DE1935739C

DE1935739C - Device for passive transit time distance measurement between two bodies by means of two frequencies by phase comparison

Info

Publication number: DE1935739C
Application number: DE19691935739
Authority: DE
Inventors: Charles William London Earp
Original assignee: International Standard Electric Corp , New York, NY (V St A )
Priority date: 1968-07-18
Filing date: 1969-07-14
Publication date: 1973-06-07

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur passiven Messung der Entfernung zwischen zwei Körpern, die eine Relativbewegung zueinander ausführen, nach dem Prinzip der Laufzeitmessung elektromagnetischer Wellen unter Verwendung, zweier auf dem einenThe invention relates to a device for passive measurement of the distance between two bodies, which perform a relative movement to each other, according to the principle of electromagnetic transit time measurement Waves using, two on one

as Körper angebrachter, elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Frequenzen aussendender Sendeantennen, zweier auf dem anderen Körper angebrachter Empfangsantennen und eines auf der Empfangsseite angeordneten Phasenmessers zur Abgabe einer he body of attached electromagnetic waves Transmitting antennas emitting different frequencies, two on the other body Receiving antennas and a phase meter arranged on the receiving side for outputting a

das Maß der Entfernung angebenden elektrischen Größe, insbesondere für eine Einrichtung zum Verhindern des Zusammenstoßes von Flugzeugen.the electrical quantity indicating the distance, in particular for a device for preventing of aircraft collisions.

Eine derartige Einrichtung ist aus der französischen Patentschrift 1 309 220 bekannt.Such a device is known from French patent specification 1 309 220.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Entfernungsmeßeinrichtung anzugeben, die mit nahe beieinanderliegenden Frequenzen arbeitet und die besonders zum Einsatz in beweglichen Körpern, beispielsweise Flugzeugen und Kraftfahrzeugen, zur Verhinderung von Zusammenstößen einsetzbar ist.The object of the invention is to provide a distance measuring device, which with closely spaced Frequencies works and which is especially used in moving bodies, such as airplanes and automobiles, can be used to prevent collisions.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Sendeantennen auf dem ersten Körper in vertikalem Abstand angebracht sind und Wellen wenig unterschiedlicher Frequenzen aussenden, daß die beiden Empfangsantennen auf dem anderen Körper in vertikalem Abstand angebracht sind und beide die Ausstrahlungen der beiden Sendeantennen empfangen, daß in jedem einer Empfangsantenne nachgeschalteten Empfangszug eine Detektorstufe zur Bildung der Schwebungsfrequenz der ausgesendeten bzw. empfangenen Wellen vorgesehen ist und daß dem Phasenmesser diese beiden Schwebungsfrequenzen zugeführt sind.The object is achieved according to the invention in that the two transmitting antennas are on the first body are mounted at a vertical distance and emit waves of little different frequencies that the two receiving antennas are mounted on the other body at a vertical distance and both the Radiations of the two transmitting antennas received that in each of a receiving antenna downstream Receiving train a detector stage for forming the beat frequency of the transmitted or received Waves is provided and that these two beat frequencies are fed to the phase meter are.

Es wird bemerkt, daß es aus der deutschen Auslegeschrift 1 221 696 bekannt ist, bei einem Funknavigationsverfahren zur Erzeugung von Navigationsstandlinien entweder die Senderantennen oder die Empfangsantennen in einem in das Md.iei tinis eingehenden Abstand anzuordnen.It is noted that it is known from the German laid-open specification 1 221 696 in a radio navigation method for the generation of navigation lines either the transmitter antennas or the receiver antennas in an incoming into the Md.iei tinis To arrange distance.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sende- und empfangsseitig nahezu die gleichen HF-Teile verwendet werden können und daß keine hochgenauen Frequenzgeneratoren benötigt werden.The invention has the advantage that almost the same RF parts are used on the transmitting and receiving sides and that no high-precision frequency generators are required.

Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 das Grundprinzip der Erfindung.The invention is explained in more detail with reference to drawings, for example. It shows F i g. 1 the basic principle of the invention.

F i g. 2 die Anwendung des Prinzips bei Flugzeugen.F i g. 2 the application of the principle to aircraft.

F i g. 3 ein Blockschaltbild der beiden Sender.F i g. 3 a block diagram of the two transmitters.

F i g. 4 ein Blockschaltbild der beiden Empfänger,F i g. 4 a block diagram of the two receivers,

F i g. 5 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Bestimmung der Phasen bezieh ung nveier Schwcbungsfrequenzen. F i g. 5 is a block diagram of a device for determining the phase relationship of four beat frequencies.

F i g. 1 zeigt schematisch die Anordnung zweier Sendeantennen A und B, in gewissem Abstand auf einem Flugzeug angeordnet, und zweier Empfangsantennen A' und B', die auf einem zweiten Flugzeug in der gleichen Weise angebracht sind. Die beiden Flugzeuge haben einen Abstand D voneinander. Die Antennen haben eine flache Rundstrahlcharakteristik. Die Antennen A und B haben einen gegenseitigen Abstände/,, die Antennen A' und B' einen solchen von i/j,. Die Antenne A sendet die Frequenz/, die Antenne B die Frequenz/ + o/aus. Die Antennen A' und B' empfangen beide Frequenzen, so daß eine Schwebungsfrequenz abgeleitet werden kann. In der Antenne A' wird die Frequenz/ auf einem kürzeren Wege empfangen als / -\ Of \ bei der Antenne B' sind die Verhältnisse umgekehrt. Angenommen, die Frequenzen sind günstig gewählt im Verhältnis zu ü, </, und d_t, so herrscht zwischen den Schwebungsfrequenzen an den Antennen A' und B' eine Phasendifferenz. Da (I₁ und d₂ konstant sind, so resultiert jede Änderung von O in einer Veränderung der Phasendifferenz der Schwebungsfrequenzen.F i g. 1 shows schematically the arrangement of two transmitting antennas A and B, arranged at a certain distance on an aircraft, and two receiving antennas A ' and B', which are mounted in the same way on a second aircraft. The two aircraft are at a distance D from one another. The antennas have a flat omnidirectional characteristic. The antennas A and B have a mutual spacing / ,, the antennas A ' and B' such a distance of i / j ,. The antenna A transmits the frequency /, the antenna B the frequency / + o /. Antennas A ' and B' both receive frequencies so that a beat frequency can be derived. In antenna A ' the frequency / is received on a shorter path than / - \ Of \ in antenna B' the situation is reversed. Assuming that the frequencies are chosen favorably in relation to ü, </, and d _t , there is a phase difference between the beat frequencies at antennas A ' and B'. Since (I ₁ and d _{2 are} constant, every change in O results in a change in the phase difference of the beat frequencies.

Die Phasendifferenz Φ der Schwebungsfrequenzen ια den Antennen A' und B' ist gegeben durch:The phase difference Φ of the beat frequencies ια the antennas A ' and B' is given by:

d² -O) (A - Wellenlänge) d ² -O) (A - wavelength)

AA. v ^[ v ^[ d* yd * y 2 η ί/, (Z₂ 2 η ί /, (Z ₂
ληλη T (''T ('' o² jo ² j 2 η ί/, ί/₂ 2 η ί /, ί / ₂
~Α~Φ~ Α ~ Φ --=- = ί/² ί / ² -=.- =. 2nd⁷-
(Radiant).
XD 2nd ⁷ -
(Radians).
XD Ks istKs is daher Φ hence Φ D -D - WennWhen man setzt:one sets: D -
d_x = D -
d _x = - 20 km
= 3 m
= 3 m- 20 km
= 3 m
= 3 m

und umgekehrtand vice versa

/ 12GHz, das ist A = 2,5 cm, dann ist der Wert für Φ ungefähr '/, Radiant oder etwa 8 ./ 12GHz, that is A = 2.5 cm, then that is Value for Φ about '/, radians or about 8.

So ist bei einer Meßgenauigkeit von 1 die Hntfernungs-Meßgenauigkeit bei 40 km etwa 25"/,, und verbessert sich auf 2,5% bei 4 km.So if the measurement accuracy is 1, the distance measurement accuracy is at 40 km about 25 "/ ,, and improves to 2.5% at 4 km.

Es ist zu bemerken, daß sich für O eine Mehrdeutigkeit ergibt, wenn Φ größer als 360 wird: dieser Fall tritt jedoch mit den oben gewählten Werten nur dann ein. wenn D kleiner als etwa 400 m wird.It should be noted that there is an ambiguity for O if Φ is greater than 360: this case only occurs with the values chosen above. when D becomes smaller than about 400 m.

Bei einem Flugzeug ist der Abstand der beiden Antennen von etwa 3 m ein durchaus praktischer Wert, wie in F i g. 1 skizziert ist. Die Antenne A ist oben am Flugzeug montiert, die Antenne ß unten. Jede Antenne ist mit einer entsprechenden Scnder-hnipfänger-Kombinalion (A) bzw. (B) verbunden, die synchron miteinander arbeiten und beispielsweise mit 1 Sekunde Abstand Impulse für die Zeit von 0,01 s aussenden (Tastverhältnis 1 : 99).In the case of an aircraft, the distance between the two antennas of about 3 m is a thoroughly practical value, as shown in FIG. 1 is sketched. The antenna A is mounted at the top of the aircraft, the antenna ß at the bottom. Each antenna is connected to a corresponding scanner-hnipfänger combination (A) or (B) , which work synchronously with one another and, for example, send out pulses for a time of 0.01 s at 1 second intervals (duty cycle 1: 99).

Die Sender der Kombination (A) und (S) sind in F i g. 3 dargestellt. Zwei quarzgesteuerte Oszillatoren 20 und 20' erzeugen Frequenzen von 30 bzw. 30,1 MH/ Ein weiterer Oszillator 21 erzeugt eine Frequenz 970 MHz; dieses Signal wird zwei Frequenzumsetzern 22 und 22' zugeführt, von denen der Frequenzumsetzer 22 ein Ausgangssignal der Frequenz 1000 MHz und der Frequenzumsetzer 22' ein solches von 1000,1 MHz liefert. Die Frequenzumsetzer sind im wesentlichen Mischstufen, beispielsweise solche mit Kapazitätsdioden, die ein verstärktes oberes Seitenband als Ausgangssignal liefern.The transmitters of the combination (A) and (S) are shown in FIG. 3 shown. Two quartz-controlled oscillators 20 and 20 'generate frequencies of 30 and 30.1 MH / A further oscillator 21 generates a frequency of 970 MHz; this signal is fed to two frequency converters 22 and 22 ', of which the frequency converter 22 supplies an output signal of the frequency 1000 MHz and the frequency converter 22' supplies such an output signal of 1000.1 MHz. The frequency converters are essentially mixer stages, for example those with capacitance diodes that deliver an amplified upper sideband as an output signal.

Ein weiterer Oszillator 23, der eine Frequenz von Π Π Hz liefert, erzeugt im Zusammenwirken mit zwei weiteren Frequenzumsetzern 24 und 24' deren Ausgangssignale der Frequenzen 12 bzw. 12,0001 GHz; diese Signale werden Endstufen 25 bzw. 25' eingegeben.Another oscillator 23, which supplies a frequency of Π Π Hz, generated in cooperation with two further frequency converters 24 and 24 'whose output signals at frequencies 12 and 12.0001 GHz; these signals are input to output stages 25 and 25 '.

Da die Sender immer nur für die Zeit von 0,01 sSince the transmitters only last for 0.01 s

arbeiten (Tastverhältnis 1 : 99), sind die Empfänger in der Lage, für 99% der Zeit Signale von anderen Flugzeugen zu empfangen.work (duty cycle 1:99), the receivers are able to receive signals from others for 99% of the time Receive aircraft.

F i g. 4 zeigt den Grundaufbau der Empfänger, die in jedes Flugzeug eingebaut sind. Die Antennen A' und B', die auch die Sendeantennen sein können, empfangen die von anderen Flugzeugen ausgesendeten Signale. Diese werden mittels eines Mischoszillators 26 in Mischstufen 27 bzw. 27' in eine geeignete Zwischenfrequenz umgesetzt, die in Zwischenfrequenzverstärkerslufen 28 bzw. 28' verstärkt und dann Detektorstufen 29 bzw. 2*)' für die Schwebungsfrequenz eingegeben werden. Die Detektoren 29 und 29' liefern jeder eine Schwebungsfrequenz von 100 kHz, deren relative Phasendifferenz jeweils von der Entfernung zwischen den Sendern und den Empfängern abhängig ist. Die beiden Schwebungsfrequenzen werden einem Phasenmesser 30 zugeführt, dessen Ausgangssignal ein Maß für die Entfernung D ist.F i g. 4 shows the basic structure of the receivers built into each aircraft. The antennas A ' and B', which can also be the transmitting antennas, receive the signals transmitted by other aircraft. These are converted into a suitable intermediate frequency by means of a mixer oscillator 26 in mixer stages 27 and 27 ', respectively, which are amplified in intermediate frequency amplifier stages 28 and 28' and then detector stages 29 and 2 *) 'are entered for the beat frequency. The detectors 29 and 29 'each deliver a beat frequency of 100 kHz, the relative phase difference of which is dependent on the distance between the transmitters and the receivers. The two beat frequencies are fed to a phase meter 30, the output signal of which is a measure of the distance D.

Der Phasenmesser 30 kann als Summen-Differenz-Detcklor ausgeführt sein; dieser liefert als Ausgangssignal eine Gleichspannung, deren Größe dem Phasenwinkel proportional ist.The phase meter 30 can be designed as a sum-difference detector; this delivers as an output signal a DC voltage, the magnitude of which is proportional to the phase angle.

Fine andere Schaltungsanordnung für einen Phasenniesser ist in F i g. 5 dargestellt. Die beiden Schwebungsfrequenzen von 100 kHz werden mittels Begrenzern 31 bzw. 3Γ in (annähernd) rcchteckförmige Spannungen umgewandelt: diese werden dann DifferentiationsschalUmgen 32 bzw. 32' eingegeben. Die Ausgangssignale der Differentuitionsschaltungen sind Impulsfolgen der Frequenz 100 kHz, die gleiche Phasendifferenz haben wie die Schwebungsfrequenzen. Die Impulsfolgen steuern eine Flip-Flop-Schaltung 33 (bistabiler Multivibrator); diese wird durch die Impulse der Differenliationsschaltung 32 in ihre »!«-Lage und durch die Impulse der Diffcrentiationsschaltung 32' in ihre »Oc-I.age gesteuert. Das Ausgangssigna! der Fhp-Flop-Schaltung33 isl eine Rechteckwclle mit variablem Tastverhältnis von Null bis 1 : 1, entsprechend einem l'luiscndifl'erenzwinkel von 0 bis 360 . Diese Art des Ausganu>signals ist besonders geeignet /ur Fingabo in einen Computer. Die RechtcckwelleFine other circuitry for a phase lover is in Fig. 5 shown. The two beat frequencies of 100 kHz are limited by means of limiters 31 or 3Γ in (approximately) rectangular Converted voltages: these are then differentiation shells 32 or 32 'entered. The output signals of the differentiation circuits are pulse trains frequency 100 kHz, have the same phase difference as the beat frequencies. the Pulse trains control a flip-flop circuit 33 (bistable multivibrator); this is through the impulses of the differential circuit 32 in its "!" position and by the pulses of the differential circuit 32 ' steered into their »Oc-I.age. The initial signa! the Fhp-flop circuit33 is a rectangular wave with variable duty cycle from zero to 1: 1, corresponding to a l'luiscndifl'erenzwinkel from 0 to 360. This type of output signal is particularly suitable / ur fingabo into a computer. The square wave

fi.s mit variablem Tastverhältnis kann auch einem Filter 34 eingegeben werden, um an dessen Ausgang eine Gleichstromkomponente zu erhalten, deren Wert direkt proportional der 1-¹IuISeIItIInCrO:;/ ist.fi.s with a variable duty cycle can also be input to a filter 34 in order to obtain a direct current component at its output, the value of which is directly proportional to the 1- ¹ IuISeIItIInCrO:; /.

Unter der Annahme, daß die Frequenz/ eine Genauigkeit von 10"⁸ aufweist, kann jeder Empfänger dazu benutzt werden, um die Dopplerverschiebung zu messen und so die Annäherungsgeschwindigkeilen mit einer Genauigkeit von 3 m pro Sekunde zu bestimmen. Assuming the frequency / accuracy is 10 " ⁸ , any receiver can be used to measure the Doppler shift to determine the approach velocities to an accuracy of 3 meters per second.

Auf diese Weise kann jedes Flugzeug die Entfernung r und die Annäherungsgeschwindigkeit r zu jedem anderen Flugzeug in der gleichen Höhenschicht messen und so den Wert für die Warnzeit τ = r/r, d. h. die ungefähre Zeit bis zu einer möglichen Kollision bestimmen.In this way, every aircraft can measure the distance r and the approach speed r to every other aircraft in the same altitude layer and thus determine the value for the warning time τ = r / r, ie the approximate time until a possible collision.

Wenn die Dauer der Signalausstrahlung in der Größenordnung von 0,01 s ist, so kann der Wert für r mit hinreichender Genauigkeit mittels einfacher digitaler Methoden gemessen werden: man kann aber auch die Dauer der Signalausstrahlung verkleinern, etwa auf 1 Mikrosekunde, wenn die Frequenz/ zu etwa 5 MHz gewählt wird.If the duration of the signal transmission is of the order of magnitude of 0.01 s, the value for r can be measured with sufficient accuracy using simple digital methods: however, the duration of the signal transmission can also be reduced, for example to 1 microsecond, if the frequency / is chosen to be about 5 MHz.

Die Differenzfrequenz df, die von jedem Flugzeug ausgesendet wird (als Frequenz/ + df), kann entsprechend der barometrischen Höhe codiert werden, so daß die Flugzeugempfänger nur auf Signale von Flugzeugen in der gleichen Höhenschicht antworten.The difference frequency df, which is emitted by each aircraft in the barometric altitude are encoded accordingly (as a frequency / + df), so that the aircraft can recipient respond only to signals from aircraft in the same level layer.

Die tlntfernungsmeßeinrichtung kann auch auf eine Bodenstation angewendet werden, wenn kontinuierliche Wellen ausgesendet werden. In diesem Falle kann eine Antenne in Erdbodenhöhe und die zweiie über einem ebenen Gegengewicht in gewisser Höhe darüber montiert sein.The distance measuring device can also be based on a Ground station can be used when continuous waves are emitted. In this case one antenna at ground level and the two above a level counterweight at a certain height be mounted above it.

Die Anwendung der Enifernungsmeßeinrichluiig bei einer Bodenstation kann auch zur Erlangung einer Gleitweginformalion ausgebildet werden, indem zusätzlich ein Referenzsignal der Frequenz ftf ausgestrahlt wird. Dieses Referenzsignal kann beispielsweise als Frequenzmodulation eines Subträgers, mit dem das Signal der Frequenz/ amplitudenmoduliert isi. ausgestrahlt werden. Der in jedem Flugzeug wählbare Gleitwegwinkel ist dann definiert durch einen bestimmten Phasenwinkel zwischen dem Referenzsignal der Frequenz ftf und der Schwebungsfrcquenzö/, die empfangsseitig aus den ausgesendeter Frequenzen/ und / -}- of gebildet wird.The use of the distance measuring device at a ground station can also be designed to obtain glide slope information by additionally emitting a reference signal of frequency ftf. This reference signal can be used, for example, as a frequency modulation of a subcarrier with which the signal is frequency / amplitude-modulated. be broadcast. The glide slope angle that can be selected in each aircraft is then defined by a certain phase angle between the reference signal of frequency ftf and the beat frequency /, which is formed at the receiving end from the transmitted frequencies / and / -} - of .

Wenn man in den Flugzeugen zusätzlich ein Refe renzsignal ausstrahlt, so erlaubt eine derart vervoll kommnete Entfernungsmeßeinrichtung die Bestim mung des relativen Elevationswinkels zwischen Flug zeugen untereinander.If you also emit a reference signal in the aircraft, it allows this to be completed Kommnete distance measuring device determines the relative elevation angle between flight testify to one another.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for passive measurement of the distance between two bodies that move relative to one another, according to the principle of measuring the transit time of electromagnetic waves using two transmitting antennas attached to one body and emitting electromagnetic waves of different frequencies, two receiving antennas attached to the other body and one Phasometer arranged on the receiving side for the output of an electrical quantity specified for the distance, in particular for a device for preventing aircraft collisions, characterized in that the two transmitting antennas (A, B) on the first body are at a vertical distance ((J ₁ ) are attached and waves of little different frequencies (/, / τ f> f) emit, that the two Fmpfangsantnen (A ', B') are mounted on the other body at a vertical distance (d _t ) and both the emissions of the two transmitting antennas (A, B) receive that in each one Receiving antenna downstream receiving train (26, 27, 28, 29, 29a or 26, 27 ', 28', 29 ', 29o') a detector stage (29 or 29 ') for forming the beat frequency (6J) of the transmitted or received Waves is provided and that the phase meter (30) these two beat frequencies are fed.

2. Device according to claim 1, characterized in that the transmitted waves of the two frequencies (/, / f 6J) are pulse groups with a duty cycle of about 1:99.

3. Device according to claim 2, characterized in that the transmitting antennas (A, B) also serve as receiving antennas (A ', B') .

4. ' Device according to Claim 3, characterized in that the antennas are omnidirectional antennas with a bundled vertical chart.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the frequencies (./> ./ '+ ¹ V) of the electromagnetic waves used are in the range of microwaves.

6. Device according to claim 5, characterized in that the frequencies (/, /) δ J) are approximately 12 GHz.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that to provide the value for the warning time τ (r = r / r-, r = distance, r ■ - approach speed) in a system for collision prevention additional devices for determining the relative approach speed (r) from the Doppler shift of the received electromagnetic waves and for calculating Hes Wer'.es are provided for the warning time.

8. Device according to claim 7, characterized in that a device for automatically setting the value for the frequency difference (f> J) of the electromagnetic waves is provided according to the flight altitude.

^l >. Device according to Claim 2, characterized in that the transmitting antennas (A, B) and the transmitter are assigned to a ground station, while the receiving antennas (A ', B') are mounted on board fluid tubes.

10. The device according to claim 9, characterized in that a device for the additional transmission of a reference signal (frequency 6J) is provided to provide glide path information on board aircraft from the ground station and that the reference signal and the same-frequency beat signal are supplied to a phase difference measuring device to determine the glide path angle are.

11. Device according to claim 10, characterized in that the transmitted reference signal is a frequency modulation signal of a subcarrier with which one of the two electromagnetic waves (z. B. f) is amplitude modulated.