door A. van W eel *)
Voordracht gehouden voor het Nederlands Radiogenootschap op 19 Dec. 1952.
S U M M A R Y
A survey is given of the principles and properties of the following radio aids to navigation: non directional beacons and radio c o m p ass; radio r a n g e ; instrum ent landing system ( I .L .S .) ; directional beacons (Consol, V . O . R . ) ; polar systems ( V . O . R . - D . M . E . ) ; hyperbolic systems (L o ran ,
Decca).
S a m envatting:
Een overzicht w o r d t gegeven van de principes en eigenschap pen van de volgende navigatiesystem en: ongerichte bakens en radiokom pas; radio range; instrum ent landing system (I.L .S.); gerichte bakens (Consol, V . O . R . ) ; polair navigatiesysteem ( V . O . R . - D . M . E . ) ; hyperbolische navigatiesystem en (Loran,
Decca).
Inleiding.
O p het gebied van radionavigatiem iddelen b e s ta a t een, bij de eerste indruk, v e rw a rre n d e hoeveelheid van systemen. H ie r dragen drie oorzaken toe bij. In de eerste p laats zijn de eisen van de gebruiker zeer verschillend, al n a a r m ate het een schip of een vliegtuig b e tre ft; of een informatie om trent positie nodig is „en route", d.w.z. niet dicht bij zee- ol luchthavens ol juist in het „naderingsgebied"; ol de informatie alleen aan boord van het (lucht)-vaartuig gew enst is, ol ook op een a n d e r punt (bijv. de centrale verkeersleiding bij de luchtvaart), etc. B oven dien veranderen deze eisen in de loop der ti j d ; vooral bij de lu ch tv a art is dit laatste het geval.
In de tw eede plaats is het bepalen van een positie op een
*) V e rb o n d e n aan het N a tu u r k u n d i g L a b o ra to riu m der N . V . Philips G lo e d a m p e n fa b rie k e n , Eindhoven - N ed erlan d .
130 A. van W eel a a n ta l principieel verschillende manieren mogelijk, alle met eigen vóór- en nadelen, terwijl de practische uitvoeringsmoge lijkheid in v e rb an d met de ontwikkeling van de techniek niet voor alle system en tegelijk is gekomen.
Ten derde heelt h et feit, d a t b ep aald e landen duidelijke voor k eu r hebben voor zelf ontw ikkelde system en ten gevolge ge had, d a t niet altijd uitsluitend technische mérites de toepassing b e p a a ld hebben. V o e g t men hier dan nog aan toe, d a t de e e r der genoemde voor- en nadelen dikwijls niet in eenzelfde vlak liggen, zodat onderlinge vergelijking moeilijk w o rd t, dan heeft men een indruk van de factoren welke de gang van zaken in de ze ta k van de radiotechniek beïnvloeden.
E en algemene probleemstelling is in v e rb a n d met h et onder punt één genoemde niet te geven; door echter de behandeling van de verschillende system en enigszins te rangschikken n a a r de toepassingen kan het v erb an d tussen probleem en oplossing toch onderkend w orden. Eén algemene opmerking is te maken. Bij alle positiebepalingen is de snelheid van positieverandering betrekkelijk gering, zodat de betreffende informatie slechts lang zaam varieert. H ieru it volgt d a t in principe met smalle fre- quentiebanden aan de gestelde eisen voldaan moet kunnen w orden. D a t er toch impulssystemen b e sta an met vrij grote b a n d b ree d te h angt samen met de w ens verschillende gelijksoor tige signalen van e lk a a r te kunnen onderscheiden, w a t in l a a t ste instantie geduid zou kunnen w o rd e n als een tijd-multiplex- systeem voor vele kanalen, w a a rin de p er k a n a a l beschikbare ban d dan w e e r b e p e rk t is.
W3j zullen de verschillende systemen hier indelen n a a r de volledigheid van de geleverde informatie o m trent de positie van de w aarnem er. D it leidt to t de volgende rangschikking:
le Ongerichte bakenzenders, w a a r o p een richtingspeiling mo gelijk is met behulp van een radiokompas.
2e Koerslijnsysternen, welke aangeven of de w a a rn e m e r zich op een bepaalde koerslijn bevindt, dan w el of hij d a a r links of rechts van is.
3e Instrum ent landingsystem (I.L.S.), d a t niet alleen een horizon tale koerslijn aangeeft, doch tegelijk een koerslijn in de ruimte v astlegt; een en a n d e r met grote nauwkeurigheid. 4e K ru is peiling systemen op ongerichte bakens.
5e Gerichte bakens.
6e Plaatsbepaling op polair coördinatensysteem.
Radionavigatiemiddelen 131 I Ongerichte bakenzenders en radiokompas.
O ngerichte bakenzenders verrichten in de radionavigatie een zeilde ta a k als vuurtorens bij visuele navigatie. E en ongericht baken zendt n a a r alle richtingen een zelfde signaal. Ten b e hoeve van zee- en lu c h tv a art zijn een groot a a n ta l dergelijke zenders in de middengolf b an d w erkzaam . D o o r interm itterend bepaalde letters in morse uit te zenden kunnen zij geïdentificeerd w orden.
D e b ep erk te beschikbare frequentieband enerzijds en de wens om een zo groot mogelijk a a n ta l bakenzenders te plaatsen a n derzijds heeft geleid to t een nauw keurige indeling van zend frequenties en zend vermogens ; d a a r n a a s t b e s ta a t de mogelijk heid om binnen eenzelfde gebied verschillende bakens op gelijke frequenties te laten werken, w aarbij ieder bak en om beurten uitzendt, tijd-multiplex dus.
D e richting van schip oF vliegtuig n a a r het bak en w o r d t b e p a a ld met een radiokom pas. D e w erking b e ru st op h et gebruik van een raam an ten n e met acht-vormig richtingsdiagram. D o o r het raam zo te draaien, d a t de zender ontvangen w o r d t met minimale sterkte, kan men de richting van de zender bepalen; deze valt dan n.1. samen met de loodlijn op het vlak van het raam . D e tweeduidigheid van het richtingsdiagram van een raam an ten n e w o rd t opgeheven door het ra am vervolgens te combineren met een staafantenne, welke combinatie een car- dioïdediagram heeft.
H e t radiokom pas w e r k t op midden- en lange golven. In de eenvoudige uitvoeringen w o r d t het ra a m met de hand in de juiste positie gedraaid. Bij het automatisch radiokompas w o r d t de richting n a a r de zender op een schaal door een wijzer geïndiceerd, zonder d a t enige handbediening nodig is, afge zien u ite ra a rd van de afstemming op de gew enste zenderfre-
quentie.
De w erking van een autom atisch radiokom pas b e ru s t op een combinatie van raam - en staafantenne. D o o r de spanning, a f komstig van één van deze antennesysternen, periodiek 180° in Fase te laten omklappen, w o r d t het cardioïdevormige richtings diagram periodiek 180° gedraaid. Een niet symmetrisch t.o.v. deze om klappende cardioïde binnenkomend signaal w o r d t door het om klappen in het rhythm e van de om klapfrequentie in a m plitudo gemoduleerd. Een regelsysteem d r a a it het raam nu zo danig, d a t de am plitudomodulatie minimaal is. De d raaiïng van
132 A. van W eel
Zençier
9
h et raam w o r d t op een of andere wijze overgebracht n a a r de wijzer op de schaal.
H e t radiokom pas geeft de richting n a a r het baken t.o.v. het vliegtuig, immers in het vliegtuig w o r d t de stand van het raam afgelezen. D it m a a k t h et aanvliegen op een zender („homing”) moeilijk bij zijwind, w a n t als de neus van het toestel op de zender gericht w o r d t en blijft, beschrijft het toestel geen rechte
lijn (fig. 1).
O m dit te voorkomen p a s t men wel een dubbel
radiokompas toe, w a a r v a n
beide indicaties op één schaal aangegeven w orden. D oor nu het éne radiokom pas af te stemmen op het aanvliegbaken en het andere op een baken w a a r men v a n d a an komt, zullen beide wijzers in eikaars verlengde liggen zolang het toestel op de verbindingslijn van beide bakens is.
Fig. 1.
W e r k e l ijk gevlogen koers bij „hom ing’ met zijwind.
11 Koer slijnsy sternen.
D e radio range is een systeem, w aarbij door vaste zenders b e p a a l de koerslijnen vastgelegd worden. In principe gebruikt men in elk
d e r zenders een ra am an ten n e met een 8-vor- mig stralingsdiagram (fig. 2), d a t men perio diek 90° in richting la a t veranderen (getrok ken en gestippelde krommen). Indien in beide standen evenveel vermogen w o r d t uitge- zonden zal een w a a rn e m e r op de in fig. 2 aangegeven rechten in beide standen even grote signaalsterkte c o n s ta te r e n ; in punten buiten deze rechte lijnen zal in de éne stan d meer signaal ontvangen w orden, dan in de andere. Indien men kan onderschei den welke van beide standen van de zen d er tot de grootste signaalsterkte aanlei ding geeft, w e e t men of men links of rechts van de koerslijn is (afgezien van een viervoudige meerduidigheid).
O m de onderscheiding van de beide zenderstanden gem akke lijk te maken, w o rd t het omschakelen van het éne antenne-
systeem n a a r h et andere in het rhythm e van de morse letters
Fig. 2.
R ichtingsdiagram van tw ee gekruiste raam -
A ( . —■ ) en N ( ■— . ) uitgevoerd. In fig. 3 is te zien hoe beide zenders afwisselend signaal geven, w aarbij de éne zender de A en de a n d e r de N uitzendt.
In het gebied w a a r een w a a r nem er beide zenders even ste rk ontvangt, vullen de signalen e lk a ar volledig aan, zodat geen morse-sein te onderscheiden is. In het gebied w a a r de A-zender s te rk e r is dan de N -zender is het re s u lta a t een met het A -teken in amplitudo ge moduleerd signaal (fig. 4), terwijl aan de andere k a n t van de koers- lijn een met het N -te k en overeen komende modulatie geconstateerd w o rd t. H ieru it kan de navigator opm aken of hij zich op de koers- lijn bevindt, dan wel of hij d a a r links of rechts van is.
In p laats van raam an ten n es p a s t men algemeen Adcock-an
tenne s toe, om de invloed van het nachteffect te ontgaan. D e
radioranges w erken op middengolven w aarbij s nachts de met gedraaid polarisatievlak door de H eaviside-laag gereflec teerde straling de richtingsdiagrammen van raam an ten n es v e r stoort.
H eeft men n.1. een verticale zend-raam antenne, dan is op de horizontale lijn loodrecht op het vlak van het ra am de ve ld- sterk te nul. In schuin n a a r boven gaande richtingen in het mid- denloodvlak op het ra am is de v eldsterkte niet nul; de stroom- voerende horizontale boven- en onderzijde van h et ra am geven in deze richtingen wél een resulterende veldsterkte. D e po- larisatierichting van deze straling is horizontaal.
Bij normale reflectie blijft deze horizontale polarisatierichting gehandhaafd en zal een verticale staafantenne dus geen signaal ontvangen, zodat de nulrichting van het stralingsveld behouden blijft. D r a a i t d aarentegen de polarisatierichting, dan zal een verticale staafantenne in de oorspronkelijke nulrichting wel sig naal ontvangen.
Een Adcock-antenne kan men zich voorstellen als te zijn een ra a m zonder horizontale zijden; de A dcock-antenne b e s ta a t n.1. uit tw ee verticale staafantennes te r plaatse van de verticale zijden bij een raam antenne, w elke staafan ten n es over
afge-Radionavigatiemiddelen 133
Fig. 3.
Seintekens A ( . ■—*) en N ( —■ . ) in de afzonderlijke raa m a n te n n e s
van een koerslijnsysteem.
„ A -se cto r” van een koerslijn- systeem.
134 A. van W eel schermde kabels zodanig gevoed w orden, d a t de stroomrichting in beide antennes dezelfde is als in de verticale zijden van een raam an ten n e h et geval zou zijn. H e t richtingsdiagram in het horizontale vlak om een A dcock-antenne is dan gelijkvormig met d a t van een raam antenne. Tengevolge van de afwezigheid van horizontaal verlopende stralende elementen k an nu geen horizontaal gepolariseerde straling in andere richtingen o p tr e den, w a a r d o o r h et storende nachteffect o n d e rd ru k t w ordt.
V o o r de p laatsbepaling langs de koerslijn van een radio range dienen de m erkbakens (m ark er beacons), betrekkelijk zw akke, op V H F w erk en d e zendertjes met verticaal gericht stralings- diagram. Als een vliegtuig de stralenbundel van zo'n merk- bak en passeert, w o r d t dit in de cockpit geïndiceerd door het oplichten van een lampje. H ie r h eelt dus interm itterende p la a ts bepaling plaats.
Radio ranges w e rd e n voor de oorlog op grote schaal in A m e rika ingevoerd voor h et aangeven van luchtwegen (airw ays).
Binnen afzienbare tijd d enkt men deze d a a r te vervangen door het nog te bespreken V O R — D M E navigatiestelsel. N a de oorlog w e rd en boven Engeland luchtwegen door radio ranges afgebakend.
I I I Instrum ent L anding System .
H e t In stru m en t Landing S ystem (I.L.S.) is een koerslijn- systeem voor het geleiden van vliegtuigen n a a r het begin van de landingsbaan bij slecht zicht. W a t w erkingssfeer betreft, hoeft het I.L.S. niet meer dan enkele tientallen kilometers ver te reiken. D a a rte g e n o v e r s t a a t d a t thans een koerslijn niet alleen in h et horizontale vlak moet w o rd en aangegeven, m a a r tegelijk ook in h et verticale vlak. Bovendien moet de n a u w keurigheid zeer groot zijn.
D e werkingswijze kom t in principe overeen m et die van de radio ranges. D e koerslijn w o r d t w e e r b e p a ald door h et snij p u n t van tw ee richtingsdiagrammen, zodat op deze lijn signalen afkom stig van beide zendsystem en even sterk zijn. D e indicatie om trent w elk systeem bij ongelijke veldsterkteverhouding het sterk ste is, w o r d t thans echter op a n d ere wijze gegeven. Beide richtingsdiagrammen w o rd en nu n.1. niet afw isselend uitgezonden, m a a r continu. O n d ersch eid w o r d t mogelijk g em aak t door ieder signaal een afzonderlijke modulatie te geven, n.1. 90 en 150 Hz.
Radionavigatiemiddelen 135 D e w a a rn e m e r g a a t nu na welke van deze m odulatielrequenties het sterk ste is. D it w o r d t geheel autom atisch gedaan en a a n gegeven door een wijzer op een schaal, welke, al n a arm a te het toestel zich rechts of links van de koerslijn bevindt, n a a r links of rechts uitslaat, terwijl de m iddenstand aangeeft d a t het to e stel op de koerslijn is.
Z oals gezegd, moet bij het I.L.S. een koerslijn in de ruimte aangegeven w orden, n.1. beginnend op zekere hoogte en onder een hoek van 2 a 3° dalend n a a r het begin van de landings baan. D o o r een systeem als boven beschreven, d a t de afwijking van een horizontale koerslijn aangeeft, w o r d t in feite een v e r ticaal koersvlak gedefinieerd. D o o r nu een tw eede systeem te m aken d a t een onder een hoek van 2 k 3° hellend koersvlak bepaalt, welk vlak het horizontale vlak snijdt in een lijn lood recht op de landingsbaan, b e p a a lt men een koerslijn in de ruimte,
n.1. de snijlijn van beide koersvlakken.
D e indicatie w o r d t door tw ee gekruiste wijzers op één schaal aangegeven, w aarbij, indien het toestel zich op de koerslijn b e vindt, beide wijzers in de m iddenstand s ta a n en e lk a ar lood recht kruisen, terwijl afwijkingen n a a r links of rechts en n a a r boven of beneden door uitslagen van de wijzers w o rd en a a n
gegeven.
D e p laats langs de koerslijn w o r d t ook hier w e e r interm it teren d aangegeven door drie m a rk e r beacons, welke zich op 75 m, 1050 m, en ca 7 km van de grens van h et vliegveld b e vinden. D e zendfrequentie is 75 M H z en passeren van een m erkbaken geelt aanleiding to t het oplichten van een lampje in de cabine.
I V K ruispeiling.
M e t behulp van een radiokom pas kan men een volledige positiebepaling verrichten door de richting van verschillende bakenzenders te bepalen. Is er aan boord van het vaartu ig een magnetisch kompas, dan zijn tw ee peilingen voldoende, anders moeten drie richtingsbepalingen uitgevoerd w orden.
O m g ek eerd kan v an af verschillende p laatsen op de grond een vliegtuig gepeild w orden, w a a rd o o r de p la a ts ervan b e p a ald kan w orden. D it zal in de toekom st steeds meer op V .H .F . gebeuren, w a a rto e autom atische p e ila p p a ra tu u r is ontwikkeld. Indicatie op een k a th o d e straa lb u is m a a k t het mogelijk op k o r t durende signalen een richtingsbepaling uit te voeren.
136 A. van W eel V Gerichte B akens.
Een ongericht baken schept de mogelijkheid de richting van het vliegtuig n a a r het bak en ten opzichte van het vliegtuig te b e palen. Bij de beschrijving van de aan „homing” verbonden moei lijkheden gaven wij reeds aan, d a t de w a a rd e van deze infor matie slechts b e p e rk t is.
E en gericht baken d aaren teg en m a a k t het mogelijk voor de w a a rn e m e r in het vliegtuig om de richting van h et baken n a a r het vliegtuig ten opzichte van het Noorden te bepalen, m.a.w. een azimuth te meten. D it levert een gegeven meer voor de navi gatie. H e t m a a k t het b.v. mogelijk om in rechte lijn op het baken aa n te vliegen („track in g ”). D o o r tw ee w aarnem ingen t.o.v. gerichte bakens is v e rd er een volledige kruispeiling uit te voeren.
Wfij bespreken hier tw ee gerichte bakensystem en, n.1. de
Consol en de V.O .R. ( V e r y high frequency (9mnidirectional
/^ange).
V a Consol.
H e t in D uitsland tijdens de oorlog ontw ikkelde en toegepaste navigatiesysteem „Sonne” w e rd na de oorlog door de geallieer den onder de naam „C onsol” overgenomen en in w erking gesteld.
Een Consolzender heeft een antennesysteem van drie op een rij staan d e verticale stralers op enkele golflengten onderlinge afstand, w a a rm e d e een richtingsdiagram met een a a n ta l lussen, ieder 30° breed, verkregen w o r d t (getrokken lijn in fig. 5). D o o r de stroom in de beide buitenste antennes te doen omdraaien, k la p t het gehele richtingsdiagram om (gestippelde krommen in fig. 5). H e t om klappen la a t men nu in p u n t-streep rh y th m e plaats vinden.
In eerste instantie is de w erking dezelfde als die van radio- r a n g e s : men h oort een continu signaal, een punt-punt signaal of een streep -streep signaal, al n a a rm a te men zich op de radius door het snijpunt van tw ee lussen bevindt, dan wel d a t men aa n de een of andere zijde van zo n neutrale lijn is. O p zich zelf legt dit dus alleen nog m a a r een a a n ta l „koerslijnen” vast,
m a a r als tw eed e m aatregel la a t men h et gehele diagram nu b e trekkelijk langzaam (in ca. één minuut) draaien, en wel zo ver t o t d a t iedere lus juist op de p la a ts van zijn buurm an aan het begin van de draaiïng is gekomen. D a a r n a springt h et diagram
Radionavigatiemiddelen 137 snel terug om opnieuw de langzame draaiïng te beginnen. Deze draaiing w o r d t to t stan d g eb rach t door op geschikte wijze de fasen van de buitenste antennestrom en geleidelijk te veranderen.
G edurende één zo'n periode is over ieder p unt in het horizontale vlak één k eer een neutrale lijn gepasseerd. D e tijd
Fig. 5.
R ichtingsdiagram van een C onsolzender tijdens vier verschillende ogen blikken van één periode. G e tro k k e n lijn en stippellijn geven de vorm van
138 A. van W eel welke tussen het begin van de draaiïng en het passeren van de neutrale lijn over de w a a rn e m e r (punt Q in fïg. 5) verloopt, is een m a a t voor de hoek a tussen de neutrale lijn O P aan het begin van de draaiïng en de richting OQ,.
V a n iedere C onsolzender zijn nu de beginrichtingen van de neutrale lijnen bekend, zo d at de n avigator alleen de tijd to t het passeren van de neutrale lijnen (d.w.z. het verdwijnen van de modulatie) behoel t te meten om de richting n a a r de zender t.o.v. de kompasrichtingen te bepalen. H ierin schuilt een meerduidig heid ten gevolge van h et a a n ta l lussen, doch d a a r men meestal wel ongeveer w e e t w a a r men is, is dit geen bezw aar.
D e tijdw aarnem ing w o r d t door het m odulatiesysteem nog v e rg e m a k k e lijk t: in iedere periode w o rd e n 60 punten en s tr e pen uitgezonden. D e w a a rn e m e r b eh o elt alleen m a a r het a a n ta l punten (ol strepen) te tellen, d a t hij h o o rt v a n a f het begin van de draaiïng (aangegeven door een b ep a ald signaal) to t de p u n ten verdwijnen. E n om dat bovendien de w aarnem ing met een gewone ontvanger kan gebeuren, heeft de gebruiker van het
Consolsysteem dus geen enkele speciale a p p a r a tu u r nodig.
In W T s t E u ro p a zijn Consolzenders in w erking in Bushmills (N o o rd Ierland), S tavanger, Ploneïs (Frankrijk), Lugo en Sevilla (Spanje). In N e d e rla n d is het signaal van Bushmills en S tav a n g e r met een gewone om roepontvanger w a a r te nemen op de fre quenties 266 en 319 k H z. D e „d raaip erio d en ” voor deze beide zenders zijn respectievelijk 40 en 120 sec.
V b . V. O. R-baken.
D e V e r y high frequency (9mnidirectional radio ^ a n g e ( V .O .R ) is een systeem d a t op veel hogere frequenties (115 M H z band) w e r k t en dientengevolge alleen voor de lu c h tv a a rt een redelijk w erkingsgebied kan hebben. H e t principe is als volgt.
E en antennesysteem heeft een 8-vormig richtingsdiagram. D it richtingsdiagram la a t men 30 k eer p e r seconde om een verticale as draaien. Tegelijkertijd w o r d t van een ro n d stralen d e antenne een continu signaal op dezelfde frequentie uitgezonden. Een w a a rn e m e r in een punt A (hg. 6) neem t de resu ltan te van de veldsterkte, opg ew ek t door beide zenders, w a a r. D o o r de draaiïng van het 8-vormige diagram is deze resulterende veldsterkte in
amplitudo gemoduleerd met een frequentie van 30 Hz.
D e fase van deze 30 H z w o r d t b e p a ald door het azimuth van de w a a rn e m e r. O m deze fase te kunnen vaststellen moet men een vergelijkingsfrequentie van 30 H z m et een zelfde fase
Radionavigatiemiddelen 139
N
een V . O .R .- b a k e n z e n d e r . H e t 8 -vormige diagram d ra a it 30 keer per seconde
om een verticale as.
voor alle azimuthrichtingen b esch ik b aar hebben. D it w o r d t gerealiseerd door het signaal van de ro n d stra a la n te n n e in a m plitudo te moduleren met een subdraag- golf van ca. 10 k H z, welke met de ver- gelijkingsfrequentie van 30 H z in fre quentie gemoduleerd is.
In de ontvanger w orden beide 30 Hz- signalen gescheiden gedetecteerd en aan een fasem eter toegevoerd, de aanwijzing van de ze fasem eter indiceert dan re c h t streeks het gew enste azimuth.
V I Plaatsbepaling op polair
coördinatensysteem.
H e t V .O .R .- b a k e n geeft de w a a rn e m e r zijn azimuth t.o.v. het b ak en ; indien men tegelijk de a fsta n d to t h et b ak en meet, is d aarm ede de plaats van de w a a rn e m e r bepaald. D it is het reeds in A m erika en A ustralië voor luchtvaartnavigatie to e gepaste z.g. ,,q-& sy ste e m ” .