einem bestimmten Winkel α oder ϕ von der Antenne weg­ laufende ebene Welle ergibt. Zwischen den Antennenelementen EL1. . .ELN und der ebenen Welle ergeben sich dann Phasenverschie­ bungen Φ1. . .ΦN. Die Signale an den einzelnen Sensoren haben dabei untereinander dieselben Phasenbeziehungen, wie die je­ weils zugeordneten Antennenelemente. Ordnet man jedem Sensor eine Laufzeitleitung zu, die dieselbe Phasenverschiebung er­ gibt, wie die zwischen dem zugeordneten Antennenelement und der ebenen Welle, so sind an den Ausgängen dieser Laufzeitleitungen die Phasen gleich denen auf einer Wellenfront und damit unter­ einander gleich.

Das in Fig. 2 mittlere und das rechte der drei nebeneinander dargestellten Teilnetzwerke des Integralmonitornetzwerks sind als für ϕ = αW bzw. als für ϕ = αCL und damit als für die Richtungen "Width" bzw. "Clearance" ausgelegt gekennzeichnet. In diesem Fall sind die Phasenverschiebungen Φ21. . .Φ2N bzw. Φ31. . .Φ3N, die diese Verzögerungsleitungen bewirken müssen, ungleich groß, was auch in der Zeichnung angedeutet ist. Auch hier ist jedem dieser Teilnetzwerke ein N:1-Überlagerer nachge­ schaltet, in dem die Ausgangssignale der Verzögerungsleitungen gleichgewichtet zusammengefaßt werden. Das Signal SW für die Richtung "Width" kann durch einen veränderbaren Phasenschieber noch justiert werden, um unterschiedliche Längen der Landebah­ nen zu berücksichtigen.

Erfindungsgemäß werden nun in den erforderlichen Laufzeitlei­ tungen ganze Vielfache einer Wellenlänge weggelassen. Prinzipi­ ell könnten alle Laufzeitleitungen auf die Länge maximal einer Wellenlänge begrenzt werden. Allerdings muß hier, wie schon eingangs erwähnt, berücksichtigt werden, daß hier nur eine Nä­ herungslösung vorliegt, die exakt nur für ein einziges reines Trägersignal gilt. Deshalb kann es praktisch sinnvoll sein, beispielsweise nur um maximal eine bestimmte Anzahl von Wellen­ längen zu kürzen oder nur dort zu kürzen, wo eine bestimmte Dämpfung überschritten ist. In der Regel wird man alle in Frage kommenden Fälle ausrechnen und den günstigsten auswählen. Zu berücksichtigen sind dabei die auftretenden Dämpfungen, etwai­ ge, die Dämpfungen ausgleichende Dämpfungsglieder, die aufgrund der benötigten Bandbreite tatsächlich auftretenden Frequenzen und die Temperaturabhängigkeit der auftretenden Laufzeiten als Folge von temperaturabhängig erfolgenden Längenänderungen der Laufzeitleitungen. Dabei ist auch zu berücksichtigen, daß kür­ zere Leitungen leichter vor größeren Temperaturschwankungen be­ wahrt werden können als längere.

Gegenüber bekannten Lösungen ändert sich ansonsten nichts an der Gesamtanlage. Dies betrifft sowohl die Überwachungseinrich­ tung, wie auch die gesamte Sendeanlage. Auch die Zusammenarbeit der Überwachungseinrichtung mit dem Rest der Sendeanlage wird von der vorliegenden Erfindung nicht berührt.

Die Erfindung ist auch nicht auf das vorliegende Ausführungs­ beispiel beschränkt. Nur beispielhaft wird auf die Verwendung anderer als ebener Antennen, etwa von Kreisgruppenantennen ver­ wiesen. Durch geeignete Amplituden- und Phasenverteilungen las­ sen sich auch damit ebene Wellen in vorgegebene Richtungen er­ zeugen. Entsprechend lassen sich dann auch durch zugeordnete Sensoren und auf die Amplituden- und Phasenverteilungen abge­ stimmte Laufzeitleitungen und Dämpfungsglieder diese Richtungen überwachen. Auch ungleiche Abstände zwischen den Antennenele­ menten können durch geeignet abgestufte Längen der Laufzeitlei­ tungen und möglicherweise darauf abgestimmte Dämpfungsglieder verwendet werden.

Abgesehen von den oben beschriebenen Richtungen können auch noch weitere oder andere Richtungen zur Überwachung ausgemessen werden. Hier ist insbesondere der Bereich "Clearance" zu nen­ nen. Auch ist es grundsätzlich möglich, die von der Kursrich­ tung abweichenden Richtungen entweder links oder rechts zu mes­ sen; es können aber auch beide Seiten gemessen und ausgewertet werden.

Besonders vorteilhaft wäre die erfindungsgemäße Verkürzung der Laufzeitleitungen, wenn die Sonden nicht unmittelbar den Antennenelementen zugeordnet werden könnten. In diesem Fall müßten die Ausgangssignale einer jeden Sonde unter Umständen mit verschiedenen Amplituden- und Phasenfaktoren bewertet wer­ den, wodurch jeder Sonde mehr als eine Laufzeitleitung nachge­ schaltet werden müßte und somit erfindungsgemäß besonders viel eingespart werden könnte.

Angemerkt werden soll noch, daß durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung keine Beschränkung auf sogenannte Einfrequenz-ILS erfolgt, sondern daß die erfindungsgemäße Ausgestaltung auf­ grund des "capture-Effekts" auch auf Zweifrequenz-Anlagen an­ wendbar ist.

Claims (4)

1. Integralmonitornetzwerk zur Simulation des Fernfelds einer ebenen, schräg (α) von einer Gruppenantenne (A) weglaufenden Wellenfront, mit je einem Eingang für einen an einem Anten­ nenelement (EL1. . .ELN) angeordneten Sensor (Pr), mit einer Einrichtung (N:1) zur Überlagerung der von den Sensoren empfan­ genen Signale und mit je einer Laufzeitleitung (Φ11. . .Φ1N, Φ21. . .Φ2N, Φ31. . .Φ3N) zwischen einem der Eingänge und der Einrichtung zur Überlagerung, wobei die (elektrische) Länge je­ der Laufzeitleitung derart dimensioniert ist, daß durch das aus der Gesamtheit der Laufzeitleitungen gebildete Netzwerk zuein­ ander parallele gleichphasige Wellenfronten simuliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Laufzeitleitun­ gen gegenüber der für die Simulation gleichphasiger Wellenfron­ ten erforderlichen Länge um die Länge mindestens einer ganzen Wellenlänge gekürzt ist.

2. Integralmonitornetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Längen aller Laufzeitleitungen auf maximal eine Wellenlänge begrenzt sind.

3. Antennenanlage mit einer Gruppenantenne (A), mit je einem Sensor (Pr), der jeweils einem der die Gruppenantenne bildenden Antennenelemente (EL1. . .ELN) zugeordnet ist und mit einem In­ tegralmonitornetzwerk zur Simulation des Fernfelds einer ebe­ nen, schräg (α) von der Gruppenantenne weglaufenden Wellen­ front, mit je einem Eingang, an den einer der Sensoren ange­ schlossen ist, mit einer Einrichtung (N:1) zur Überlagerung der von den Sensoren empfangenen Signale und mit je einer Laufzeit­ leitung (Φ11. . .Φ1N, Φ21. . .Φ2N, Φ31. . .Φ3N) zwischen ei­ nem der Eingänge und der Einrichtung zur Überlagerung, wobei die (elektrische) Länge jeder Laufzeitleitung derart dimensio­ niert ist, daß durch das aus der Gesamtheit der Laufzeitleitun­ gen gebildete Netzwerk zueinander parallele gleichphasige Wel­ lenfronten simuliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens eine der Laufzeitleitungen gegenüber der für die Simula­ tion gleichphasiger Wellenfronten erforderlichen Länge um die Länge mindestens einer ganzen Wellenlänge gekürzt ist.

4. Sendeanlage für ein Instrumentenlandesystem (ILS), mit ei­ nem Sendesystem, einem Überwachungssystem und mit einer Anten­ nenanlage mit einer Gruppenantenne (A), bei der das Überwa­ chungssystem eine Vielzahl von Sensoren (Pr) und ein Integral­ monitornetzwerk aufweist, wobei je ein Sensor einem der die Gruppenantenne bildenden Antennenelemente (EL1. . .ELN) zuge­ ordnet und an diesem angeordnet ist, wobei das Integralmonitor­ netzwerk zur Simulation des Fernfelds einer ebenen, schräg (α) von der Gruppenantenne weglaufenden Wellenfront ausgebildet ist mit je einem Eingang, an den einer der Sensoren angeschlossen ist, mit einer Einrichtung zur Überlagerung (N:1) der von den Sensoren empfangenen Signale und mit je einer Laufzeitleitung (Φ11. . .Φ1N, Φ21. . .Φ2N, Φ31. . .Φ3N) zwischen einem der Eingänge und der Einrichtung zur Überlagerung, wobei die (elektrische) Länge jeder Laufzeitleitung derart dimensioniert ist, daß durch das aus der Gesamtheit der Laufzeitleitungen ge­ bildete Netzwerk zueinander parallele gleichphasige Wellenfron­ ten simuliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Laufzeitleitungen gegenüber der für die Simulation gleichphasiger Wellenfronten erforderlichen Länge um die Länge mindestens einer ganzen Wellenlänge gekürzt ist.