DE918036C - Verfahren und Einrichtung zur drahtlosen Entfernungsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Entfernung gegenüber einem ein rotierendes Feld ausstrahlenden Funksender in Verbindung mit der festgestellten Senderrichtung sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.

Einige bisher verwendete Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Bestimmung einer Entfernung waren so beschaffen, daß man die Fortpflanzungszeit der Funkwellen vom Sender zur Empfangsstelle und zurück dazu benutzte, die Entfernung zwischen dem Sender, der sich an der Beobachtungsstelle befand, und dem Ziel, dessen Entfernung gemessen werden sollte, zu bestimmen. Diese sogenannten Radareinrichtungen haben aber den Nachteil der Kompliziertheit und Kostspieligkeit und können daher in vielen einfach gelagerten Fällen nicht verwendet werden, bei denen jedoch eine Notwendigkeit für die Bestimmung der Entfernung vorhanden ist, und sie sind noch komplizierter und kostspieliger, wenn sie auch noch dazu eingerichtet sind, die Richtung zum Ziel anzugeben, dessen Entfernung bestimmt werden soll. Ferner arbeiten sie nicht mit einem genügenden Genauigkeitsgrad, wenn die Wellenlänge oder Frequenz des übertragenen Signals nicht die genügende Größe hat, so daß es notwendig sein kann, die Radarvorrichtung mit einer Mehrzahl von Sendern und schließlich auch noch von Antennen zu kombinieren, die unter sich auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, das mit viel einfacheren und billigeren Mitteln die Entfernung bestimmt und außerdem gewöhnlich noch einen größeren Genauigkeitsgrad besitzt als eine entsprechende Radarvorrichtung. Nach der Erfindung wird ein Drehfeld von einem Hoch-

frequenzsender erzeugt. Das Signal'des Drehfeldes wird an der Empfangsstelle durch zwei Antennen oder Antennenteile aufgenommen, die im Basisabstand voneinander liegen. Die Entfernung zwischen dem Sender und der Empfangsstelle wird dann durch die Phasenverschiebung zwischen den in den Antennen bzw. Antennenteilen erzeugten Spannungen bestimmt. Die Erfindung besteht darin, daß die Empfangsantennen oder Antennenteile in eine solche Stellung ίο in bezug auf den Sender gedreht werden, daß ein Minimal wert von Spannungsdifferenz zwischen den beiden Antennen bzw. Antennenteilen erzeugt wird und daß die Entfernung bestimmt wird auf Grund des Winkels zwischen der Basisrichtung und der Normalen zur anderweitig festgestellten Verbindungslinie zwischen dem Sender und der Empfangsstelle (Senderrichtung).

Für das Verfahren nach der Erfindung kann eine ganz normale richtungsbestimmende Antenne zum so Empfang verwendet werden, z. B. eine Dipolantenne oder eine Rahmenantenne, an die ein Empfänger angeschlossen ist, so daß die Vorrichtung sehr einfach ist und gleichzeitig zur Bestimmung der Richtung und Entfernung verwendet werden kann. Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erklärt, in denen

Fig. ι ein Diagramm zur Erklärung der Funktion der Erfindung,

Fig. 2 und 3 zwei verschiedene Ausführungsarten der Sendeantennen und

Fig. 4 zwei Kurven mit empirisch bestimmten Werten nach der Erfindung zeigen.

Es wird angenommen, daß bei der Anordnung nach Fig. ι ein Sender sich am Punkt 0 befindet, der ein Drehfeld ausstrahlt. Der Sender kann beispielsweise zwei im Winkel zueinander angeordnete Rahmenantennen enthalten, die getrennt mit Hochfrequenzströmen gespeist werden, derart, daß die erzeugten Felder sowohl in der Zeit wie auch im Raum um 90⁰ gegeneinander verschoben sind. Ein an einem entfernten Punkt A befindlicher Leiter erhält dann infolge Durchgangs des Feldes eine induzierte Spannung

= E₀ sin ι ω t + a

2 π R

(ι)

In dieser Gleichung ist E₀ der Höchstwert der erzeugten Spannung, ω die Kreisfrequenz des Drehfeldes, t die Zeit, α der Winkel zwischen der Anfangsstellung 0-0' und der Verbindungslinie zwischen den Punkten 0 und A, R die Entfernung zwischen Punkt 0 und Punkt A und λ die Länge der ausgestrahlten Welle.

Es wird nun angenommen, daß in Punkt A eine Antenne anderer Konstruktion angeordnet ist, wie

z. B. eine Rahmenantenne oder eine Dipolantenne oder eine Adcockantenne, die zwei Spannungen erzeugende Leiter besitzt, die wechselseitig gegeneinanderwirkend in irgendeiner Weise verbunden sind. Diese Leiter sind in Fig. 1 mit α bzw. b bezeichnet.

Unter normalen Umständen würde natürlich die Entfernung zwischen Punkt 0 und Punkt A sehr groß sein im Vergleich zur Entfernung zwischen den Leitern a und b; um die Zeichnung deutlicher zu machen, ist indessen der Abstand R wesentlich verkürzt dargestellt. Wird nun der Winkel zwischen den Linien 0-0' und 0-a mit a_a bezeichnet, der Winkel zwischen den Linien 0-0' und 0-b mit a^ und der Winkel zwischen der Linie a-b und der Senkrechten auf der Linie 0-A mit ß, so kann man die verschiedenen Winkel wie folgt bestimmen:

a_a=a + ~-

a_b = a —

d cos β

cos β

(2)

(3)

Dabei ist d die Basislänge a-b. Ferner ist die Entfernung vom Punkt 0 zu den Leitern « und b

R_a = R · sin β,

= R + ■

¹ sin β.

(4)

(5)

Setzt man nun die Werte für a_a und a_b sowie für R_a und R_b in die Gleichung (1) ein zur Bildung der Spannungen e_a und e_b, so erhält man

d cos β 2 π ι

_ Γ

_&=£:_osin ,

(6)

, , d cos/?

R-\

d . \] sm/31 .

Wenn diese Ausdrücke nach trigonometrischen Gesetzen voneinander abgezogen werden, so erhält man

X cos ω t + α -

(8)

Das Verfahren besteht nun darin, daß die Antenneneinrichtung so weit gedreht wird, bis die Spannung gleich Null wird, was beim Winkel ß' angenommen wird, wenn

d cosß' πά .
Τ" ^+Sm

R ⁺T^Smß=0

Dies bedeutet mit anderen Worten, daß der richtungsbestimmende Minimalwert beim Winkel ß' erreicht ist, der in unveränderlichem Verhältnis zur Wellenlänge des Signals steht, die als bekannt vorausgesetzt wird, und zur Entfernung des Senders von der Empfangsstelle. Bei bekannter Wellenlänge ist es daher möglich, die Skala der die Richtung bestimmenden Antenne, nämlich der drehbaren Antenne oder des Goniometers, entsprechend der Entfernung zum Sender im voraus in Grade zu unterteilen, oder man kann die Entfernung mit Leichtigkeit an Hand von Tabellen finden. Ein Verfahren zur Bestimmung des Drehwinkels, das gute Resultate ergibt, wenn man den Richtungswinkel zum Sender vorher nicht kennt, besteht darin, daß man abwechselnd Sendungen mit Strömen durchführt, die in vorbestimmter Phasen-

Stellung während einer vorbestimmten Zeitdauer, z. B. io Sekunden, zugeführt werden, und darauf während einer vorbestimmten Zeitdauer, die z. B. gleich lang sein kann, mit der entgegengesetzten Phaseneinstellung in bezug auf die Antenne sendet, wodurch die Drehrichtung im Feldraum umgekehrt wird. Die Anzeige der Basislage an der Empfangsstelle wird dann in einem Falle gleich weit zur Linken der Normalen des Richtungswinkels zum Sender liegen wie im anderen Falle zur Rechten, d. h. daß die Differenz zwischen den zwei Ablesungen gleich dem doppelten ß' — Winkel ist.

Die Genauigkeit beim Messen der Entfernung in der oben beschriebenen Weise ist recht groß. Zu bemerken ist hierbei, daß die Entfernung zwischen den die zwei Spannungen liefernden Leitern in der Gleichung für die Entfernung nicht enthalten ist, so daß unabhängig von der Größe der Antenne die gleiche Genauigkeit erzielt wird.

ao Nimmt man daher die Wellenlänge mit z. B. iooo m an, so wird die Winkelanzeige bei einer Entfernung von 9 km i° sein und mit wachsender Entfernung entsprechend größer werden.

In manchen Fällen kann es aber vorkommen, daß

as die so erhaltene Genauigkeit als nicht ausreichend angesehen wird. In diesem Falle kann man die oben angegebene Genauigkeit beliebig vergrößern, indem man sie mit ganzen Zahlen multipliziert durch Umwandlung der Senderantenne zu einer mehrpoligen Antenne.

In Fig. 2 ist solch eine Antennenanordnung gezeigt, bei der die doppelte Anzahl von Rahmenantennen vorgesehen ist. Die Antenne besitzt somit vier statt

zwei Rahmen, die mit 10, 11, 12 und 13 bezeichnet sind. Die Rahmen 10 und 12 werden parallel und gleichphasig oder auch in Reihe, die Rahmen 11 und 13 in gleicher Weise, jedoch mit im Vergleich zu den Rahmen 10 und 12 um 90⁰ verschobenen Phasen gespeist. Das Drehfeld wird sich daher mit der Hälfte der Geschwindigkeit drehen.

Hierbei ist zu bemerken, daß die Anordnung nach Fig. 2 nicht die einzige ist, die für die obenerwähnte Arbeitsweise geeignet ist. So kann man die Antennenrahmen auch in der in Fig. 3 gezeigten achtfachen Doppelrahmenform anordnen. Ein paar solcher Rahmen kann in einem gemeinsamen zentralen Rohr 14 sitzen, das geerdet ist, wobei die Rahmen sternförmig in gleichen Winkelabständen um das Rohr herum verteilt sind. Jeder zweite Doppelrahmen wird hierbei mit einer der Speisespannungen und die anderen mit den übrigen dieser Speisespannungen, die um 90⁰ gegenseitig phasenverschoben sind, gespeist.

Die Drehgeschwindigkeit des Feldes einer solchen Antennenanordnung ist stets ein gerader Bruchteil der Drehgeschwindigkeit der entsprechenden einfachen Rahmenantennen; dieser Bruchteil wird unten mit η bezeichnet. Im obenerwähnten Falle einer mehrpoligen Antenne erhält die genannte Formel (1) die folgende Form:

e = E_osin Icot + na =—I. (1')

V Λ /

Diese veränderte Form der Gleichung (1) wirkt sich auf die Gleichungen 6, 7, 8 und 9 so aus, daß sie die folgenden Formen bekommen:

e_a = E₀ sin

e_b = E₀ sin

d cos/S

e_a — e_b = 2 E₀ sin

. / d ■ η cos β π d

sm β I · cos \ ω t + η α

;— I

λ j

Fig. 4 zeigt ein Diagramm von Veränderungen des Winkels/?' mit der Entfernung, wobei die Senderfrequenz mit 1000 m Wellenlänge angenommen ist. Dieses Diagramm beruht auf empirischen Feststellungen, die theoretisch nachgeprüft wurden und sich als fast vollständig richtig erwiesen. Die zwei Kurven gelten für η = 2 und η — 20. Der Maßstab ist logarithmisch. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, kann man sehr genaue Entfernungswerte erhalten, wobei es aber notwendig ist, die Zahl der Senderpole den Erfordernissen gemäß zu wählen. Sind diese Erfordernisse sehr groß, wie bei großen Entfernungen von der Sendeantenne, z. B. 100 000 m, so muß auch die Polzahl sehr groß sein, ζ. Β. η = 20, entsprechend einem vierzigpoligen Antennensystem.

Wenn andererseits die Sendeantenne im wesentlichen nur die Richtung und die Entfernung zu einer Stelle in der näheren Umgebung anzuzeigen hat, so ist eine viel kleinere Polzahl ausreichend.

(7')

In dem obenerwähnten Verfahren, bei dem angenommen wurde, daß die Richtung zum Sender nicht bekannt ist, wobei aber der Sender abwechselnd in beiden Richtungen gedreht wurde, konnte man nicht nur die Entfernung, sondern auch die Richtung zum Sender durch Ablesen der Anzeige an der Empfangsstelle bestimmen, da diese Richtung als Durchschnittswert zweier Anzeigen bestimmt wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß man praktisch unabhängig ist von der Verwendung einer besonderen Antennenanordnung für den Sender oder die Empfangsstelle, in bezug auf den Sender allerdings nur dann, wenn keine besondere Notwendigkeit für hohe Genauigkeit besteht. In einem solchen Falle kann die Sendeantenne irgendwelcher Type sein, solange sie ein Drehfeld erzeugt, z. B. kann sie aus einem Paar senkrecht zueinander angeordneten Antennen bestehen. Es kann aber auch eine Adcockantenne sein, oder eine mit waagerechter

Polarisation, oder eine mit im Winkel zueinander angeordneten waagerechten Dipolantennen, oder schließlich auch eine beliebige Type mit mechanisch angetriebener rotierender Antenne. Letztere Anordnung ist besonders vorteilhaft, da es mit einer solchen Antenne möglich wird, die Drehgeschwindigkeit des Feldes unabhängig von der Wellenlänge und der Frequenz zu bestimmen. Man kann daher mit einer solchen Anordnung die Zahl der Drehungen auf ίο passende Art mit Rücksicht auf die verlangte Genauigkeit der Anzeige wählen und die Frequenz der Strahlung unabhängig davon festlegen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, besteht diese Antenne aus acht senkrechten Leitern, die z. B. in den acht geographischen Hauptrichtungen N, NO, O, SO, S, SW, W und NW angeordnet sind. Bezeichnet man diese senkrechten Leiter mit den genannten Buchstaben, so haben die Leiter N und S die gleiche Phase, wie auch die Leiter NO und SW die gleiche Phase haben, und das gleiche gilt für die Leiter W und O sowie NW und SO. Das bedeutet, daß die Phasen in den Leitern W und O um 180° gegenüber den Leitern N ,und S verschoben sind bzw. entgegengesetzt liegen. Infolgedessen führen die Leiter W und O am achtförmigen Rahmen im mittleren Teil der Antenne Strom gleicher Stärke, aber mit entgegengesetzter Richtung im Vergleich zu dem der Leiter N und S. Es entsteht auch kein Feld durch die übrigen Leiter in der Mitte der Antennenanordnung, da in gleicher Weise die Ströme der Antennenrahmen NW, SO, SW und NO sich aufheben. Offensichtlich ist daher die Antennenanordnung nach Fig. 3 in bezug auf die Wirkung gleich der Antennenanordnung in Fig. 2, da beide Systeme an gleichen Stellen solche Leiter enthalten, die ein Feld erzeugen; aber in der Anordnung nach Fig. 2 sind solche Leiter wie in Fig. 3, die kein resultierendes Feld erzeugen, weggelassen worden. Es ist ebenfalls klar, daß die Summe der durch die Leiter W und O gehenden Ströme gleich der Summe der durch die Leiter N und S gehenden Ströme ist, obgleich die Phasen dieser Ströme um i8o° gegeneinander verschoben sind. Es wird daher möglich, mit diesen vier Leitern die Vorrichtung auf einfachste Weise zu speisen, indem man das untere Ende der Leiter W und O mit einer Klemme des Hochfrequenzgenerators und das andere Ende parallel mit den Leitern N und S verbindet, während alle vier Leiter an ihren oberen Enden miteinander verbunden sind. In gleicher Weise können alle vier Leiter NO, SO, SW und NW an ihren oberen Enden verbunden sein, wobei ihre unteren Enden mit dem Hochfrequenzgenerator verbunden sind, der die um 90⁰ verschobene Phase der Spannung liefert.

Eine solche Antenne hat eine sehr einfache Konstruktion, und ihr Bau bietet keine technischen oder elektrischen Schwierigkeiten. Im allgemeinen braucht man zum Bau einer Antenne mit z. B. zwanzig Polen nur vierzig senkrechte Leiter in Gestalt einer Trommel gleichmäßig über die Peripherie zu verteilen. Jeder zweite dieser Leiter, z. B. alle mit ungerader Nummer, wie i, 3, 5 usw., sind an einem Ende der Trommel, vorzugsweise dem oberen Ende, miteinander verbunden, und die übrigen Leiter mit geraden Nummern 2, 4, 6 usw. werden für sich am gleichen Ende miteinander verbunden. Am anderen Ende dieser Leiter, bei diesem Beispiel also am unteren Ende, wird jeder vierte Leiter, z. B. 1, 5,9 usw., mit einer Klemme einer der zwei Hochfrequenzgeneratoren oder Generatorkreise verbunden, und die Leiter mit einer um zwei Einheiten größeren Nummer, also die Leiter 3, 7, 11 usw., werden mit der anderen Klemme des gleichen Generators oder Schwingungskreises verbunden. Ferner sind die Leiter 2, 6, 10 usw. mit einer Klemme des anderen Hochfrequenzgenerators oder des Schwingungskreises verbunden, der eine Spannung gleicher Frequenz wie der erstgenannte erzeugt, jedoch mit um go° verschobener Phase, und die Leiter 4, 8, 12 usw. sind mit der anderen Klemme des letztgenannten Generators oder Schwingkreises verbunden.

Jeder Fachmann wird ohne weiteres erkennen, daß eine solche Anlage mit sehr einfachen Mitteln so gebaut werden kann, daß sie eine Reihe von wirksamen Polen besitzt, die als irgendeine gerade Zahl gewählt werden können.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die oben beschriebenen Anordnungen beschränkt, und die verschiedenartigsten Änderungen können im Rahmen der Erfindung durchgeführt werden. Bei Anlagen der hier beschriebenen Art, bei denen es mehr auf genaues Anzeigen der Entfernungen als auf niedrige Kosten ankommt, wird es z. B. praktisch sein, eine automatische Anzeige vorzusehen. In diesem Falle kann man bei einer Anordnung nach Fig. 1 die Antenne mit einem Servomotor verbinden, z. B. einem Umkehrmotor, der nach der jeweiligen, von einem Diskriminator zugeführten Spannung in einer oder der anderen Drehrichtung läuft, so daß er automatisch auf eine Minimalspannung eingestellt wird, wodurch er die Entfernung zum Sender anzeigt.

Es ist auch zweckdienlich, die Anordnungen so zu treffen, daß die Minimalspannung nur bei einer der Drehrichtungen automatisch angezeigt wird und in der anderen Drehrichtung nur dann, wenn das Feld in seiner anderen Richtung rotiert. Hierdurch erreicht man, daß die zwei Fehlerkomponenten bezüglich der Anzeige, die auf Mangel an Empfindlichkeit der zum Abstellen des Motors verwendeten Mittel beruhen oder auf das Beharrungsvermögen des Motors und der mit ihm verbundenen Mittel zurückzuführen sind, in verschiedenen Richtungen bei der Bestimmung der beiden Punkte wirken, deren Nullstellung die Richtung zum Sender bestimmt. Hierdurch werden die Fehler bei der Richtungsbestimmung ausgeglichen. Die Skala für die Anzeige der Entfernung kann in erheblichem Maße zum Ausgleich dieser Fehler kornpensiert werden, die zudem nicht sehr groß sind, wenn die Entfernungen zum Sender nicht besonders groß sind, so daß eine schwache Feldintensität vorhanden ist. Je näher man an den Sender kommt, desto stärker wird die Feldintensität, und desto kleiner werden die genannten Fehler, die nicht eingeschränkt werden können.

Das Feld braucht nicht unbedingt abwechselnd in verschiedenen Richtungen gedreht zu werden, man kann es auch während einer vorbestimmten Zeitdauer in einer Richtung drehen lassen und es dann, wenn

passende geographische Bedingungen vorhanden sind, in Gestalt eines Richtstrahles konstant halten, der z. B. einen vorgeschriebenen Seeweg anzeigen kann, worauf es wieder in der erstgenannten Richtung zum Drehen gebracht wird usw. Wenn man an der Empfangsstelle die Basis während der Zeit des konstanten Strahles einstellt, wird man natürlich unmittelbar die Richtung zum Sender erhalten. Die Winkeldifferenz zwischen der so gefundenen Stellung des Senders und

ίο der verschobenen Richtung, die man erhält, wenn man den Minimalwert während der Drehung des Feldes abhört, wird in diesem Falle aber nur halb so groß sein, als er war, wenn das Feld des Senders abwechselnd in der einen und der anderen Richtung gedreht wurde.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   ao i. Verfahren zur Messung der Entfernung gegenüber einem ein rotierendes Feld ausstrahlenden Funksender, dadurch gekennzeichnet, daß in der Empfangsstelle eine Basis mit zwei an den Enden angeordneten Antennen oder Antennenteilen im Veras hältnis zum Sender derart gedreht wird, daß die Differenz zwischen den empfangenen Spannungen ihren Minimalwert erhält, worauf die Entfernung der Empfangsstelle vom Sender auf Grund des Winkels zwischen der Basisrichtung und der Normalen zur anderweitig festgestellten Verbindungslinie zwischen dem Sender und der Empfangsstelle (Senderrichtung) bestimmt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Senders abwechselnd ein rotierendes und ein stillstehendes Feld ausgestrahlt wird und die beiden Antennen oder Antennenteile der Empfangsstelle in beiden Fällen so eingestellt werden, daß die Differenz zwischen den mit ihnen empfangenen Spannungen ihren Minimalwert erhält, worauf die gesuchte Entfernung unmittelbar auf Grund des Unterschiedes zwischen den beiden Basisrichtungen bestimmt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Senders abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen rotierende Felder ausgestrahlt und die beiden Antennen oder Antennenteile der Empfangsstelle in beiden Fällen so eingestellt werden, daß die Differenz zwischen den mit ihnen empfangenen Spannungen ihren Minimalwert erhält, worauf die gesuchte Entfernung unmittelbar auf Grund der Hälfte des Unterschiedes zwischen den beiden Basiseinstellungen bestimmt wird.
4. 4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenanlage des Senders aus in verschiedenen Ebenen angeordneten Rahmenantennen besteht, die mit im Verhältnis zueinander phasenverschobenen Spannungen gespeist werden.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenanlage des Senders aus einer mehrpoligen Rahmenantennenkombination besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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