DE2358585C3

DE2358585C3 - Funkpeiler und nach dem Reziprozitätsgesetz arbeitendes Funkfeuer

Info

Publication number: DE2358585C3
Application number: DE2358585A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Boehm
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1973-11-24
Filing date: 1973-11-24
Publication date: 1979-11-15
Also published as: IT1025844B; US3973262A; DE2358585A1; FR2252578B1; CH578739A5; FR2252578A1; DE2358585B2; GB1455929A

Description

ml² + ml² -2ml ml cos (,% 1 - /i) = m3² + «j4² - 2 m3 /n4 cos (\ 2 - /i).

ß =

m =

φ =

gemessener Phasenwinkel zwischen den von den Einzelantennen eines Antennenpaares empfangenen Signale,
Phasenwinkel der Nutzwelle,
gemessene Amplitt'den der empfangenen Signale bestimmt wird, woraus mit Hilfe der Gleichung

der Peilwinkel (ψ) ermittelt wird.

2. Funkpeiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelantennen (E) auf einer Zeile angeordnet sind und daß als Gruppen zwei auf der Zeile liegende Paare verwendet werden, deren Lage zueinander beliebig sein kann.

3. Funkpeiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelantennen f/fjauf einem Kreis angeordnet sind und daß als Gruppen zwei Paare verwendet werden, deren Einzelantennen sich auf dem Kreis gegenüberliegen.

4. Funkpeiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antenne den beiden Paaren einer Gruppe gemeinsam ist.

5. Funkpeiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreiergruppen der Einzelantennen (E) aus zwei auf einem Kreis diametral gegenüberliegenden Einzelantennen (E) und einer Mittelantenne (ME) bestehen.

6. Funkpeiler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen an allen Einzelantennen gleichzeitig erfolgen.

7. Funkpeiler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Messung des Peilwinkels (φ) mit mehreren Gruppen der Peilwinkel als Mittelwert der Einzelergebnisse der Gruppen gebildet ist.

8. Funkpeiler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelantenne (ME) zur Aussendung von periodischen Eichsignalen für die an die Außenantennen angeschlossenen Empfänger

jo dient.

9. Funkfeuer, gekennzeichnet durch die sinngemäße Anwendung des Reziprozitätssatzes auf die Merkmale von einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, wobei von den Einzelantennen (E) des Funkfeuers

r> nacheinander Impulse abgestrahlt und bordseitig die Messungen vorgenommen werden.

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Funkpeiler, bei dein zur Ermittlung des Einfallswinkels einer durch Mehrfachempfang gestörten elektromagnetischen Welle die an den Antennen auftretenden Phasen und Amplituden ausgewertet werden.

In der DE-OS 20 07 048 ist erwähnt, daß es Peiler gibt, bei denen zur Bestimmung des Einfallswinkels Phasen und Amplituden der empfangenen Signale ausgewertet werden.

Bei Mehrwegausbreitung können bei diesen Peilern Störungen auftreten. Peiler, die gegen derartige Störungen relativ unempfindlich sind, sind aus dem Aufsatz von F. Steiner, »Großbasispeiler nach dem Dopplerprinzip«, Nachrichtentechnische Fachbenchte 12 (1958) beschrieben. Großbasispeiler, bei denen zur Bestimmung des Einfallswinkels die Phasen der empfangenen Signale ausgewertet werden, haben den Nachteil, daß sie eine große räumliche Ausdehnung haben. Es sind Antennenkreise bzw. Antennenzeilen mit einem Durchmesser bzw. einer Länge von 5 λ (λ ist die Wellenlänge des empfangenen Signals) und mehr bekannt. Je kleiner jedoch die Basis gewählt wird, um so mehr wirken sich Störungen durch Mehrwegausbreitung, die einen Mehrfachempfang zur Folge haben, auf das Meßergebnis aus.

Aufgabe

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Peiler anzugeben, -) bei dem eine Phasen- und Amplitudenauswertung erfolgt und der gegen durch Mehrfachempfang verursachte Störungen weitgehendst unempfindlich ist.

Lösung

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Vortelhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Vorteile

Mit der Erfindung wird der Aufbau räumlich kleiner Anlennensysteme für Peiler, die gegen durch Mehrwegausbreitung verursachte Störungen weitgehendst unw) empfindlich sind, ermöglicht. Für mobile Anlagen können die Antennensysteme so klein gemacht werden, daß sie sich auf Kraftfahrzeugen fest montieren oder mit Kraftfahrzeugen transportieren lassen.

Mit der Erfindung kann bei Großbasisanlagen eine bi noch größere Unempfindlichkeit gegen Störungen durch Mehrwegausbreitungen erreicht werden.

Die erfindungsgemäUe Lösung ist auch bei Funkfeuern anwendbar.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nun an Hand der Figuren beispielsweise näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 drei linear angeordnete Antennen einer Antennenanordnung, bei denen eine Nutzwelle und eine Störwelle eintrifft,

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der an den Antennen nach F i g. 1 meßbaren HF-Spannungen und deren Nutz-und Störkomponenten, F i g. 3 ein Zeigerdiagramm zu F i g. 2,

F i g. 4 ein normiertes Zeigerdiagramm, bei dem die Zeiger nach F i g. 3 so gedreht sind, daß die Nutzzeiger aufeinanderfailen (im doppelten Maßstab wie F i g. 3),

F i g. 5a) und 5h) zwei Beispiele für die Anordnung ι ■> von Vierergruppen,

F i g. 6 ein F i g. 4 entsprechendes normiertes Zeigerdiagramm für die Anordnungen nach F i g. 5,

F i g. 7 ein normiertes Zeigerdiagramm für den Fall von vier beliebigen Störwellen,

Fig.8 ein Blockschaltbüd eines Funkpeilers mit Kreisantennenanordnung.

Das der erfindungsgemäßen Anordnung zugrunde liegende Prinzip soll zunächst am Beispiel eines Peilers erläutert werden. Am Boden befindet sich eine lineare oder kreisförmige Antennenanordnung, deren einzelne Antennen die von der zu peilenden Bordstation abgestrahlte elektromagnetische Welle empfangen.

Die Antennen werden entweder nacheinander an einen einzigen Empfänger angeschlossen, mit dessen so Hilfe Amplitude und Phase des an jedem Element vorhandenen Felds im Augenblick der Messung bestimmt und gespeichert werden, oder jede Antenne speist einen eigenen Empfänger. Es wird jeweils über mehrere Perioden der Wellen gemessen. Auf diese Weise wird der Feldverlauf längs der verwendeten Antennenanordnung ermittelt. Aus dem Feldverlauf längs der Apertur, der nicht lückenlos vermessen, sondern entsprechend der Zahl der Antennenelemente abgetastet wird, läßt sich die Richtung des Senders ermitteln.

Gelangt die von der Bordstation abgestrahlte elektromagnetische Welle nur auf dem direkten Wege (Nutzwelle) zu den Antennen der Antennenanordnung der Bodenstation, dann liefern bereits die Phasenmessungen allein innerhalb ihrer Meßgenauigkeit den Einfallswinkel hinreichend genau. Kann die von der Bordstation abgestrahlte elektromagnetische Welle aber auch noch auf einem anderen Weg die Antennen der Bodenstation erreichen, z. B. durch Reflexion am 5» Boden oder an Objekten (Störwelle) dann addieren sich an den Antennen die direkte und die reflektierte Welle vektoriell. Dies führt zu einer Verfälschung des Meßergebnisses.

Wenn man annimmt, daß die empfangene elektromagnetische Welle von einem derart weit entfernten Punkt abgestrahlt bzw. reflektiert wird, daß die einfallenden Wellen ebene Wellenfronten aufweisen, dann ermöglicht die Erfindung die Bestimmung des Einfallswinkels der Nutzwelle. ho

In F i g. 1 sind drei Antennen £2, £ 1, £3 dargestellt, die mit untereinander gleichem Abstand a auf einer Geraden angeordnet sind. Mit φ ist tier Winkel, den eine Nutzwelle Wn und eine Senkrechte auf der Verbindungslinie der Antennen einschließen, angegeben. Ist β der Phasenwinkel zwischen den an den Antennen £2 und £ 3 bzw. E1 und £3 gemessenen Signalen, dann gilt

β = —:— sin ν ;

und hieraus u = arcsin —

2 π α ''

(/ = Wellenlänge)

Tritt nun außer der Nutzwelle Wn noch eine gleichfrequente Störwelle Ws auf, — wobei angenommen wird, daß die Amplitude der Störwelle kleiner ist als die der Nutzwelle, dann addieren sich beide Wellen Wn und Ws vektoriell. Somit wird zwischen den Antennen £2 und £1 bzw. £1 und £3 nicht mehr der gleiche Phasenwinkel β, sondern zwischen £2 und Ei ein Phasenwinkel al und zwischen £1 und £3 ein Phasenwinkel α2 gemessen.

in Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der an den Antennen Ei, £2 und £3 gemessenen Signale dargestellt. Mit mi, m2, m3 sind die Amplituden der vektoriellen Summe von Nutzwelle und Störwelle, mit η 1, π 2, π 3 die Amplituden der Nutzwelle und mit s 1, s2, s3 die Amplituden der Störwelle bezeichnet, β ist der Phasenwinkel zwischen η i und η 2 bzw. /7 3 und γ der Phasenwinkel zwischen 5 i und s2 bzw. si und s3. Es ist dabei β = 60° angenommen und η 2 gegenüber η 1 voreilend. Ferner ist angenommen, daß die Amplitude von Wn doppelt so groß ist wie die von Ws. und daß der Einfallswinkel von Wsgleich 360° -φ ist.

Wie man sieht, liegen die Nulldurchgänge der Nutzwelle Wn bei A \,A 2 und A 5;β entspricht also der Strecke AiA2 bzw. ÄIA 3. Kommt die Störwelle Ws hinzu, dann verschiebt sich die Lage des Nulldurchgangs von A 1 auf B 1, von A 2 auf B 2 und von A 3 auf B 3. Die Strecke 5152 entspricht jetzt dem Winkel al und die Strecke B 1B 3 dem Winkel a2.

F i g. 3 zeigt das Zeigerdiagramm der Kurven nach Fig.2 in einem beliebigen Zeitpunkt. Die gemessenen Werte sind m I,m2, m3, al unda2.

Mit Hilfe der F i g. 4 wird nun gezeigt, wie aus diesen gemessenen Werten die Nutzphase β ermittelt werden kann. Der besseren Übersicht wegen sind die Zeiger doppelt so lang wie in F i g. 3 gezeichnet. Die Nutzzeiger η 2 und η 3 sind um den Winkel β so gedreht, daß sie mit dem Nutzzeiger η 1 zusammenfallen. Zwischen den Störzeigern si und s2 bzw. si und s3 treten jetzt gleiche Winkel γ—β auf und zwischen den gemessenen Zeigern m 1 und m 2 der Winkel al — β und zwischen m 1 und m 3 der Winkel <x2—ß. Die mit d 1 und d2 bezeichneten Strecken sind gleich lang. Durch Anwendung des Kosinussatzes für di und für of 2, ergibt sich, da dl= d 2 ist,

m I² + /ηί - 2m 1 ml cos (\ !-/() = m I² + m3² - 2ml m3 cos (\2-/l).

Diese Gleichung enthält außer der gesuchten Größe β nur die gemessenen Größen m 1, m2, /n3,al,a2, so daß β und damit aus Gleichung (I) der Einfallswinkel ψ berechnet werden kann.

Der Abstand a zwischen den Antennen eines Paares bestimmt bei gegebenem Einfallswinkel ψ die Größe der

gemessenen Phasenwinkel «1 und <x2. Je größer man a macht, desto größer wird die Auflösung und desto weniger wirken sich gerätetechnisch bedingte Phasenmeßfehler als Fehler des zu bestimmenden Einfallswinkels φ aus. Umgekehrt kann man a desto kleiner machen, je größer die gerätetechnische Meßgenauigkcit für Phase und Amplitude gemacht werden kann.

Das heißt mit anderen Worten, auch mit einer kleinen Apertur läßt sich so genau messen, wie es der Stand der Meßgerätetechnik jeweils zuläßt, sofern nur ein Störer vorhanden ist. Wie vorzugehen ist, wenn mehrere Störer vorhanden sind, ist weiter unten erläutert.

Die bisher beschriebene Anordnung mit drei Antennen ist ein Sonderfall der allgemeineren Anordnung mit vier Antennen. Zwei Beispiele für die letztgenannte Anordnung zeigen die Fig. 5a und 5b. Dabei ist nicht erforderlich, daß alle vier Antennen auf einer Geraden liegen. Entscheidend ist lediglich, daß die Abstände a

■; zwischen den Antennen jedes Paares gleich und die Verbindungslinien zwischen den geradzahligen und den ungeradzahligen Antennen der Paare parallel sind.

F i g. 6 zeigt das der F i g. 4 entsprechende Zeigerdiagramm für solche Anordnungen. Die beiden von den

κι Störzeigern s begrenzten Kreisausschnitte berühren sich nicht mehr wie bei der Anordnung nach Fig. 1. Die Lage der Kreisausschnitte wird von der Lage der Antennenpaarc zueinander bestimmt.
Für diesen Fall wird Gleichung (2) zu

w I² + ml¹ - 2 »ι I ml cos (\ 1 - /i) = w3² + m4² - 2 wi3 m4 cos (\ 2 - //).

Die Anordnung mil vier Antennen und die Anordnung mit drei Antennen ermöglichen die exakte Bestimmung des Einfallswinkels der Nutzwelle, wenn nur eine Störwelle vorhanden ist. Dieser Fall tritt nur bei ebener, homogener Reflexionsfläche auf. In natürlicher Umgebung muß aber mit mehreren Störwellen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln, Phasen und Amplituden gerechnet werden.

F i g. 7 zeigt ein der F i g. 3 entsprechendes Zeigerdiagramm für eine der Antennen. Die Spitze des gemessenen Zeigers /;/ bewegt sich auf einer Ortskurve N. Einem Nutzzeiger //überlagern sich die Störzeiger sa bis sd. die vekloricll zusammengesetzt den resultierenden Störzeiger sr ergeben. Fur jede Antenne ergibt sich ein anderer resultierender Störzeiger sr. Deshalb liegen die Spitzen der Nutzzeiger nicht mehr auf einem Kreis um die Spitze von n. und damit ist d\ # d2.

Wenn man den Einfallswinkel der Nutzwellc für den Fall, daß mehrere Störwellcn vorhanden sind, aus den Gleichungen (2) oder (3) ermittelt, so erhält man kein genaues Ergebnis. Ein genaues E.rgcbnis erhält man durch Verwendung von Antennenanordnungen mit mehr als drei bzw. vier Antennen. Bei der Auswertung der Meßwerte bildet man jeweils Dreier- bzw. Vierer-Gruppen, ermittelt den Einfallswinkel der Nutzwellc aus den Meßwerten jeder Gruppe und bildet anschließend den arithmetrischen oder nach einem anderen geeigneten mathematischen Bildungsgesetz gcwichtetcn Mittelwert der Einzelergebnisse.

Von den möglichen Antennenanordnungen mit mehreren Antennen sind die Antennenzeile und die Kreisgruppc besonders vorteilhaft cinsetz'oar.

lici der Antennenzeile mit η Antennen können Gruppen dadurch gebildet werden, daß die erste, die zweite, die dritte Antenne, die zweite, die dritte und die vierte Antenne usw. und simIiuuIil'ii die /;—2",die //—i^!c und die nⁿ Antenne zusammengefaßt werden. Bei π = 30 kann man 29 Oreiergruppcn bilden, die den klcinstmöglichcn Antennenabstand a haben. Es lassen sich aber auch Dreiergruppen mit einem Antennenabstand bilden, der ein Mehrfaches von abeträgt.

Bei der Kreisgruppe mit In Antennen gibt es mehrere Möglichkeiten zur Gruppenbildung. 1st eine Mittclantennc vorhanden, dann kann man Dreiergruppen jeweils aus der /■'" Antenne, der Mittclantennc und der (n + i}¹" Antenne bilden.

Es ist aber auch möglich Vierer-Gruppen zu bilden.

Für diesen Fall zeigt Fig.8 ein Blockschaltbild eines vollständigen Funkpeilers. In dieser Figur ist eine Kreisgruppe, deren Antennen mit E\ bis E2n bezeichnet sind, dargestellt. Mit jeder Antenne ist einer von Empfängern Λ1 bis R2n verbunden. An die Empfänger ist eine Amplituden- und Phasenmeßeinrichtung AP angeschlossen, die die Meßwerte für jede

Antenne getrennt an einen Rechner C ausgibt. Im Rechner C wird nach den Gleichungen (3) und (1) der Winkel ψ ermittelt, wobei jeweils die Meßwerte von zwei gegenüberliegenden Antennenpaaren als Vierer-Gruppe zusammengefaßt werden und der Mittelwert

j,, der Einzelergebnisse gebildet wird.

In der Figur ist noch eine Mittelantenne ME dargestellt, die mit einem Prüfsender PS verbunden ist. Über die Mittclantennc werden in gleichbleibenden Abständen Eichimpulse für alle Empfänger R 1 bis R2n

j-, abgestrahlt. Während der Dauer der Eichimpulse kann nicht gemessen werden.

Dieser Peiler läßt sich besonders günstig in Verbindung mit der Anordnung nach der DE-OS 20 38 982 einsetzen.

4(i Die Erfindung ist nicht nur für Funkpeiler, sondern auch für Funkfeuer verwendbar. Beim Peiler ist für jede Antenne ein Empfänger vorhanden; daher ist ein gleichzeitiger Empfang und eine gleichzeitige Auswertung der Signale möglich. Beim Funkfeuer ist dagegen

4-, nur eine aufeinanderfolgende Abstrahlung der Signale von den einzelnen Antennen möglich (bei gleichzeitiger Sendung erhielt man ein Summcndiagramm), und es muß daher eine Information über die sendende Antenne zum Empfänger übertragen werden. Zusätzlich muß

w auch ein Bezugssignal mit übertragen werden. Im übrigen können die Rcflcxionsfchler jedoch in der gleichen Weise reduziert werden wie beim Peiler. Wie beim Peiler werden aus den Antennen einer Anicnncnanordnung Gruppen von jeweils drei zueinander

v-, äquidistantcn Antennen gebildet- Die drei Antennen werden nacheinander von einem Sender mit gleicher Amplitude und Phase gespeist. Die im I'unkfcld durch Reflexionen verfälschten Signale werden empfangen, Amplitude und !'hase gemessen und die Meßwerte wie

(,ei beschrieben verarbeitet. Ist die direkte Messung der HF-Signale (auch im ZF-Bcreich) zu schwierig, dann lassen sich die interessierenden Größen durch Verwendung eines Seitcnbandvcrfahrcns auch im Video-Bereich gewinnen.

ilici/u 4 Blatt /xidmungeii

Claims

Patentansprüche:

1. Funkpeiler, bei dem zur Ermittlung des Einfallswinkels einer durch Mehrfachempfang gestörten elektromagnetischen Welle die an den Antennen auftretenden Phasen und Amplituden ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Gruppe mit zwei Antennenpaaren vorgesehen ist, daß die Einzelantennen eines jeden Paares (Et und El, E 3 und £4) den Abstand (a) voneinander haben, daß die Paare so angeordnet sind, daß die Verbindungslinien der Einzelantennen der Paare parallel zueinander liegen und daß die Phase (ß) der Nutzwelle mit Hilfe eines Rechners (C)aus der Gleichung