DE3322948A1

DE3322948A1 - Grossbasispeiler mit kreisfoermig angeordneten antennen

Info

Publication number: DE3322948A1
Application number: DE19833322948
Authority: DE
Inventors: Miles Phillips Ascot Moody
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1983-06-25
Filing date: 1983-06-25
Publication date: 1985-01-10
Also published as: GB2142202A; JPS6076675A; GB8416020D0

Description

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_ *z —

ί.P.Moody 1

GroßbasispeiLer mit kreisförmig angeordneten Antennen

Die Erfindung geht aus von einem Großbasi spei Ler mit kreisförmig angeordneten Antennen. Ein soLcher Großbasispeiler ist aus dem ArtikeL "ORTAC-M, ein neues TACAN-System" von G.Peuker in Elektrisches Nachrichtenwesen, Band 50, Nr. 4, 1975, Seiten 283-187, bekannt.

Bei der dort beschriebenen Einrichtung ist jeder Antenne ein Empfängerzweig nachgeschaLtet. Um genaue Meßergebnisse zu erreichen, ist es notwendig, daß ständig die Amplituden- und Phaseneigenschaften jedes Empfängerzweiges überwacht und gegebenenfa LLs geregelt werden. Weiterhin erhäLt man eindeutige Meßergebnisse nur dann, wenn die Abstände zwischen den gleichmäßig auf dem Kreis verteilten Antennen einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Bei diesem Maximalabstand machen sich jedoch Strahlungsverkopplungen zwischen benachbarten Antennen störend bemerkbar. Vergrößert man den Abstand zwischen benachbarten Antennen, dann reduziert sich die durch die St rah Lungsverkopplung bedingte Störung. Die Messung wird jedoch mehrdeutig, so daß zur Eindeutung zusätzliche Messungen notwendig werden.

ZT/P1-Sm/V

14.06.1983 - 4 -

M.P.Moody 1

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Großbasi spei I er mit kreisförmig angeordneten Antennen anzugeben, mit dem auch dann ohne zusätzliche Eindeutungsverfahren eindeutige Winkelmessungen möglich sind, wenn der Abstand zwischen benachbarten Antennen groß ist.

Bei dem neuen Großba si spei Ie r benötigt man, bedingt durch den erlaubten großen Abstand zwischen benachbarten Antennen, nur eine relativ kleine Anzahl Antennen. Die Strahlungsverkopplung zwischen benachbarten Antennen ist gering. Der neue G roßbasispeiI er ist gegenüber Störungen, die durch Mehrwegausbreitungen verursacht werden, unempfindlich. Eine endliche Ausdehnung der zu peilenden Strahlungsquelle und DoppLer-Verschiebungen der Frequenz des zu peilenden Signals haben auf das Meßergebnis keinen Einfluß. Phasen- und Amp Iituden sehwankungen in den Empfängerzweigen haben keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Abhängig davon, wie schnell die Peilung erfolgen soll, ist für jedes Antennenpaar ein Empfängerpaar vorgesehen oder es wird ein einziges Empfängerpaar nacheinander an unterschiedliche Antennen angeschaltet.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Blockschaltbilder für zwei Ausführungsbeispiele des neuen Großbasi spei le rs.

Anhand der Fig. 1 wird zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel erläutert. Es sind mehrere auf einem Kreis äquidistant angeordnete Antennen 1 vorgesehen. In der Fig. sind der besseren Übersichtlichkeit wegen nur acht Antennen 1, die mit römischen Ziffern I bis VIII durchnumeriert sind, dargestellt. Eine mögliche reale Anordnung,

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von der in der weiteren Beschreibung bei der WahL von bestimmten Anordnungen ausgegangen wird, weist bei- einem Kreis mit einem Durchmesser von 57 λ(λ ist die Wellenlänge des zu peilenden Signals) 32 Antennen auf. Somit ist der kleinste Antennenabstand 5,625 λ, wodurch eine gute Entkopplung benachbarter Antennen gewährleistet ist.

Die acht in der Fig. 1 dargestellten Antennen 1 sind in zwei Gruppen eingeteilt, wobei jede Antenne zwei Gruppen zugehört. Weiterhin erfolgt eine Einteilung der Antennen in Antennenpaare und zwar so, daß die Verbindungsgeraden zwischen den Antennen der Antennenpaare einer Gruppe alle zueinander parallel sind. Die erste Gruppe enthält die Antennenpaare I/II, III/VIII, IV/VII und V/VI; die andere die Antennenpaare VII/VIII, I/VI, II/V, III/IV. Die Verbindungsgeraden zwischen den Antennen der Antennenpaare der zweiten Gruppe stehen senkrecht auf den Verbindungsgeraden der ersten Gruppe. Jeder Antenne sind zwei Empfänger nachgeschaltet und zwar deshalb, weil jede Antenne, wie bereits erwähnt, zu beiden Gruppen gehört.

Die Ausgangssignale der Empfänger, die einem Antennenpaar zugeordnet sind, werden jeweils zu einer Phasenmeßeinrichtung 3 geführt, die die Phasendifferenz zwischen den von den Antennen eines Antennenpaares empfangenen Signale mißt Diese Meßwerte werden in A/D-Wandlern 4 digitalisiert und danach einem Rechner 5 zugeführt. Der Rechner ermittelt auf die weiter unten beschriebene Art den e I ev at i on swi η ke I unabhängigen Einfallswinkel in der Azimutebene. Der Einfallswinkel wird in einer an sich bekannten Anzeigeeinrichtung 6 angezeigt.

Bevor auf die Auswertung im einzelnen eingegangen wird, wi nachfolgend anhand der Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispie I ist nur

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noch ein Empfängerpaar 28, 29 vorhanden. Dieses Empfängerpaar wird nacheinander an aLle Antennenpaare der beiden Gruppen über Schalter 22, 23, 24, 25, 26, 27 angeschaltet. Dem Empfang erpaar 28, 29 sind - entsprechend dem AusfuhrungsbeispieL gemäß Fig. 2 -eine Phasenmeßeinrichtung und ein Ana Log/Digital-WandI er 30 nachgeschaltet. Die digitalisierten Meßwerte werden einem Rechner 31 zugeführt. Dieser Rechner führt nicht nur die Ermittlung der Einfallsrichtung durch, sondern er steuert auch die Schalter.

In der Stellung a sind die Schalter 26 und 27 mit den Schaltern 22 und 23 verbunden. Diese wiederum verbinden das Empfängerpaar 28, 29 nacheinander mit den Antennenpaaren-der ersten Gruppe. In der Stellung b sind die Schalter 26 und 27 mit den Schaltern 24 und 25 verbunden. Diese verbinden das Empfängerpaar 28, 29 nacheinander mit den Antennenpaaren der ersten Gruppe.

Nachfolgend wird die Auswertung im Rechner erläutert. Bei der Auswertung wird von folgender Eigenschaft ausgegangen:

jedes Antennenpaar stellt ein Interferometer mit einem bestimmten Abstand dar. Dem aus den beiden Antennen gebildeten Antennenpaar ist ein bestimmtes Strahlungsdiagramm (vereinfacht: eine Strahlungskeule) zugeordnet. Die Form dieser Strahlungskeule hängt vom Abstand der Antennen des Antennenpaares ab. Die von den beiden Antennen empfangenen Signale werden zwei Empfängern zugeführt. Die Strahlungskeule zeigt in Richtung der Senkrechten auf der Verbindungsgeraden der beiden Antennen. Diese Richtung entspricht dem Azimutwinkel Θ. Führt man eines der beiden Signale dem zugehörigen Empfänger um den Wert θ phasenverschoben zu, dann wird die Ausrichtung der Strahlungskeule um einen bestimmten Winkel verschoben, d.h. sie zeigt nicht mehr in

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die Richtung θ = 0. Dies wird dazu ausgenützt, die Strah-LungskeuLe über den Azimutbereich von -90 bis +90 schrittweise zu schwenken. Für das Ausführungsbeispiel werden 512 Schritte angenommen. Die Phasenverschiebungen werden jedoch nicht real erzeugt, sondern nur im Rechner berücksichtigt. Für die Auswertung im Rechner wird y = ^s"iⁿ G gesetzt. Somit ist jedem y eine bestimmte Strahlungskeule und somit auch ein bestimmter Einfa 11swinkeI Θ zugeordnet.

Die erste Gruppe mit Antennenpaaren weist bei der Dai— Stellung gemäß Fig. 1 acht Antennen und somit vier Antennenpaare auf. Somit werden von den Phasenmeßeinrichtungen 3 vier Phasendifferenzen φ (η gleich 1 bis 4) gemessen. Ist N die Anzahl der Antennen, β die Phase des von der η-ten Antenne, empfangenen Signals bezogen auf eine Bezugsphase, dann ist

Φ = β - B₁₁ . = 2H sin (α) = 2H g η η N-n+1 η n^a

mit H : Abstand zwischen den Antennen eines Antennenn

paa res,gemessen in Radianten, α : der zu messende Einfallswinkel , und g : sin α

Zur Bestimmung des (elevationswinkelabhängigen) Einfallswinkels in der Azimutebene bildet man das Produkt

N/2

U(y) = Π u (y) (1)

n = 1 ⁿ

oder die Summe

N/2
Inlu(y) I= Σ ln| u (y)l , ⁽²⁾

n = 1 ⁿ

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wöbe i

Φη
U_n (y) = A_n cos (H_ny - γ- εοεψ ) ist, (3)

mit A : Amplitude des von der η-ten Antenne empfangenen Signals

ψ : Einfa I Isrichtung in der Elevationsebene

y : sin Θ, wobei θ eine Variable in der Einfal Isrichtung in der Azimutebene ist.

A_n und ψ sind bei der Produktbildung Variable, die, wie man herleiten kann, gleich 1 gesetzt werden können.

Mit N = 32 erhält man N/2 = 16 Werte für u , aus denen das Produkt U(y) gebildet wird.

Mit der ersten Antennengruppe allein würde man lediglich konische Koordinaten erhalten. Es reicht deshalb hier zunächst aus, zu ermitteln, aus welcher Einfa I Lsrichtung das Signal in einem Azimutbereich von -90 bis +90 einfällt. Zur eindeutigen Bestimmung, d. h. zur Best i mmung, aus welcher Richtung aus dem gesamten 360 -Bereich das Signal einfällt (Einfall sri chtung in kartesischen Koordinaten), ist die weitere Gruppe notwendig.

Mit dem Rechner ist nur eine quantisierte Messung der Einfallsrichtung möglich. Die Meßgenauigkeit hängt primär vom Durchmesser des Antennenkreises und außerdem, bedingt durch das Auswerteverfahren, weiterhin auch von der Anzahl der Abtastwerte ab. Für das vorliegende Beispiel, bei dem 32 Antennen vorgesehen sind, ist es sinnvoll, für den - 90 -Bereich 512

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Abtastwerte vorzusehen. Jedem Abtastwert entspricht eine bestimmte Einfallsrichtung θ und somit, wie bereits angedeutet, eine bestimmte Strahlungskeule. Es ist somit erforderlich, 512 mal das Produkt nach Gleichung (1) zu bilden, wobei sich die einzelnen Produkte durch unterschiedliche Werte für θ Cd. h. unterschiedliche Strahlungskeulen) voneinander unterscheiden. Untersucht man die 512 berechneten Produkte als Funktion von y, dann erhält man für dasjenige y = sin θ das größte Produkt, bei dem θ gleich dem Einfallswinkel α ist. Dieses y, das positive oder negative Werte annehmen kann, wird für die weitere Auswertung verwendet.

Dieselbe Berechnung wird nun für die zweite Gruppe mit Antennenpaaren durchgeführt. Man bildet hier jedoch 512 mal das Produkt

N/2

UCx) = Π u (χ) n-1 η

mit

u Cx) = A cos (H (x-fcos ψ) η η η

U Cx) = A cos CH χ - ·=— cos ψ) η η η 2

mit χ = cos θ
f = cos α

Man ermittelt wiederum, bei welchem χ das größte Produkt vorhanden ist. Der gesuchte Einfallswinkel α ergibt sich dann aus

α = arc tan — .
χ

Bei diser beschriebenen Berechnung der Einfallsrichtung ist der Rechenaufwand groß. Es gibt jedoch Möglichkeiten, den Rechenaufwand durch Speicherung geeigneter Werte und Verwendung vorteilhafter Algorithmen zu verringern.

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Es wurde bereits erwähnt, daß anstatt der u (χ) und u (y)

η η

auch der Logarithmus dieser Werte ausgewertet werden kann.

Eine Reduzierung des Rechenaufwandes erhält man dann,

N
wenn man /2 "Logarithmische St rah Lungskeulenfunktionen" in einem Speicher speichert, die Verschiebungen der gemessenen Phasen von dem Phasenwert für die Einfa LL srichtung θ = 0 berechnet und die verschobenen "StrahLungskeulenfunktionen" addiert. Unter Strahlungskeulenfunktion werden hier die 512 StrahLungskeuLen für ein Antennenpaar, die den Azimutbereich von -90 bis +90 bedecken, verstanden.

Zur Ermittlung der Einfa ILsrichtung α im Rechner wähLt man in den Bereichen für χ und y jeweiLs 2H gleichmäßig verteilte Punkte, denen jeweiLs eine St rahLungskeuIe zugeordnet ist, aus. Das über die n-te St rah LungskeuLe empfangene Signal läßt sich beschreiben durch

U ' Ck) = Ln [cosCH k
η *- η

mit

k =-M , + M.

Fällt die zu peilende Strahlungsquelle nicht unter den AzimutwinkeL θ = 0, sondern unter dem Winkel θ = α ein, dann ist die n-te Strahlungskeule der ersten Gruppe zu verschieben und zwar um

Ak = NINT
η

und diejenige der zweiten Gruppe ist zu ^verschieben um

MC

Aj = NINT

2H_n
wobei M für das beschriebene Beispiel gleich 256 gewählt wird und NINT die näheste ganzzahlige Zahl ist.

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Man erhält weiterhin

N/2

U¹ Cj) = ^Z„ ^un" ^(j"^Ajn⁾ η—ι

^Und N/2

U' (k) = Zu¹ Ck-Ak ) n = 1 ⁿ

mit k, j =-M_/ M.

Die (j -Δ j_n) und Ck-Ak) werden als mod (2M) berechnet. Zur Berechnung von U¹Cj) und U¹Ck) ist es nicht notwendig, die genannten Funktionen zu speichern, sondern die Speicherung der fortschreitenden Maxima und der ihnen zugeordneten Werte ί_ΜΑχ und k_Hftx reicht aus.

Die Einfa LLsrichtung a in der Azimutebene ist aus

cos ;_cexp(ia_c) = Cj^_{x +} ik^) /M

berechenbar, ψ ist die Ei nf a L L sri c ht ung in der Elevationsebene. Daraus kann diese Einfallsrichtung berechnet werden.

Die Genauigkeit des nach einem der beiden Verfahren berech neten Einfallswinkels läßt sich durch bekannte Intei— po lationsverfahren weiter verbessern.

Zur Berechnung des Einfallswinkels sind noch weitere, hier nicht näher erläuterte Auswerteverfahren möglich, vorausgesetzt, es stehen, wie beschrieben, geeignete Meßwerte zur Verfugung.

Wenn eine noch weitergehende Verbesserung der Meßgenauigkeit gewünscht ist, werden außer der ursprünglichen ersten und zweiten Gruppe der Antennenpaare eine weitere erste

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und zweite Gruppe gewählt und zwar dergestalt, daß die Senkrechte auf den Verbindungsgeraden zwischen den Antennen eines Antennenpaares der ersten Gruppe möglichst genau (soweit dies durch die gegebene Zahl von Antennenpaaren möglich ist) in die Einfa 11 srichtung des zu peilenden Signals zeigt. Für diese Auswertung ist es erforderlich, daß das Empfängerpaar jeweils an die hierzu ausgewählten Antennenpaare angeschaltet wird.

Die Meßgenauigkeit kann auch dadurch verbessert werden, daß man aus den Antennen mehrere erste und zweite Gruppen bildet und man danach den Mittelwert der Messungen ermittelt.

Für die Auswertung ist es erforderlich, daß im Rechner die Zuordnung der Meßwerte zu den Antennenpaaren bekannt ist. Dies ist der Fall, wenn das Anschalten der gewünschten Antennenpaare an das Empfängerpaar durch den Rechner gesteuert wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist es möglich, jeden gemessenen Phasenwert einem ausgewählten Eingang des Rechners zuzuführen, dadurch ist für dieses Ausführungsbeispiel die Zuordnung von Meßwert und Antennenpaar gegeben .

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- Leerseite -

Claims

STANDARD ELEKTRIK LORENZ
AKTIENGESELLSCHAFT
Stuttgart

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Patentansprüche

i.yGroßbasispeiler mit mehreren, auf einem Kreis angeord- - ^/
neten Antennen (1 ) , d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h net, daß die Anzahl der Antennen (1) ein ganzzahLiges · Vielfaches von vier ist, daß die Antennen (1) zu Antennenpaaren zusammengefaßt werden, daß aus den Antennenpaaren mindestens zwei Gruppen gebildet werden, und zwar dergestalt, daß alle Verbindungsgeraden zwischen den Antennen der Antennenpaare einer Gruppe zueinander parallel sind und die Verbindungsgeraden der Antennenpaare der einen Gruppe (I/VIII, II/VII, III/VI, IV/V) auf den Verbindungsgeraden der Antennenpaare der anderen Gruppe (VI/VII, V/VIII, I/IV, II/III) senkrecht stehen, daß die Phasendifferenzen (φη) zwischen den von den Antennen eines Antennenpaares empfangenen Signale gemessen werden, daß die Meßwerte in digitaler Form einem Rechner (5) zugeführt werden und daß in diesem die eIevantionsunabhängige Einfa I Isrichtung α eines Signals

Y in der Azimutebene gemäß der Gleichung α = arc tan — oder gemäß einer dieser Gleichung entsprechenden Gleichung ermittelt wird, wobei y zu der mittels der ersten Antennengruppe ermittelten Einfallsrichtung in der Azimutebene und χ zu der mittels der zweiten Antennengruppe ermittelten Ein fa I I srichtung in der E I evationsebene proportional ist.

ZT/PI-Sm/V, 14.06.1983 - 2 -

BAD ORfQSIML

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2. Großbasispeiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der ersten Messung der e levationsunabhängigen Einfa I Lsrichtung in der Azimutebene eine weitere Messung erfolgt, wobei bei dieser Messung die Antennenpaare so gewählt sind, daß die Senkrechte auf den Verbindungsgeraden zwischen den Antennen eines Antennenpaares einer Gruppe zumindest angenähert in die Einfallsrichtung zeigt.
3. GroßbasispeiLer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander mehrere Gruppenpaare gebildet werden und daß der Mittelwert der Meßergebnisse für die einzelnen Gruppenpaare ermittelt wird.
4. Großbasispeiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Antennenpaar ein Empfängerpaar (2) nachgeschaltet

■ ist.
5. Großbasispeiler nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Empfängerpaar vorgesehen ist, das nacheinander an die Antennen angeschaltet wird.