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Funknavigationsverfahren als Landehilfe für Flugzeuge
I)ie Erfindung
erstreckt sich auf Funknavigationshillfen für die Luftfahrt und hat die Schaffung
v erbesserter Navigationshilfen zur Unterstützung der Landung von Flugzeugen auf
einem Flugplatz zum Gegenstand.
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Die praktischen Anforderungen an eine gute Funklandehilfe für Flugzeuge
sind sehr schwer ohne einen größeren apparativen Aufwand, wenn überhaupt, zu erfüllen.
Diese Anforderungen besteheii darin. daß die Landehilfe eine Flugplatzein-Hugschneise,
d. h. eine vertikale Ebene, in der das flugzeug beim Einzug verl)leiben soll, sowie
einen festgelegten Gleitweg in dieser Schneise, d. h. einen steg. dem das Flugzeug
bei der eigentlichen Landung folgen soll, festlegen muß. Eine besondere Schwierigkeit
besteht unter anderen darin, daß der Gleitweg im Idealfalle nicht eine geneigte
gerade Linie sein soll, sondern asymptotisch oder angenähert asymptotisch in die
Landebahn des Flugplatzes einlaufen soll. Diese Bedingung ist besonders schwer zu
erfüllen und wird in der Praxis im allgemeinen als unerreichbares Ideal betrachtet.
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Weiterhin ist es sehr erwünscht, daß die Antennen, die die Signale
oder Impulse der Landehilfe ausstrahlen. einen ausreichenden Abstand von der Einflugschneise
und dem Gleitweg haben, so daß sie weder Hindernisse für das landende Flugzeug bilden
noch sich überhaupt in der Nähe desselben befinden. Eine weitere praktische Bedingung,
die sehr schwer zu erfüllen ist, besteht in der Notwendigkeit,
Navigationsfehler
infolge veränderlicher Interferenzen durch in der Nachbarschaft des Flugplatzes
befindliche Körper, die die Funkimpulse reflektieren, wie z. B. Flugzeugschuppen
aus Metall, zu vermeiden.
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Die Erfindung bemüht sich um die Schaffung einer verhältnismäßig
einfachen Navigationshilfe, die die vorstehenden Bedingungen in hohem Maße erfüllt.
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ISin erfindungsgemäßes Funknavigationshilfssystem zur Einweisung
eines Flugzeugs bei der Landung besteht aus einer Funkanlage, die so ausgehildet
ist, daß die ausgestrahlten Impulse eine Schar von hyperbolischen Raumflächen bilden,
deren Brennpunkte auf einer praktisch horizontalen Linie liegen. die praktisch rechtwinklig
zu der gewünschten Einflugschneise liegt, ferner aus einer weiteren Anlage, die
eine zweite Schar von hyperbolischen raumflächen bildet, deren Brennpunkte auf einer
Linie liegen, die eine leichte Neigung zur Senkrechten und zu einer Seite der Einflugschneise
hin hat; dabei ist die ganze Anordnung so getroffen, daß der Schnitt einer der hyperbolischen
Flächen des zweiten Systems mit einer Fläche des ersten Systems den gewünschten
Gleitweg in der gegewünschten Einflugschneise darstellt.
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Es gibt eine Anzahl bekannter Funksysteme, die eine Schar von hyperbolischen
Raumflächen bildet, und jedes dieser Systeme kann zur praktischetlAusführung dieser
Erfindung verwendet werden. Vorzugsweise wird man jedoch ein System verwenden, bei
dem kontinuierliche Wellen ausgestrahlt werden und die einzelnen Raumflächen jeweils
durch eine spezielle Phasenbeziehung zwischen den beiden Impulsen definiert sind,
die von den beiden örtlich auseinanderliegenden Sendestellen ausgestrahlt werden.
Derartige Systeme werden im folgenden als 1>hasenwinkelhyperbelsysteme bezeichnet,
und es sind viele Systeme dieser Art bekannt. So bilden z. ß. zwei Vertikalantennen,
die miteinander gekoppelte oder synchronisierte kontinuierliche Wellenzüge ausstrahlen,
ein Phasenwinkelhyperbelsystem. Wenn sie beide die gleiche Frequenz synchron ausstrahlen,
so empfängt jeder Empfänger, der sich in einer rechtwinklig zur Verbindungslinie
der beiden Antennen liegenden vertikalen Mittelebene befindet, die Impulse beider
Antennen in der gleichen Phasenlage. Wenn der Empfänger näher an der einen Antenne
liegt, so nimmt der Phasenwinkel zwischen den beiden empfangenen Impulsen einen
bestimmten charakteristischen endlichen Wert an. Derselbe Phasenwinkel würde auch
an jeder Stelle einer ganz bestimmten Hyperbel auftreten, die in einer durch die
beiden Antennen gehenden Horizontalebene liegt, ebenso auch überall auf einer Hyperbelfläche
(im Raum), deren Schnitt mit der genannten Horizontalebene die eben genannte Ilyperbel
ist. Das soeben beschriebene Phasenwinkelhyperbelsystem ist für die Praxis nicht
geeignet, da der Empfänger nicht in der Lage wäre. zwischen den beiden Impulsen
gleicher Frequenz zu unterscheiden, um den Phasenwinkel zwischen ihnen (auch dem
Vorzeichen nach) zu messen; die Beschreibung wurde lediglich dazu gegeben, um durch
ein Beispiel klarzumachen. was unter Phasenwinkelhyperbelsystemen zu verstellen
ist. Es sind eine ganze Anzahl von praktischne Phasenwinkelhyperbelsystemen bekannt.
die nach dem beschriebenen Prinzip arbeiten. In dem beschriebenen System befinden
sich die beiden Antennen in den brennpunkten des räumlichen Hyperbelflächensystems.
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Vorzugsweise wird eine weitere Funkanlage vorgesehen, die el>enfalls
eine Schar von hyperbolischen Raumflächen bildet, deren Brennpunkte jedoch in einer
horizontalen oder angenähert horizontalen Linie liegen, wobei diese Linie mit der
Anfluggrundlinie zusammenfällt oder ihr benachbart und nahezu parallel zu ihr ist;
diese Anlage hat die Aufgabe, den Piloten des Flugzeugs über seinen Standort auf
der Anfluggrundlinie zu unterrichten. Sie kann von derselben Art sein wie die anderen
beiden Anlagen.
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Die Erfindung wird itt der Zeichnung erläutert die schematisch eine
Ausführungsform derselben darstellt.
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Auf dem Flugplatz Ä sind die Landebahnen gestrichelt dargestellt
uttd eilte von ihnen mit R bezeichnet. Die Zeichnung gilt für den Fall der Landung
auf dieser Lnadebahn R in einer richtung (nach links ohen in der Figur). Es versteht
sich, daß weitere Anlagen glech der im folgenden beschriebenen als Landehilfe für
beide Richtungen einer jeden Landebahn vorgesehett werden können ; diese weiteren
Anlagen sind j jedoch nicht eingezeichnet. um die Zeichnung nicht zu unübersichtlich
zu machen.
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In den Punkten 44' und B ist je eine Vertikalantenne aufgestellt;
die Vel-l)illdullgslinie dieser Punkte steht senkrecht auf dem gewünschten Gleitweg
t des Flugzeugs, der durch h eine ausgezogene starke Linie dargestellt ist und in
derselben Vertikalebene liegt wie die Lnadebahn R, und wird von diesem Gleitweg
halbiert. Diese zu beiden Seiten der Lnadebahn R liegenden Antennen werden durch
eine kontinuierliche Welle derart gespeist, daß sie ein Phasenwinkelhyperbelsystem
hilden. Sie bilden demnach eine Schar von hyperbolischen Raumflächen, deren jede
durch eine ganz spezielle Phasenbezichung der von einem Empfänger empfangenen Signal
von den beiden Antennen charakterisiert ist. Diese Flächenschar ist in der Zeichnung
durch Striche utid Punkte dargestellt.
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Eine dieser Flächen halbiert die Verbindungslinie AA'-B ziwschen den
in den Brennpunkten der Hyperboloidschar stehenden Antennen; sie ist eine Vertikalebene
2 utid enthält den Anfluggleitweg 1.
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Eine Abweichung von der Ebene 2 wird in dem Flugzeug durch eine Abweichung
von der für diese Ebene charakteristischen J>liasenlteziehung angezeigt. DieseAbweichung
kann am einfachsten durch ein Phasenwinkelmeßgerät im Flugzeug angezeigt werden,
das so eingerichtet ist daß man die Abweichung nach Backbord oder Steuerbord und
damit die zur Rückkehr in die Ebene 2 erforderliche Kurskorrektur ablesen kann.
Es wird nicht für notwendig gehalten. den Empfänger itit Flugzeug oder den Sender
in den Einzelheiten zu beschreiben. da diese
nicht Gegenstand der
Erfindung sind. Hier sei lediglich erwähnt, daß die heiden Vertikalantennen bei
AA' und B verschiedene Frequenzen ausstrahlen, die jedoch in einer festen zeitlichen
Beziehung zueinander stehen, und daß der Bordempfänger diese Frequenzen empfängt,
beide auf eine gemeinsame Frequenz transponiert, und den Phasenunterschied der traltsponierten
Impulse feststellt.
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Außer dem obengenannten Antennenpaar befindet sich ein zweites Paar
auf einer Seite der Landeltahn. In der Zeichnung befindet sich das zweite Paar an
der Stelle AA' und zwar sind die beiden Antennen übereinander, wenn auch nicht genau
vertikal, angeordnet. Die Antennen dieses Paars werden ebenfalls mit kontinuierlichen
Wellen gespeist, so daß sie ein zweites Phasenwinkelhyperbelsystem halden, das die
zweite Schar von hyperbolischein Raumflächen Besitzt. Diese Schar ist in der Zeichnung
strichpunktiert mit Strichen und Doppelpunkten dargestellt. IXei diesem zweiten
Antennenpaar werden andere Frequenzen verwandt, als bei detn ersten, um empfängerseitig
eine Unterscheidung zwischen den beiden Antennenpaaren zu ermöglichen. Offensichtlich
steht die von dem zweiten Antennenpaar erzeugte Nyperitelschar auf Grund der nahezu
vertikalen Anordnung der Antennen nahezu rechtwinklig zu der von dem ersten Antennenpaar
erzeugten Hyperbelschar, und die Mittelebene des Hyperbelflächensystems. d. h. die
durch die Alitte der Verbindungslinie der Brennpunkte gehende Fläche, die eine Ebene
ist, steht nahezu horizontal, während die entsprechende Mittelebene des ersten Hyperbelsystems
vertikal steht. Größe und Richtung der Abweichung dieser Ebene von der genauen Horizontalen
hängt von der Größe und Richtung der Abweichung der die Antennen verbindenden Geraden
von der Vertikalen, d. h. von dem Kippwinkel dieser Geraden alt. Man sieht ferner,
daß die zu dem zweiten Antennenpaar gehörenden Hyperbelflächen die von dem ersten
Antennensystem erzeugte Vertikalbene 2 in Hyperbeln schneiden.
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Durchgeeignete Wahl des Kippwinkels der Brennlinie des zweiten Systems
kann erreicht werden, daß die Schnitthyperbel einer bestimmten Hyperbelfläche des
zweiten Systems mit dre durch das erste System erzeugten Anflugebene eine schwach
gekrümmte Kurve ist, die über eine gewünschte Strecke asymptotisch zu der Landebahnfläche
verläuft und tatsächlich dem idealen Gleitweg sehr nahe kommt. im allgemeinen werden
die Antennen des zweiten Paars auf einer Seite der Landebahn an oder in der Nähe
der Leeseite des Flugplatzes stehen und in diesem Falle die Kippung so erfolgen,
daß die obere Antenne des zweiten Paars näher an der Landebahn als die untere und
windabwärts derselben steht. Die Kippung zur Landebahn wird gewählt, um die Schnittlinie
tler Mittelebene des zweiten Hyperbelsystems mit der Anflugebene (wobei diese Schnitlinie
eine Gerade ist) unter die Erdoberfläche zu verlegen; die Kippung in der Windrichtung
soll dieser Schnittlinie eine Abwärtsneigung in der Windrichtung geben, so daß die
hyperbolischen Schnittlinien oberhalb derselben. deren eine zur Festlegung des Gleitwegs
I gewählt wird, über dem Zielort, d. h. über der Landebahn und in der Anflugrichtung,
sich dem Erdboden nähern. Das einzuholende Flugzeug empfängt die beiden Impulse
der Antennen des zweiten Systems in derselben Weise, wie die des ersten Systems,
transponiert sie auf eine gemeinsame Frequenz und vergleicht die Phasenlage der
transponierten Impulse durch ein Phasenmeß- oder Anzeigeinstrument, das in diesem
Falle »zu hoch« oder »zu tief« anzeigt. Die zur Festlegung des Gleitwegs gewählte
hyperbolische Schnittlinie ist durch eine ganz bestimmte Phasendifferenz zwischen
den transponierten Impulsen charakterisiert. Wenn also ein Flugzeug so einfliegt,
daß die festgelegte Phasenbeziehung zwischen den Impulsen der Antennen des ersten
Systems und ebenso die festgelegte Phasenbeziehung zwischen den Impulsen der Antennen
des zweiten Systems erhalten bleibt, dann fliegt es auf dem vorher festgelegten
Gleitweg 1 innerhalb der Anfluggrundebene 2.
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Vorzugsweise wird ein drittes. Phasenwinkelhyperbelsystem vorgesehen,
das auf anderen unterscheidbaren Frequenzen arbeitet. Die Antennen dieses Systems
sind nahezu in horizontaler Richtung aufgestellt, und zwar in der Anfluggrundebene
oder in der Nähe derselben und parallel zu ihr, windabwärts der Landebahn. In der
Figur sind sie mit B und MB bezeichnet. Sie arbeiten ebenfalls auf unterscheidbaren
Frequenzen und bilden eine Schar hyperbolischer Raumflächen. Diese Flächen sind
in der Figur strichpunktiert mit Dreifachpunkten dargestellt. Man sieht, daß ein
längs des gewählten Gleitwegs 1 in der Ebene 2 einfliegeeendes Flugzeug bei Empfang
der Impulse von den Antennen des dritten Paars eine Anderung der Phasendifferenz
zwischen diesen Impulsen beobachtet; demzufolge wird ein auf die Änderung dieser
Phasendifferenz ansprechendes Phasenwinkelmeßinstrument im Flugzeug dessen augenblickliche
Position auf dem Gleitweg anzeigen.
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IJnl die Beschreibung zu vereinfachen, wurde im vorstehenden die
stillschweigende Annahme getnacltt, daß lediglich eine Landebahn und diese stets
in derselben Richtung beflogen wird. Das ist in der Praxis nicht der Fall; die beschriebenen
Systeme können dann, soweit erforderlich, je nach der Zahl der Landebahnen und ganz
allgemein der Zahl der verschiedenen Landemöglichkeiten, die bei dem betreffenden
Flugplatz mit einer Landehilfe versorgt werden sollen, vervielfacht werden. Ferner
wurde in der Beschreibung jedes Antennenpaar getrennt betrachtet. In der Praxis
jedoch können, wenn gewünscht, zwei oder mehrere Antennensysteme gemeinsame Antennen
haben; d. h. das erste und das zweite Paar (für die Anfluggrundebene und für den
Gleitweg) können aus drei Antennen aufgebaut werden. deren eine (die untere des
zweiten Paars) beiden Paaren gemeinsam ist.
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\\entt gewünscht, können andere bekannte Funknavigatio1lshilfen,
z. B. sog. Funkbaken, verwendet werden, die einem auf die Landung wartenden Flugzeug
das Rundenfliegen über dem Flugplatz
erleichtern oder die in bestimmten
Abständen auf der Anfluggrundlinie aufgestellt sind.
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Die im einzelnen heschriebenen Systeme sind in ihrer Wirkungsweise
nicht von den empfangenen Feldstärken und einem Vergleich derselben abhängig. Sie
sind deshalb in einem wesentlich höherem Maße unempfindlich gegen schädliche Interferenzen
durch falsche bzw. reflektierte Tmpulse, d. h. Reflektionen von Flugzeughallen od.
dgl., als Systeme, die mit einem solchen Feldstärkenvergleich arbeiten. Darüber
hinaus können die verwendeten Antennen und ihre Mastaufbauten in einem solchen Sicherheitsabstand
von ihren dazugehörigen Landebahnen aufgestellt werden, daß die Gefahr eines Zusammenstoßes
auf ein Minimum verringert ist. Tatsächlich sind bei dem imeinzelnen Iteschriebenen
System lediglich die Antennen des dritten Systems in der Anfluggrundebene bzw. in
ihrer Nähe aufgestellt; da sie jedoch windabwärts der Landebahn liegen, bilden sie
keine Hindernisse, da sich das Flugzeug dort in einer beträchtlichen Höhe über Grund
befindet.
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Die Erfindung ist nicht auf Systeme mit kontinuierlichen Trägerwellen
beschränkt, obgleich diese bevorzugt werden, sondern kann, theoretisch jedenfalls,
jedes bekannte Hyperbelsystem verwenden.
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Ein bedeutender praktischer Vorteil der Erfindung ist der weite Spielraum,
den sie dem Konstrukteur eines Fluglandehilfssystems bei der Waaahl des Gleitwegs
bietet. Die derzeit gültige Ansicht über eine ideale Gleitweglandehilfe (deren Richtigkeit
bezweifelt werden kann) ist die, daß sie eine etwa 20 km vor dem Flugplatz im Luftraum
beginnende und im Aufsetzpunkt der Maschine endende Linie definiert, die über den
größten Teil ihrer Länge gerade und um etwa 2,50 abwärts geneigt ist und die sich
in den letzten 100 m asymptotisch der Landebahn nähert. In der bisherigen Praxis
verfährt der Pilot so, daß er mit anderen Navigationshilfen oder nach dem allgemeinen
Navigationsverfahren einen außerhalb des Flugplatzes liegenden Markierungspunkt
mit der richtigen Höhe überfliegt und dann unter genauer Kenntnis des richtigen
Kurses und seines Azimuts in den Gleitweg einsteuert. Er drückt auf diesem Gleitweg
abwärts und überfliegt dabei eine Zwischenmarkierung, die ihn über Standort und
Kurs informiert. Er drückt derart weiter, bis sein Höhenmesser eine sog. kritische
Höhe anzeigt; das ist die Höhe, in der er noch steigen und zurückdrehen kann, um
einen zweiten Landeversuch zu unternehmen. Bei Erreichung der kritischen Höhe wird
das Flugzeug mit ausgefahrenen Landeklappen und Fahrgestell heruntergedrückt, wodurch
die Geschwindigkeit erniedrigt und die Manövrierfähigkeit verringert wird. Die kritische
Höhe ist je nach Art des Flugzeugs, des Flugplatzes und anderen Bedingungen verschieden.
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IXei Erreichen dieser Höhe muß sich der Pilot entscheiden, ob er landen
oder abdrehen will; dieseEntscheidung hängt von den Sichtverhältnissen ab und davon,
ob der Anflug richtig erfolgt ist. Wenn die Bedingungen zur Landung erfüllt sind,
dann hat der Pilot keine besonderen Eingriffe mehr vorzunehmen, sondern fährt lediglich
fort. die Maschine zu drücken (wenn das Flugzeug durch eine Selbststeuerung gesteuert
wird. die ihrerseits durch die Impulse einer Funklandchilfe gesteuert wird, hat
der Pilot überhapt kein Aufgabe); wenn die Bedingungen zur Lnadung jedoch nicht
gegeben sidn. dann muß der Pilot kräftig und schnell eingreifen.
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Offensichtlich kann die Erfindung dazu dienen. einen Gleitweg zu erzielen.
der sich sehr gut den vorstehend geschilderten Verfahren einfügt: aber es sei bezweifelt,
cl ein derartiges Verfahren tatsächlich überhaupt ideal ist. Denn in dem Zeitpunkt,
in dem man sich (wenn überhaupt) dazu entscheiden muß, nicht zu ianden. hat die
SIaschine bereits schlechte Flugeigenschaften und ist demnach schwerer zu steuern.
Da mit der Verbesserung der Funknavigationshilfen und der Verkleinerung der Toleranzen
auch die kritischen Höhen in Zukunft niedriger werden, wird diese Überlegung mehr
und mehr in den Vordergrund treten; es inst gut möglich, daß man dann von einem
idealen Gleitweg nicht mehr verlangen wird, daß er asymptotisch in die Lnadebahn
einmündet, sondern daß er vielmehr das Flugzeug bis zur kritischen Höhe herunterfiihrt,
in dieser Höhe stabilisiert und dann wieder allmählich aufwärts führt, und zwar
automatisch, falls eine funkgesteuerte Selbststeuerung verwendet wird.
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Dann kann bei Erreichung der kritischen Höhe der Pilot die Führung
übernehmen und landen, falls die Sichtverhältnisse derart sind. daß ihm eine sichere
Landung gewährleistet erscheint. Wettn er jedoch in der kritischen Höhe keine Lnadesicherheit
erkennt, hat er keine besonderen Handgriffe vorzunehmen, und das Flugzeug steigt
von selbst wieder auf. Die Erfindung kautt so verwendet werden, daß sie sich diesem
Verfahren, das wir für das Itessere halten, einfügt. Zu diesem Zweck wird die Funkanlage
so eingerichtet. daß eine Gruppe hyperholischer Gleitweg etttsteltt, die (bevor
sie wieder aufsteigen) in verschiedenen Höhen horizontal werden, in der gewünschten
richtigell Position über der Landebahn. Der Pilot kann also den Gleitweg mit der
gewünschten horizontalen, d. h. kritischen Höhe vott z. B. 60 oder 15 tu oder mit
irgendeiner anderen Höhe wählen und auf diesem einfliegen; er hat dabei die Gewißheit.
daß sein Bodenabstand niemals geringer als diese Höhe ist. Wenn nun die Sichtverhältnisse
so schlecht sind, daß er keine Bodensicht hat, oder wenn er nicht genügend sorgfältig
eingeflogen ist, um diese Bodensicht zu erreichen, wird die Maschine ohtte irgendeinen
Eingriff seinerseits in sicherer Weise hochgezogen.
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Wenn er andererseits ausreichende Bodensicht hat, übernimmt er die
Steuertlng und landet.