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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft das Erfassen von Luftturbulenz und genauer genommen
ein Verfahren und ein System zum Bestimmen von Luftturbulenz unter
Einsatz von Phasenwechseln in einem Signal.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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In
der Luftfahrt sind die gefährlichsten
Phasen, die ein Luftfahrzeug durchläuft, das Landen oder das Abheben.
In diesen Phasen ist das Luftfahrzeug gegenüber unerwarteten Änderungen
in seiner Umgebung empfindlich. Scherwinde zum Beispiel oder plötzliche
oder gewaltsame Änderungen
in der Windrichtung können
eine Fluchtungsabweichung des Luftfahrzeugs zu der Rollbahn verursachen.
Ferner kann plötzliches
Abfallen des Luftdrucks bewirken, dass das Luftfahrzeug plötzlich in
einem Zeitpunkt an Höhe
einbüsst,
wenn übermäßige Höhe nicht
verfügbar
ist.
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Zusätzlich zu
den natürlichen Änderungen
in der Umgebung erzeugen das Landen und das Abheben von Luftfahrzeugen
auch starke Luftwirbel oder Wirbelströmungen in der Umgebung hinter
dem Luftfahrzeug, die dem Betrieb eines darauf folgenden sukzessiven
Luftfahrzeugs beeinträchtigen
können. Um
die Effekte von Wirbel und Wirbelnachlauf auf das nächste oder
darauf folgende Luftfahrzeug zu verringern, wurden erforderliche
Mindestentfernungen zwischen Luftzeugen erstellt, um ihre Sicherheit zu
verbessern. Solche geforderten Mindestabstände sind jedoch festgelegt,
um ungünstigste
Fälle zu
berücksichtigen
und sind länger
als erforderlich.
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Die
Kenntnis der Unruhen oder Turbulenzen in der Umgebung des Luftfahrzeugs
kann verwendet werden, um die Luftfahrzeugsicherheit zu verbessern,
und kann auch verwen det werden, um die Mindestentfernung zu verringern,
die zwischen Luftfahrzeugen erforderlich ist, so dass die Flughafeneffizienz
gesteigert wird.
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Es
besteht daher ein Erfordernis für
das Bestimmen von Unruhen oder Turbulenz in der Atmosphäre, die
ein Luftfahrzeug umgibt. Gemäß einem Aspekt
ist die Kenntnis des Wirbelnachlaufs in der Zone um die Enden von
Luftfahrzeugrollbahnen wichtig. Gemäß einem anderen Aspekt ist
die Kenntnis des Wirbelnachlaufs unmittelbar vor einem Flugzeug ähnlich wichtig.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen wird die vorliegende Erfindung als ein System und ein
Verfahren zum Bestimmen atmosphärischer
Unruhen oder Turbulenzen offenbart, die einem Luftfahrzeug vorausgehen
oder von einem Luftfahrzeug erzeugt werden. Das Verfahren umfasst
das Empfangen eines Signals von einer Vielzahl von Sensoranordnungen,
wovon jede eine Vielzahl von Sensorelementen aufweist, die in einer vorausbestimmten
Art verteilt sind. Jedes der Sensorelemente ist mit einem entsprechenden
Empfangssystem in Kommunikation, das betrieben werden kann, um elektromagnetische
Energie, die von einem herannahenden oder abfliegenden Flugzeug
ausgeht, zu empfangen und zu verarbeiten. Es erfolgt ein Bestimmen
hinsichtlich der Luft- oder Nachlaufturbulenz, indem eine Wechselrate
des Phasensignals unter ausgewählten
Sätzen
von Signalen bestimmt wird, die an den Empfangssystemen empfangen
werden. Eine Turbulenzkarte wird dann ausgehend von der festgelegten
Phasenwechselrate und dem Winkel des empfangenen Signals festgelegt.
Wenn die Phasenwechselrate bekannte Niveaus überschreitet, erfolgt die Anzeige
von Turbulenz. Die Vielzahl von Sensorelementen in jeder der Sensoranordnungen kann
verwendet werden, um einen genauen Ankunftswinkel des empfangenen
Signals zu bestimmen. Die Sensoranord nungen können sich an Bord eines Luftfahrzeugs
befinden, um Turbulenz unmittelbar vor ihm zu überwachen.
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Spezifisch
und gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System gemäß Anspruch
1 bereitgestellt, das heißt
ein System zum Erfassen atmosphärischer
Störungen
vor einem Luftfahrzeug, umfassend:
eine Vielzahl von Sensoranordnungen,
wobei jede Sensoranordnung eine Vielzahl von Sensorelementen aufweist,
die in einem vorausbestimmten Muster angeordnet sind und gemeinsam
mindestens ein Signal empfangen,
ein Empfangssystem in Kommunikation
mit einem entsprechenden der Vielzahl von Sensorelementen in jeder
der Vielzahl von Sensorelementanordnungen, wobei das Empfangssystem
betrieben werden kann, um ein gleiches Signal aus mindestens einem empfangenen
Signal in jeder der Vielzahl von Sensoranordnungen zu isolieren,
Mittel
zum Bestimmen eines Phasenwerts für jedes der gleichen Signale,
Mittel
zum Bestimmen einer Phasenwechselrate für ausgewählte Untereinheiten der gleichen
Signale,
Mittel zum Anzeigen von Turbulenz, wenn die Phasenwechselrate
einen bekannten Schwellenwert überschreitet,
der mit ausgewählten
Untereinheiten der gleichen empfangenen Signale verbunden ist.
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Optional
bevorzugte Merkmale des oben definierten Systems sind in den Ansprüchen 2 bis
20 und Ansprüchen
47 bis 51, die anliegen, spezifiziert.
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Spezifisch
wird gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren nach Anspruch
21 bereitgestellt,
das heißt
ein Verfahren zum Erfassen von Luftturbulenz, die den Betrieb eines
Luftfahrzeugs, das dieser Turbulenz ausgesetzt ist, unerwünscht beeinflussen kann,
das die folgenden Schritte aufweist:
Empfangen eines Signals
mit einer vorausbestimmten Frequenz in einer Zone, in der die Turbulenz
erwartet wird,
Bestimmen eines Phasenwechsels in dem empfangenen
Signal aufgrund von Turbulenz, wobei der bestimmte Phasenwechsel
mit einem Schwellenwert verglichen wird, und
Anzeigen der Gegenwart
der Turbulenz, wenn der erfasste Phasenwechsel den Schwellenwert überschreitet.
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Optional
bevorzugte Merkmale des oben definierten Verfahrens sind in den
Ansprüchen
22 bis 46, die anliegen, spezifiziert.
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WO
01/6713 wird in der Kategorie des allgemeinen Stands in Zusammenhang
mit der Erfindung anerkannt. Dieses Dokument offenbart ein System zum
Messen von Merkmalen von Streuern, die beabstandete Empfängerfernsensoren
verwenden, das die Begrenzungen schlechter räumlicher Auflösung und
schlechter zeitlicher Auflösung
eliminiert, die man in vorher existierender Überwachungsausstattung findet.
Das Schlüsselmerkmal
des Systems zum Messen von Merkmalen von Streuern, die beabstandete
Empfängerfernsensoren
verwenden, ist der Einsatz von Strukturfunktionen der Rücklaufsignale
an Stelle von Korrelationsfunktionen oder Spektren der Rücklaufsignale
zum Abrufen von Merkmalen der Streuer aus den Rücklaufsignalen. Es wird festgestellt,
dass das System fähig
ist, verschiedene Merkmale von Streuern zu bestimmen, darunter Komponenten
mittlerer Geschwindigkeit, Turbulenzstärke, Größe, Form, Material und dergleichen.
Dieses Dokument offenbart kein System oder Verfahren zum Bestimmen
von Luftturbulenz in der Atmosphäre,
die ein Flugzeug umgibt, unter Einsatz von Phasenwechseln in einem
Signal und mit den Merkmalen des Systems oder Verfahrens, wie es
oben gemäß der vorliegenden
Erfindung definiert ist, und schlägt diese nicht vor.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 veranschaulicht
eine perspektivische Ansicht eines Luftfahrzeugs, das sich einer
Rollbahn nähert,
und veranschaulicht ferner eine beispielhafte Verteilung von Sensoranordnungen
gemäß den Konzepten
der Erfindung,
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2a bis 2b veranschaulichen
Phasenwechsel jeweils unter nicht turbulenten und turbulenten Bedingungen,
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3 veranschaulicht
einen beispielhaften Prozessstrom zum Bestimmen von Turbulenz gemäß den Konzepten
der vorliegenden Erfindung,
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4a veranschaulicht
ein Blockschaltbild einer beispielhaften Systemkonfiguration gemäß den Konzepten
der vorliegenden Erfindung,
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4 veranschaulicht ein Blockschaltbild
einer zweiten beispielhaften Systemkonfiguration gemäß den Konzepten
der vorliegenden Erfindung,
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5 veranschaulicht
ein Blockschaltbild eines beispielhaften Signalverarbeitungssystems
gemäß den Konzepten
der vorliegenden Erfindung,
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6 veranschaulicht
ein Blockschaltbild eines beispielhaften Empfänger-/Signalschätzers, wie er
in der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
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7 veranschaulicht
ein Blockschaltbild einer beispielhaften differenziellen Signalphase
und eines Phasenratenschätzers
gemäß den Konzepten der
vorliegenden Erfindung,
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8 veranschaulicht
ein Blockschaltbild eines beispielhaften Nachlaufsspektralanalysators
gemäß den Konzepten
der vorliegenden Erfindung,
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9a bis 9d veranschaulichen
beispielhafte Lagen von Sensorelementen gemäß den Konzepten der vorliegenden
Erfindung,
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10 veranschaulicht
ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Bestimmen
des Phasenunterschieds,
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11 veranschaulicht
ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Bestimmen
der Phasenwechselrate,
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12 veranschaulicht
eine zweite Ausführungsform
eines beispielhaften Luftturbulenzsystems gemäß den Konzepten der Erfindung,
und
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13 veranschaulicht
eine voraussichtliche Ansicht eines Systems, das ein räumliches
Nutenantennenmuster gemäß den Konzepten
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Es
ist klar, dass diese Zeichnungen allein dem Zweck der Veranschaulichung
der Konzepte der Erfindung dienen und nicht als Niveau der Einschränkungen
der Erfindung gemeint sind. Es ist ferner klar, dass überall die
gleichen Bezugszeichen eventuell mit zusätzlichen Bezugszeichen zum
Identifizieren entsprechender Teile verwendet wurden.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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1 veranschaulicht
eine perspektivische Ansicht 100 einer beispielhaften Luftturbulenz
oder Wirbelsäule 105 unmittelbar
vor einem Luftfahrzeug 110, das sich einer Rollbahn 115 nähert. 1 kann ähnlich eine
perspektivische Ansicht einer Luftturbulenz oder Wirbelsäule veranschaulichen,
die von einem abfliegenden Luftfahrzeug verursacht wird. Bei beiden
Aspekten der Erfindung sind die Bodensensoranordnungen und die entsprechenden
Empfangssysteme 120, 121, 122, 124 und 125 an
Orten an einem Ende der Rollbahn 115 positioniert, um eine Luftturbulenz
in der Nähe
des Rollbahnendes zu erfassen und zu bestimmen. Während in
dem veranschaulichten Beispiel nur fünf Sensoranordnungen/Empfangssysteme 120 bis 125 gezeigt
sind, ist es klar, dass das offenbarte System leicht erweitert werden
kann, um jede beliebige Anzahl von Empfangssystemen aufzuweisen.
Während
die Sensoranordnungen/Empfangssysteme 120 bis 125 in
diesem Beispiel gemeinsam in der Nähe der Rollbahn lokalisiert
gezeigt sind, ist es ferner klar, dass die Sensoranordnungen und
entsprechenden Empfangssysteme dezentral angeordnet sein können. In diesem
Fall können
sich die entsprechenden Empfangssysteme an einer oder mehreren zentralen
Stellen befinden und sie können
mit einer entsprechenden Sensoranordnung über ein verkabeltes oder drahtloses
Netzwerk verbunden sein. Die zulässige Entfernung
zwischen Sensoranordnung und entsprechenden Empfangssystemen hängt Bekannterweise von
Faktoren wie zum Beispiel Antennenverstärkung, Signalstärke, Empfängerempfindlichkeit,
Signalverstärkung
usw. ab.
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Unter
Zurückkehren
zur 1 erfassen die veranschaulichten Sensoranordnungen/Empfangssysteme 120–125 elektromagnetische
Energie, die ihren Ursprung hat in oder stammt von sich nähernden
oder abfliegenden Luftfahrzeugen 110 und stellen die empfangene
Signalenergie einem entsprechenden Empfangssystem zum Isolieren
eines gewünschten
Sig nals bereit. Eine empfangene Signalpfadlänge, die als 130–135 zwischen
dem Luftfahrzeug und der Sensoranordnungen/Empfangssystemen veranschaulicht
ist, hängt
von der Position des Luftfahrzeugs 110, den Lagen der Sensoranordnungen/Empfangssysteme, 120–125 sowie
von dem räumlichen
Winkel zwischen dem Luftfahrzeug 110 und der Sensoranordnung
ab.
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2a veranschaulicht
die konstante Phase der Signale, die an der Anordnungsebene 140,
die die Sensoranordnungen/Empfangssysteme 120–125 enthält, empfangen
werden, wenn in dem Signalpfad zwischen dem Luftfahrzeug und den
Sensorenanordnungen/Empfangssystemen 120–125 keine
Turbulenz existiert. Das an jedem der Empfangssysteme empfangene
Signal kann wie folgt dargestellt werden: Sr = K sin(ωt + φ) [1]wobei
- S
- r das
empfangene Signal ist,
- K
- eine Konstante ist,
- ωt
- die Übertragungsfrequenz
darstellt, und
- φ
- den Phasenwinkel darstellt,
der von der Pfadlänge
bewirkt wird, zwischen dem Luftfahrzeug und der Sensoranordnung.
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Bei
dem Bestimmen der momentanen empfangenen Frequenz eines sich dynamisch
bewegenden Ziels wird die empfangene Signalfrequenz ferner von dem
gut bekannten Prinzip der Dopplerverschiebung beeinflusst und wird
festgelegt als Sr(t) = Ksin(ωt + φ(t)) [2]wobei
- Sr(t)
- das empfangene Signal
als eine Funktion der Zeit ist und
- φ(t)
- den Zeitvariantenphasenwinkel
veranschaulicht, der von der sich ändernden Pfadlänge erzeugt
wird.
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2b stellt
die nicht gleichförmige
Phase von Signalen dar, die die Luftturbulenz durchqueren, die zwischen
dem Luftfahrzeug 110 und der Ebene 140, die die
Sensoranordnungen/die Empfangssysteme 120–125 enthält, existieren.
Der Turbulenz- oder atmosphärische
Index von Brechungsvariationen wird durch bekannte Änderungen
im Luftdruck, der Temperatur und Feuchtigkeit beeinflusst. Luftfahrzeugwirbel
insbesondere verursachen Änderungen
in allen drei Parametern. Die Änderung
im atmosphärischen
Brechungsindex wiederum erzeugt Änderungen
in der Ausbreitungsfrist und -richtung, die sich in Verzerrungen
in der empfangenen Signalwellenfront und Phase merklich machen.
Die empfangene Frequenz wird ferner durch die sich ändernden
atmosphärischen
Bedingungen beeinflusst und kann wie folgt festgelegt werden: Sr(t)
= K sin(ωt
+ φ(t)
+ τ(t)) [3]wobei
- τ(t)
- die Zeitvariantenänderung
in der Phase veranschaulicht, die durch die sich ändernden
atmosphärischen
Bedingungen verursacht wird.
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3 veranschaulicht
einen beispielhaften Prozessfluss 200, in dem jede einer
Vielzahl von Differenzpfadbestimmungen, bestimmt durch die veranschaulichten
Prozessoren 210, 220, 230 dem Prozessor 240 bereitgestellt
werden. Der Differenzpfadprozessor 210 bestimmt zum Beispiel
eine Schätzung
einer Signalphase an jeder einer Vielzahl von Sensoranordnungen.
Bei diesem Veranschaulichungsbeispiel werden Differenzphasenschätzungen anhand
von zwei Sensoranordnungen erzielt. Die Phasenschätzungen
werden dann an das Verarbeitungsmodul 216 zu Block 216 angewandt,
um Signalunterschiede zu lösen
und Phasenschätzungen entlang
von Differenzsignalpfaden zu jeder Sensoranordnung zu bestimmen.
In dem Verarbeitungsblock 217 kann ein Ankunftswinkel bestimmt
werden, um einen Signalpfad zu definieren. Die Präzision und
die Genauigkeit des bestimmten Ankunftswinkels hängen von der Anzahl und Position
der Sensorelemente innerhalb jeder Sensoranordnung ab. Im Verarbeitungsblock 218 wird
ein Turbulenzniveau basierend auf einer spektralen Schätzung der
Phasenwechselrate entlang eines definierten Signalpfads bestimmt. Im
Verarbeitungsblock 240 wird ein Bild der Turbulenz in der
Zone entlang des definierten Signalpfads aus jeder der festgelegten
Differenzpfadturbulenzschätzungen
vorbereitet. Im Verarbeitungsblock 250 kann ein Bild der
Turbulenzschätzungen
für den
Bodentechniker und/oder Techniker an Bord angezeigt werden.
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4a veranschaulicht
ein Blockschaltbild eines beispielhaften Luftturbulenzüberwachungssystems 300 zum
Erfassen und Bestimmen von Luftturbulenz gemäß den Konzepten der Erfindung.
Bei diesem beispielhaften System ist ein einzelnes Sensorelement 305 gezeigt,
das sich in der Sensoranordnung 330 befindet. Die Sensorelemente
werden positioniert, um eine Bestimmung der Phase des empfangenen
Signals unter Einsatz bekannter Verfahren bereitzustellen. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform
wird die Phase des empfangenen Signals eindeutig gelöst. Jede
der Vielzahl von Sensoranordnungen 330 kommuniziert ferner
mit einem entsprechenden Empfangs- und Signalvektorschätzsystem 340,
das ein entsprechendes erfasstes und geschätztes Signal an den Prozessor 345 bereitstellt. Der
Prozessor 345 kann betrieben werden, um die empfangenen
Signale zu verarbeiten und eine Differenzphase, eine Schätzung der
Phasenrate und eine potenzielle Turbulenz und einen potenziellen
Nachlauf zu bestimmen.
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Empfangsuntereinheiten,
die elektromagnetische Signale, die in diesem Fall von einer gleichen Quelle stammen
oder hervorgehen, empfangen und verarbeiten, sind gemäß dem Stand
der Technik gut bekannt und brauchen hier nicht detailliert besprochen
zu werden. Die erfassten elektromagnetischen Signale können ausgewählt werden
aus einem Bordsignal, wie zum Beispiel IFF, Seehöhentransponder, Navigationstransponder,
VHF-Funk, UHF-Funk, FLIR, Wetter-RADAR oder aus einem Bodensignal, wie
zum Beispiel Boden-RADAR, zum Beispiel Air Traffic Control Radar
Beacon System (ATCRBS). Ferner repräsentieren ultraviolette, sichtbare
oder Infrarotlichtquellen, wie zum Beispiel Landebaken, reflektiertes
oder künstliches
Licht elektromagnetische Energie, die beim Empfangen durch Sensorelemente 305 und
Empfangssysteme, die zum Verarbeiten solcher elektromagnetischer
Strahlung betrieben werden können,
verwendet werden können.
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4b veranschaulicht
ein Blockschaltbild eines zweiten und bevorzugten Aspekts der vorliegenden
Erfindung. Bei diesem Beispiel enthält jede der Sensoranordnungen 330 eine
Vielzahl von Sensorelementen 305. In diesem Fall kann die
Vielzahl von Sensorelementen vorausbestimmt positioniert werden,
um einen Ankunftswinkel des empfangenen Signals und einen Kompositphasenwert
für das
unter den Sensorelementen empfangene Signal zu bestimmen. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Sensorelemente 305 innerhalb jeder Sensoranordnung 330 unter
Einsatz gut bekannter interferometrischer Methodik zum Bestimmen
eindeutiger Signalankunftswinkel positioniert.
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5 veranschaulicht
ein Blockschaltbild 320 des Prozessors 345. Bei
diesem veranschaulichten Blockschaltbild werden empfangene Signale
von jedem Sensorelement 305 innerhalb jeder Sensoranordnung 330 einem
entsprechenden Empfänger-/Signalschätzer 340 bereitgestellt.
Ausgewählte
Signale von dem Empfänger-/Signalschätzer 340 werden dann
zu dem Differenzphasen- und Phasenratenschätzer 350 bereitgestellt.
Der Ausgang des Phasenratenschätzers 350 wird
dann dem Spektralanalysator 360 bereitgestellt. Der Ausgang
des Spektralanalysators 360 wird dann dem Prozessor 370 bereitgestellt.
Der Prozessor 370 bestimmt dann die Turbulenz und die Nachläufe auf
der Grundlage der Wechselrate der gemessenen Phase der empfangenen
Signale. Es ist klar, dass die Anzahl von Sensoranordnungen 330 und
Empfangssystemen 340 leicht auf eine beliebige Anzahl von
Untereinheiten gesteigert werden kann, indem man zusätzliche
Untereinheiten parallel einbaut, ohne den Geltungsbereich der Erfindung
zu ändern.
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Wie
ferner veranschaulicht, wird ein Signal 325 aus mindestens
einem ausgewählten
Empfangssystem ausgewählt
und jedem der Empfangs-/Signalschätzer 340 bereitgestellt.
Das Signal 325 wird dann als Referenzsignal verwendet,
um eine Phasenmessung für
jedes der empfangenen Signale zu bestimmen. Bei einem zweiten Aspekt
der Erfindung kann ein Signal 325 von jedem Empfangssystem
zu jedem anderen Empfangssystem bereitgestellt werden, um Phasenmessungen
in Bezug auf verschiedene Referenzsignale zu bestimmen.
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6 veranschaulicht
ein Blockschaltbild eines beispielhaften Empfänger-Signalschätzers 340. In
diesem Fall ist eine Vielzahl von Sensorelementen 330a, 330b, 330c bis 330n innerhalb
der Sensoranordnung 330 enthalten. Die Sensorelemente 330a–330n werden
vorzugsweise an Stellen in Bezug zu einander verteilt, um einen
eindeutigen Ankunftswinkel zu bestimmen. Das Bestimmen des eindeutigen
Ankunftswinkels eines empfangenen Signals kann anhand bekannter
Verfahren, wie zum Beispiel interferometrische Verfahren bestimmt
werden.
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Wie
veranschaulicht, stellt jedes Sensorelement 330a–330n ein
erfasstes Signal einem entsprechenden Empfangssystem 342a–342n bereit.
Ferner wird in dem veranschaulichten Fall das erste Empfangssystem 342a als
eine Referenzsignalquelle ausgewählt,
von der alle anderen Signale, die an den Empfangssystemen 342b–342n erfasst
werden, verarbeitet werden. Das verarbeitete Signal des ausgewählten Referenzempfängers 342a und
die Signale, die von jedem der restlichen Empfangssysteme 342b–342n erfasst
werden, werden in Paaren an entsprechende Erzeuger 344b–344n für kohärente Signalprodukte
angelegt. Der Ausgang des Empfangssystems 342b und das
Referenzsignal 325 werden zum Beispiel an den Signalprodukterzeuger 344b angelegt.
Obwohl die Ausgänge
der Empfangssysteme 342b–342n als paarweise
an entsprechende Generatoren 344b–344n kohärenter Signalprodukte
angelegt gezeigt werden, ist es klar, dass jede Anzahl von Signalen
an einen entsprechenden Erzeuger für kohärentes Signalprodukt angelegt
werden kann.
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Der
Ausgang jedes Generators 344b–344n für kohärentes Signalprodukt
wird dann an einen Signalvektorschätzprozessor 346 angelegt.
Der Signalschätzprozessor 346 bestimmt
verfeinerte Signalvektorwerte, die für die Signale repräsentativ
sind, die von den Sensorelementen in der Anordnung 330 empfangen
werden. Ferner ist jedes der Signale 348b–348n dargestellt
als eine In-Phase „I" und eine Quadraturphase „Q"-Komponente aufweisend
dargestellt. Die Signale 348b–348n können auch
in einer Matrixform dargestellt werden, die eine bestimmte Amplitude
und einen bestimmten Phasenwert hat.
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7 veranschaulicht
ein Blockschaltbild eines beispielhaften Differenzialphasen- und
Phasenratenschätzers
350.
Bei diesem beispielhaften Blockschaltbild wird jeder der Signalvektoren
348b-348n von
mindestens zwei Signalschätzern
340 zu
einem Differenzpfadphasen-Differenzprozessor
352 bereitgestellt,
um einen Differenzpfadphasenunterschied zwischen bereitgestellten
Signalvektoren zu bestimmen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
werden die resultierenden Differenzsignalvektoren aufgeschlüsselt in
ihre komplexen In-Phase- und Quadratur-Phasesignalkomponen ten, dargestellt
jeweils als I und Q. Die In-Phase-Komponenten der bereitgestellten
Signalvektoren werden gleichzeitig beiden Eingängen eines Multiplikators
353,
eines Differenziators
355 und eines Multiplikators
354 bereitgestellt. Der
Ausgang des Multiplikators
353 ist daher repräsentativ
für das
Quadrat der I-Komponente. Der Ausgang des Differenziators
355 ist
daher repräsentativ für die Ableitung
der I-Komponente, dargestellt als I o. Ähnlich werden die Quadraturkomponenten
der bereitgestellten Signalvektoren beiden Eingängen des Multiplikators
357,
Differenziators
356 und Multiplikators
358 bereitgestellt.
Der Ausgang des Multiplikators
357 ist repräsentativ
für das
Quadrat der Quadraturkomponente, und der Ausgang des Differenziators
356 ist
repräsentativ
für die
Ableitung der Quadraturkomponente, dargestellt als Q o. Das I und Q,
die jeweils den Multiplikatoren
354 und
358 bereitgestellt werden,
werden dann multipliziert mit entsprechenden differenzierten Q-
und I-Signalen, das heißt
jeweils Q o und I o. Der Unterschied der Ausgänge des Multiplikators
354 und
358 wird
dann durch den Subtraktor
360 bestimmt. Das Quadrat der
I- und Q-Komponenten wird dann zu dem Addierer
359 bereitgestellt,
um ein Signal zu erzeugen, das für
die Summe des Quadrats der I- und Q-Komponente repräsentativ
ist, nämlich
I
2 + Q
2. Der Ausgang
des Subtraktors
360 und das Quadrat der I- und Q-Komponenten
wird dann dem Dividierer
361 bereitgestellt. Ein Differenzialpfadphasenratensignal
kann dann bestimmt werden als:
wobei I o und Q o zu den ersten
Ableitungen der in-Phase- und Quadratur-Phase-Komponenten der bereitgestellten
Signalvektoren sind.
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Differenzialphasen,
Interferometer-empfangende Systeme werden vorzugsweise zum Erfassen von
Phasenratenwechseln verwendet. Durch Berechnen der Differenzialrate
des Phasenwechsels ausgehend von mindestens zwei leicht unterschiedlichen
Pfaden zwischen einer gemeinsamen Quelle und jedem der zwei Interferometer-empfangenden Elemente
werden die Phaseneffekte, die beide Pfade gemeinsam haben, aufgehoben
und daher sind die Unterschiede zwischen Pfaden betont. Die Fähigkeit, den
Grad der Differenzphasenfluktuationen zwischen mindestens Paaren
von Signalpfaden und aufgezeichneten Historien dieser Fluktuationen
in Bezug auf jeweilige Pfadgeometrien zu messen, erlaubt es, Regionen
von Fluktuationen zu bestimmen, mitzuverfolgen und kartieren.
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8 veranschaulicht
ein Blockschaltbild eines beispielhaften Nachlaufsspektralanalysators 365.
Bei diesem Beispiel wird ein Differenzsignal an den Spektralfilter 366 angelegt.
Der Spektralfilter 366 trennt das Phasenratenspektrum eines
von dem Phasennachlauf verursachten Phasenwerts von den vornehmlich
statischen Nicht-Nachlaufphasenwerten. Bei einem Aspekt kann eine
Fourier-Transformation oder schnelle Fourier-Transformation (FFT)
bei dem Verarbeiten des Spektralfilters 366 implementiert
werden. Der Ausgang des Spektralfilters 366 wird angelegt
an den Spektralzellennormalisator 367, was als Spektralzellnormalisierung
bezeichnet wird, die das bestimmte Differenzsignal über Zeit
und Frequenz normalisiert. Der Ausgang des Normalisators 367 wird
dann an den Turbulenzschwellenwertdetektor 368 angelegt.
Der Ausgang des Turbulenzschwellendetektors 368 wird dann
an den Prozessor 370 angelegt.
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Die 9a bis 9d veranschaulichen beispielhafte
Sensoranordnungskonfigurationen. Die 9a bis 9c veranschaulichen
beispielhafte Konfigurationen, bei welchen die Sensorelemente linear
positioniert sind. 9d veranschaulicht eine Anordnungskonfiguration,
bei der die Sensorelemente entlang zweier Achsen positioniert sind.
Genauer genommen veranschaulicht 9a eine
Vielzahl von Sensoranordnungen 900, die zwei Sensorelemente 305 aufweisen,
die linear in jeder Anordnung gefluchtet sind. 9b veranschaulicht
eine Vielzahl von Sensoranordnungen 920, wobei drei Sensorelemente 305 linear
gefluchtet sind. Bei einem bevorzugten Aspekt wird das Positionieren
der Sensorelemente 305 gemäß gut bekannten interferometrischen
Verfahren bestimmt. 9c veranschaulicht eine Vielzahl
von Sensoranordnungen 940, die vier Sensorelemente 305 haben.
Es ist klar, dass die Fähigkeit, den
Ankunftswinkel und Signalphase zu bestimmen, mit dem Steigen der
Anzahl von Sensorelementen oder der Beabstandung zwischen Sensorelementen steigt. 9d veranschaulicht
eine Vielzahl zweidimensionaler Sensoranordnungen 960,
die Sensorelemente 305 aufweisen, die in zwei Dimensionen
positioniert sind. Diese Position erlaubt ein verbessertes Bestimmen
des Ankunftswinkels des empfangenen Signals. Obwohl dies nicht gezeigt
ist, ist es klar, dass die Sensorelemente ferner in drei Dimensionen ausgerichtet
oder positioniert werden können,
um das Bestimmen des Ankunftswinkels des empfangenen Signals weiter
zu verbessern. Während
die 9a bis 9d beispielhafte
Positionen von Sensorelementen veranschaulichen, wird nicht beabsichtigt,
dass nur diese gezeigten Sensorelementausrichtungen innerhalb des
Geltungsbereichs der Erfindung liegen. Im Gegenteil kann jede Anzahl
von Sensorelementen oder Sensorelementpositionen verwendet werden,
ohne den Geltungsbereich der Erfindung zu verändern.
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10 veranschaulicht
ein Flussdiagramm 1000 eines beispielhaften Verarbeitens,
um Luftturbulenz gemäß den Konzepten
der vorliegenden Erfindung zu bestimmen. In diesem Fall wird die
Phase des an einem i. Empfangssystem empfangenen Signals als ein
Referenzphasensignal in Block 1010 erstellt. Die Phase
des an einem nächsten
oder darauf folgenden (j.) Empfangssystem empfangenen Signals wird
dann in Block 1020 erzielt. Der Unterschied zwischen den
empfangenen Signalphasen und dem ausgewählten i. und j. Empfangssystem
wird dann in Block 1030 bestimmt. Ein Bestimmen der Wechselrate
des Signalphasenunterschieds wird zwischen dem Unterschied in Phasen
in zwei bekannten Zeitpunkten, oder Zeitspannen an dem i. und j.
System bestimmt und in einem Block 1040 gespeichert.
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Dann
wird ein nächstes/darauf
folgendes Empfangssystem in Block 1050 ausgewählt. Dann erfolgt
in Block 1060 das Bestimmen, ob alle j. Empfangssysteme
ausgewählt
wurden. Ist die Antwort negativ, wird die Phase des nächsten/darauf
folgenden Empfangssystems in Block 1020 erzielt. Entsprechend
wird die Phase des an jedem nächsten/darauf
folgenden Empfangssystem empfangenen Signals hinsichtlich eines
aus einem i. Empfangssystem ausgewählten Referenzsignals bewertet.
Bei einem Aspekt der Erfindung, wenn die Antwort in Block 1060 positiv
ist, kann in Block 1090 eine Turbulenzkarte über die
i./j. Empfangssystemkombinationen bestimmt werden. Als ein Beispiel
kann gemäß diesem
Aspekt der Erfindung eine Turbulenzkarte auf der Grundlage von Phasenmessbestimmungen
bestimmt werden, die Empfangssystemkombinationen 1./2., 1./3., 1./4.
bis 1./n. Empfangssystemen verwenden.
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Bei
einem zweiten Aspekt der Erfindung und einem, der in 10 veranschaulicht
ist, kann in Block 1070, wenn die Antwort in Block 1060 negativ ist,
ein nächstes
i. Empfangssystem ausgewählt
werden. Ein Bestimmen erfolgt dann in Block 1080, ob alle
i. Empfangssysteme ausgewählt
wurden. Ist die Antwort negativ, wird die Phase des i. Empfangssystems
als Referenz in Block 1010 erstellt. Das Verfahren des
Bestimmens des Phasenratenwechsels zwischen dem Referenzphasenwert
und dem ausgewählten
i. Empfangssystem und den Signalen, die in dem j. Empfangssystem
empfan gen werden, wird für ausgewählte i.
und j. Empfangssysteme wiederholt.
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Ist
die Antwort in Block 1080 jedoch positiv, kann die Turbulenzkarte über die
i.-/j. Empfangssystemkombinationen in Block 1090 bestimmt
werden. Beispielhaft kann eine Turbulenzkarte gemäß diesem Aspekt
der Erfindung auf der Grundlage von Phasenmessungsbestimmungen bestimmt
werden, indem die Empfangssystemkombinationen 1./2., 1./3., 1./4., ...,
1./n., 2./3., 2./4., ..., 2./n., 3./4., ..., 3./n. usw. verwendet
werden. Es ist klar, dass ein Bestimmen einer Luftturbulenzkarte
auch aus dem Phasenunterschied ausgewählter Empfangssysteme erzielt
werden kann.
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Obwohl
das veranschaulichte beispielhafte Verarbeiten das Bestimmen der
Phasenwechselrate zwischen zwei gleichen empfangenen Signalen darstellt,
ist es klar, dass die Phasenwechselrate zwischen 3 oder mehreren
gleichen empfangenen Signalen ebenfalls bestimmt und beim Kartieren
der bestimmten Turbulenz angewendet werden könnte.
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11 veranschaulicht
ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verarbeitens 1040 zum
Bestimmen der Phasenwechselrate zwischen einem in einem i. Empfangssystem
empfangenen Signal und einem im j. Empfangssystem empfangenen Signal.
Bei einem Aspekt der Erfindung wird die Momentanphase des Signals,
das an dem i. Empfangssystem empfangen wird, in einem ersten Zeitpunkt
in Block 1042 bestimmt, und die Momentanphase des an dem
j. Empfangssystem empfangenen Signals wird gleichzeitig in Block 1043 bestimmt.
Der Unterschied zwischen den zwei Momentanphasen in dem ersten Zeitpunkt
wird dann in Block 1044 bestimmt. Der in dem ersten Zeitpunkt
bestimmte Unterschied wird dann mit einem Momentanhasenunterschied
verglichen, der für
das gleiche empfangene Signal in einem vorausgehenden Zeitpunkt
in Block 1045 erzielt wurde. Wenn der Unterschied in der
Mo mentanphase von einem ersten Zeitpunkt zu einem vorausgehenden
Zeitpunkt ein bekanntes Limit überschreitet, kann
eine Anzeige von Turbulenz in Block 1046 gespeichert werden.
Es ist klar, dass ein bekannter Grenzwert unabhängig mit jeder Empfangssystemkombination
verbunden werden kann. Bei einem anderen Aspekt der Erfindung kann
die Phasenwechselrate über
eine bekannte Zeitspanne verwendet werden, um ein Maß der Luftturbulenz
zu bestimmen. Bei diesem Aspekt der Erfindung wird eine Messung eines
Phasenwechsels über
eine bekannte Zeitspanne für
das an dem i. Empfangssystem empfangene Signal bestimmt. Zum Beispiel
kann eine Messung des Signalsphasenwechsels ein Durchschnitt, ein gewichteter
Durchschnitt, ein Mittel, ein Medianwert usw. des Phasenwechsels über eine
ausgewählte Zeitspanne
sein. Es ist klar, dass das Bestimmen eines Durchschnitts und gewichteten
Durchschnitts usw. das 360/0-Gradübergehen der Phasenmessungen
berücksichtigen
muss. Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Messung
des Phasenwechsels als eine polynominale Beziehung bestimmt werden,
die ein minimales mittleres Fehlerquadrat der Signalphasendaten
bereitstellt, die während
der ausgewählten
Zeitspanne gesammelt wurden. Eine ähnliche Messung des Phasenwechselswerts über die
ausgewählte
Zeitspanne für
das am j. Empfangssystem empfangene Signal bestimmt. Die Phasenwechselrate
kann dann als der Unterschied zwischen dem Unterschied zwischen
den zwei polynominalen Beziehungen an den zwei Empfangssystemen über die
erste Zeitspanne und dem Unterschied in den zwei polynominalen Beziehungen,
die für
die zwei Signalphasen an dem gleichen Empfangssystem über eine
bekannte vorausgehende Zeitspanne repräsentativ sind, bestimmt werden.
Wenn die Phasenwechselrate von einer Zeitspanne zu einer vorhergehenden
Zeitspanne ein bekanntes Limit überschreitet, wird
eine Anzeige von Turbulenz gespeichert. Verfahren zum Bestimmen
kleinster Anpassungspolynome und Operationen an Polynomen sind gemäß dem Stand
der Technik gut bekannt und brauchen hier nicht offenbart zu werden.
Es ist klar, dass die ausgewählten
Zeitspannen unzusammenhängend
sein können, wobei
die Phasendaten von einer Zeitspanne von einer benachbarten Zeitspanne
unabhängig sind.
Oder die ausgewählte
Zeitspanne kann eine gleitende Zeitspanne sein, wobei die laufenden
Phasendaten ältere
Phasendaten in einem FIFO-Modus ersetzen.
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12 veranschaulicht
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei Sensoranordnungen an vorausbestimmt
festgelegten Positionen verteilt sind, um elektromagnetische Signalenergie
unmittelbar vor dem Luftfahrzeug 110 zu erfassen und zu
verarbeiten. Bei diesem veranschaulichenden Beispiel sind die Sensoranordnungen 350 in
der Luftfahrzeugnase und entlang der vorderen Kante jedes Flügels 1200, 1210 angeordnet.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Sensoranordnung 350 senkrecht
montiert werden, zum Beispiel auf einem senkrechten Stabilisator 1220,
um eine zweidimensionale Messung von Turbulenz unmittelbar vor dem
Luftfahrzeug 110 bereitzustellen.
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Bei
einem Aspekt der Erfindung, wie in 1 gezeigt,
umfasst jedes der Empfangssysteme eine Antenne, die im Wesentlichen
in einer kolinearen Art zu dem direkten Signalpfad eines gewünschten
Signals, das von dem Zielluftfahrzeug übertragen oder reflektiert
wird, positioniert ist. Bei diesem Aspekt ist die Hauptkeule des
Antennenmusters im Raum ausgerichtet oder positioniert, um ein im
Wesentlichen maximales Niveau an Energie von dem gewünschten Signal
zu empfangen. Es ist klar, dass die Empfangssystemantenne auch beweglich
sein kann, um es dem Empfangssystem zu erlauben, ständig eine
im Wesentlichen maximale Signalenergie zu empfangen, während das
Zielluftfahrzeug entlang seinem Weg weiter fliegt.
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Bei
einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Antennenmuster eines
Empfangssystems mechanisch positioniert oder elektronisch verändert werden,
so dass eine räumliche
Null um den direkten Signalpfad des gewünschten Signals, das von dem Zielluftfahrzeug übertragen
oder reflektiert wird, geschaffen wird. 13 veranschaulicht
ein räumliches Antennenmuster 1310,
das elektronisch geändert wird,
um eine zentrale räumliche
Null 1315 zu schaffen, um den Empfang eines Direktstrahls
eines gewünschten
Signals, das von dem Zielluftfahrzeug übertragen oder reflektiert
wird, zu vermeiden. Bei diesem veranschaulichten Aspekt der Erfindung
wird das Antennenmuster 1310 elektronisch geändert, wobei
bekannte Phasenadditions- und Differenzschaltkreise verwendet werden,
um ein Antennenmuster 1310 herzustellen, das einen Ring
von Empfindlichkeit 1320 um eine räumliche Null oder ein Empfangsloch 1315 aufweist.
Genauer genommen beschreibt ein Empfindlichkeitsring eine Interessenszone,
die mögliche
(schwache) Signalpfade von atmosphärischen Brechungen, die interessant
sind, umfasst, die aber direkte, intensive Pfade von der Quelle
(die immer noch als eine Quelle für unser „Referenz"-Signal verwendet wird) ausschließt.
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Das
Schaffen der räumlichen
Null 1315 um den direkten Pfad des gewünschten Signals ist analog
zum Betrachten der Korona der Sonne, dadurch, dass eine Scheibe
in geeigneter Größe und in
dem direkten Pfad des Sonnenlichts angeordnet das extrem helle,
direkt sichtbare Sonnenlicht blockiert und das Betrachten der umgebenden
Sonnen-Korona mit geringerer Leistung erlaubt. Dieses Verfahren
zum Betrachten der Korona ist aufgrund des übermäßig großen optischen dynamischen Bereichs
erforderlich, der sich dem Beobachter mit der viel höheren Leistung
des direkt beobachteten Sonnenlichts präsentiert, indem die Sicht mit
niedrigerer Leistung der Korona ausgewaschen und/oder verdunkelt
wird. Ähnlich
erlaubt es das Bilden der Null 1315 und des Rings 1320 des
Musters 1310 gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung, gebrochene Signale 1325 mit
niedrigerer Leistung zu erfassen und durch das entsprechende Empfangssystem
zu verarbeiten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
erzeugt die achsverschobene Position der Antenne oder das phasengeänderte Muster
eine räumliche Null 1315,
die bemessen ist, um im Wesentlichen den Empfang der Signalenergie
von dem direkten Pfad zu eliminieren, verhüten oder auszuschließen. Statt
ein direktes Pfadsignal zu verarbeiten, können daher gebrochene Signale 1325 mit
niedrigerer Leistung erfasst und von dem entsprechenden Empfangssystem verarbeitet
werden.
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13 veranschaulicht
ferner ein beispielhaftes Betriebssystem eines Systems, das die
räumliche
Null bildende Antennen verwendet. Bei diesem System wird ein Antennensystem
eines Empfangssystems, zum Beispiel 1350 als eine Referenz
ausgewählt
und umfasst ein Antennenmuster 1355, das ausgerichtet ist,
um das gewünschte
Signal 1360 entlang eines direkten Pfads zu empfangen.
Jedes der restlichen Empfangssysteme, wie sie von dem Empfangssystem 1370 dargestellt
sind, hat ein Antennenmuster 1310, das ausgerichtet, positioniert
oder elektronisch geändert
ist, um die räumliche
Null 1315 zu enthalten, um gebrochene Signale 1325 niedrigerer Leistung
für darauf
folgendes Verarbeiten zu empfangen.
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Der
Einsatz eines eine räumliche
Null bildenden Antennenmusters zum Erfassen gebrochener Signale 1325 mit
niedrigerer Leistung ist vorteilhaft, weil es den Empfang von Signalen
mit niedrigerer Leistung erlaubt, die größere Messung von Phasenänderungen
bereitstellen, die durch den Nachlauf oder die Scherwindumgebung
erzeugt werden. Es ist klar, dass jede Antenne des Antennensystems
unabhängig
betrieben werden kann, um eine räumliche Null
um den direkten Pfad aufrechtzuerhalten, während das Zielluftfahrzeug
entlang seines Wegs weiter fliegt. In diesem Fall funktionieren
die Empfangssysteme 1350 und 1370 zusammenwirkend
in dem Winkelnachführen/Fluchten
und dem Verarbeiten der empfangenen Richtungsdaten. Das Mitverfolgen
der Signal quelle kann durch eine spezifische Antennenanordnung erleichtert
oder sonst von einem unabhängigen
Mittel erzielt werden.
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Obwohl
diese zweite Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf ein Bodensystem beschrieben wurde,
ist es klar, dass die Konzepte der zweiten Ausführungsform auch für das mitgeführte System,
das in 12 gezeigt ist, gelten. Ferner
ist klar, dass das Antennenmuster des Empfangssystems mechanisch
von dem direkten Signal beeinflusst werden kann (achsverschoben),
um den Empfang der direkten Signalenergie zu verhüten oder
vermeiden. Der Phasenreferenzpfad starrt daher weiter auf die Signalquelle,
um die Integrität
der abgeleiteten Phasenmessungen zu optimieren. Die räumlichen Öffnungen
benachbarter Signalpfade werden jedoch so verwaltet, dass im Wesentlichen
elektromagnetische Signale direkt von der Quelle räumlich genullt
werden, während
sie räumlich
unbeeinträchtigt
von anderen Signalen oder Brechungen der Quelle durch nicht relevante
Objekte frei bleiben.
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Bei
einer Ausführungsform
würde das
räumliche
Muster des benachbarten Pfads einen „Hof" von Winkeligkeit abbilden, der die
Quelle umgibt, so dass es möglich
ist, elektromagnetische Energie über
Signalpfade zu empfangen, die in der Winkeligkeit ähnlich der
Signalquelle sind, dabei jedoch den hohen Signalamplitudenpfad direkt
von der Quelle zu vermeiden. Diese Ausführungsform, die die räumliche
Null des benachbarten Pfads verwendet, verstärkt das Erfassen des von dem
Nachlauf erzeugten Brechungsvermögens,
wobei der Nachlauf den Ausbreitungspfad von der Quelle zu dem Empfänger um
relativ feine Mengen beugt, die durch vorweggenommene, vom Nachlauf
erzeugte Druck, Temperatur- und Feuchtigkeitshomogenitätsabweichungen
entstehen. Durch Blockieren des direkten Empfangspfads werden die
benachbarten Signalvektoren von den durch Nachlauf erzeugten Effekten
dominiert, wodurch die Empfindlichkeit der Differenz messungen, die
zum Nachlauferfassen führen,
verstärkt
wird. Das Nichtigmachen der Signale des direkten Signalpfads erlaubt es
dem dynamischen Bereich des Empfängers,
auf diese feineren Signalmodulationseffekte zentriert zu werden
und stellt einen höheren
Kontrast oder größere Verstärkung zum
Erfassen dieser Signale bereit. Die Empfangsantennenanordnung stellt
gemeinsam mit dem phasenkohärenten
Signalstrahlbilden den Mechanismus sowohl zum Nichtigmachen von
Direktpfadsignalen als auch zum Lösen der Winkeligkeit der Signale
bereit, die in Winkeln, die dem direkten Pfad nahe sind, ankommen.
Elektronische Verarbeitung kombiniert mit dem Aufzeichnen kontinuierlichen
absoluten Raumwinkels über
die Zeit von Modulationen der Empfangssignale bei relativ knappen Winkeln.
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Es
wird auch in Betracht gezogen, dass der Hof selbst räumlich in
getrennte Zonen gegliedert und unabhängig verarbeitet wird, um Turbulenz
zu lokalisieren oder die Erfassbarkeit eines Nachlaufs zu verstärken.
