Über den Einfluß der Phasenlage der Rahmenspannungen beim Peilverfahren nach Watson-Watt


Das Peilverfahren nach Watson-Watt (WWT) wird in den meisten Kategorisierungen (unter anderem auch hier) der Literatur als Beispiel für einen Amplitudenpeiler aufgeführt. Hierbei wird oftmals unterschlagen, dass zur die Auflösung der Quadrantensprünge und Mehrdeutigkeit des Peilergebnisses eine Phasenbeziehung zwischen Rahmenantenne und Rundstrahler bedingt. Diese soll hier erläutert werden. Ohne Frage ist die Art der Peilwertermittlung beim Verfahren nach WWT der Kategorie der Amplitudenpeiler zuzuordnen, denn der Peilwert wird aus der Beziehung zweier Feldvektoren (hier E-Feld in Form der Spannungsamplitude) gewonnen.

Formel9

Bei Betrachtung obiger Formel drängt sich folgende Frage auf:

Wie kann man mit dem Arkustangens einen, für die Azimutanzeige nötigen, Wertebereich von 0-359° realisieren?

Verschiebt man eine oder beide Phasen der Rahmenspannungen (z.B. durch Gleichlauffehler) um 180° (bezogen auf die Phasenlage der Hilfselementspannung) kommt es zu Phasensprüngen beim ermittelten Peilwert von 90° bzw. 180°. Diese Phasensprünge sind von der Verschiebung der Phase der Rahmenspannung zueinander und vom Einfallswinkel der Welle abhängig (Quadranten). Für den ersten Quadranten gilt:

Vorzeichenlage von Sinus- und Kosinusrahmenspannung beim Kreuzrahmenpeiler. Das Vorzeichen der Spannungen ist vom Quadranten ,in dem das Azimut der einfallenden Welle liegt, abhänig.
Vorzeichenlage von Sinus- und Kosinusrahmenspannung beim Kreuzrahmenpeiler. Das Vorzeichen der Spannungen ist vom Quadranten in den die Welle einfällt abhängig und fließt in der Phase der Rahmenspannung ein.

Wird die sinusförmige Rahmenspannung (OW-Rahmen) um 180° zur kosinusförmigen Rahmenspannung (NS-Rahmen) im Bezug auf die Hilfsantennen-Phasenlage verschoben so bewegt sich der Wertebereich der Peilfunktion:

Formel9

von π/2 bis π. Somit tritt gegenüber dem eigentlichen Wertebereich des Arkustangens (-π/2 bis π/2) eine Verschiebung von 90° (was den Peilwert in den 2. Quadranten verschiebt und somit einen Peilfehler von 90° verursacht) auf. Das Ergebnis einer Drehstandsvermessung des Peilers ergibt folgendes Bild:

Verlauf des Peilwinkels bei einer Drehstandsmessung bei 180° Phasenverschiebung der Sinusrahmenspannung zur Hilfsantennenspannung.
Verlauf des Peilwinkels bei einer Drehstandsmessung bei 180° Phasenverschiebung der Sinusrahmenspannung zur Hilfsantennenspannung.

Führt man eine Phasenverschiebung der Kosinusrahmenspannung um 180° zur Sinusrahmenspannung, im Bezug auf die Hilfsantennen-Phasenlage, aus kommt es zu Peilfehlern von 270° (einem Sprung vom ersten in den vierten Quadranten). Hieraus ergibt sich folgendes Bild bei einer Drehstandsvermessung:

Verlauf des Peilwinkels bei einer Drehstandsmessung bei 180° Phasenverschiebung der Kosinusrahmenspannung zur Hilfsantennenspannung.
Verlauf des Peilwinkels bei einer Drehstandsmessung bei 180° Phasenverschiebung der Kosinusrahmenspannung zur Hilfsantennenspannung.

Aus vorangegangenen Beispielen wird ersichtlich, dass es einen Zusammenhang der Phasenlage der Rahmenspannungen bezogen auf die Phase der Hilfsantennenspannung gibt der einen offensichtlichen Einfluß auf das Peilergebnis hat. In der Praxis kann der Quadrantensprung-Fehler durch eine Peilwertkorrektur in der Nachverarbeitungsstufe aufgelöst werden (hierzu wird der Peilwinkel durch eine Korrekturtabelle  quadrantenabhängig zurückgeschoben).

Die Notwendigkeit der Einbeziehung der Phasenlage der Rahmenspannungen wird besonders anschaulich, wenn man eine Antennennachbildung für das Peilvefahren nach Watson-Watt konstruiert.

Aus der Überlegung das zwei orthogonale Rahmen (ein Kreuzrahmen) an ihren Fußpunkten die Spannungen:

Formel16

liefern (bei Baugleichheit der Rahmen und hinreichend kleiner Apertur) folgt die Realisierung der Nachbildung durch zwei getrennte Kanäle die, je nach eingestellten horizontalen Einfallswinkel α zwei Spannungen (Sinus- und Kosinusrahmen) ausgeben. Die Beträge der Spannungen werden in einen Leistungspegel umgerechnet und mithilfe von zuschaltbaren Dämpfungsgliedern in den zwei Kanälen der Antennennachbildung realisiert. Der dritte Kanal, die Hilfsantenne, ist eine richtungsunabhängige Spannung und wird folglich immer den vollen Leistungspegel des eingespeisten Signals anzeigen.

Einfachste Realisierung einer einstellbaren Antennennachbildung für das Peilverfahren nach Watson-Watt (dreizügig).
Einfachste Realisierung einer einstellbaren Antennennachbildung für das Peilverfahren nach Watson-Watt (dreizügig).

Nimmt man diese Nachbildung auf einem Drehstand in Betrieb ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen eingestellten Azimut und gemessenem Peilwinkel:

Zusammenhang des eingestellten Azimuts und des gemessenen Peilwinkels einer einfachen Antennennachbildung für das Peilverfahren nach Watson-Watt.
Zusammenhang des eingestellten Azimuts und des gemessenen Peilwinkels einer einfachen Antennennachbildung für das Peilverfahren nach Watson-Watt.

Wie man zweifelsohne erkennt, ist die Nachbildung nicht in der Lage Peilwinkel außerhalb des ersten Quadrantens zu erzeugen. Dies ist, unter Berücksichtigung des Wertebereichs des Arkustangens, ein erklärbares Verhalten.

Um eine korrekte Auswertung des Peilwertes über 360° zu ermöglichen muss (siehe Abbildung ganz oben) eine quadrantenspezifische Berücksichtigung des Vorzeichens von Sinus- und Kosinusrahmen erfolgen. Dies wird durch eine Phasenverschiebung, abhängig vom Vorzeichen des Sinus bzw. Kosinus, für jeden Quadranten realisiert. Einfachste Möglichkeit der Umsetzung dieses Sachverhaltes in einer Antennennachbildung stellt die Einführung von zuschaltbaren, breitbandigen, 180° Phasenschiebern in den beiden richtungsabhängigen Zügen, die vom Vorzeichen des Sinus bzw. Kosinus bei vorgegebener Einfallsrichtung gesteuert werden.

Quadrantenrichtige Realisierung einer einstellbaren Antennennachbildung für das Peilverfahren nach Watson-Watt (dreizügig).
Quadrantenrichtige Realisierung einer einstellbaren Antennennachbildung für das Peilverfahren nach Watson-Watt (dreizügig).

Durch eine Referenzierung der Rahmenphase auf die Hilfsantennenphase berechnet der Peiler nach dem WWT-Prinzip die Phasenverschiebung der Rahmenspannung relativ zur Hilfsantennenspannung und korregiert den Wertebereich des Arkustangens entsprechend des Quadranten in dem die Welle einfällt.

In der Praxis wird die Aufgabe der Quadrantenkorrektur durch die Hilfsantenne übernommen. Diese trägt, durch ihre richtungsunabhängige Charakteristik, zwar keine Richtungsinformation aber eine Phaseninformation die durch Referenzierung zu den Rahmenantennen im Peilergebnis berücksichtigt wird (sogenannte Omniphasenkorrektur).

Aus den vorangegangenen Ausführungen wird ersichtlich:

Der Peiler nach dem Prinzip von Watson-Watt ist kein reiner Amplitudenpeiler, denn ohne Phasenbezug zum Hilfsantennenelement ist keine quadrantenrichtige Peilwertermittlung möglich.

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