DE3641626A1 - Verfahren zur bestimmung des standorts eines senders und peilempfaenger fuer ein solches verfahren - Google Patents

Description

Verfahren zur Bestimmung des Standorts eines Senders und Peilempfänger für ein solches Verfahren.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Standorts eines Senders nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Peilempfänger zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Während bei der Peilung von Bodenwellen nur die Azimutrichtung eines Senders ermittelt werden kann, ermöglicht die Peilung einer an ionosphärischen Schichten reflektierten Welle durch Verknüpfung des Elevationswinkels der gemessenen Einfallsrichtung mit bestimmten Annahmen über die Eigenschaften der reflektierenden Ionosphärenschichten auch die Bestimmung der Entfernung des Senders vom Empfänger. Diese Annahmen können als Höhe einer reflektierenden Schicht für ein lotrecht nach oben abgestrahltes Signal in einem Diagramm über der Signalfrequenz aufgetragen werden. Ein solches Diagramm wird als Ionogramm bezeichnet. Der Verlauf eines solchen Ionogramms ist in erster Linie abhängig von der Tageszeit, der Jahreszeit, der Sonnenfleckenzahl und dem betrachteten Standort. Aus in der Vergangenheit vorgenommenen Messungen kann für einen bestimmten Standort und einen bestimmten Zeitraum eine Prognose für die zeit- und frequenzabhängigen Eigenschaften der Ionosphäre gemacht werden. Die zeitlichen Veränderungen der Ionogramme zeigen neben periodischen Anteilen aber auch starke unregelmäßige Schwankungen, die für die sporadischen E-Schichten auch noch örtlich stark variieren und die in einer Prognose nicht berücksichtigt sein können. Die vorhergesagten Werte des Ionogramms können daher z. T. erheblich von den tatsächlichen Verhältnissen abweichen, so daß sich bei der Bestimmung des Senderstandorts große Fehler ergeben können.

Ein immer exaktes Ionogramm könnte durch Einsatz eines durchstimmbaren, nach oben strahlenden Senders (chirp sounder) mit zugehörigem Empfänger am Peilort gewonnen werden, was jedoch mit erheblichem Zusatzaufwand verbunden wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Standortbestimmung eines Senders und einen Peilempfänger für ein solches Verfahren anzugeben, mit dem eine genauere Standortbestimmung mit geringem Zusatzaufwand möglich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Anspruch 1, der erfindungsgemäße Peilempfänger im Anspruch 5 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung erfordert gegenüber gebräuchlichen Peilempfängern zur Standortbestimmung nur einen geringen Zusatzaufwand, ermöglicht aber eine wesentlich zuverlässigere Bestimmung des Senderstandorts durch Erfassung der tatsächlichen Ionosphäreneigenschaften. Insbesondere können auch sporadische E-Schichten festgestellt werden, deren Auftreten durch eine Prognose bestenfalls mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit angegeben werden kann.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Skizze der geometrischen Verhältnisse für die Wellenausbreitung bei Reflexion an einer ionosphärischen Schicht,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Peilempfängers zur Standortbestimmung von Sendern,

Fig. 3 eine Bildschirmanzeige eines Ionogramms mit aktuellen Meßwerten.

Für die Ortung eines Senders, dessen Signale unter einem gewissen Elevationswinkel ε am Ort des Peilempfängers einfallen, spielt der in Wirklichkeit gekrümmte Ausbreitungsweg der Welle in der Ionosphäre sowie die tatsächliche Höhe des Scheitelpunkts keine Rolle. Man darf bei der Berechnung vielmehr von einem geradlinigen Strahlverlauf und einer abrupten Reflexion an einem Punkt einer reflektierenden Ionosphärenschicht in einer virtuellen Höhe h _virt ausgehen. Zu berücksichtigen ist noch, daß die Reflexionseigenschaften der Ionosphärenschicht von dem Winkel γ , unter dem bei geradlinig angenommenen Strahlverlauf die Welle auf die Schicht trifft, abhängen und die Frequenzabhängigkeit der Reflexionseigenschaften bzw. Schichthöhen im Ionogramm für lotrecht nach oben abgestrahlte und daher unter γ = 90° auf die Schicht treffende Wellen angegeben ist.

Zwischen der Signalfrequenz (f _schräg ) eines schräg auf die Schicht auftreffenden Peilstrahls und der Frequenz des vertikal ausgesandten Peilstrahls, der in der gleichen virtuellen Höhe reflektiert wird, besteht folgender Zusammenhang:

f _vert = f _schräg · sin γ

(Benutzt man das Winkelkomplement R zur Vertikalen durch den Reflexionspunkt, dann erhält man das in der Literatur öfter angeführte "Sekansgesetz" : f _schräg = f _vert · sec R ).

Bei (durch das Ionogramm) als bekannt vorausgesetzter Schichthöhe h _virt und gemessener Signalfrequenz lassen sich die gesuchte Senderentfernung E berechnen. Wegen der nichtlinearen Abhängigkeit der virtuellen Höhe h _virt von der Vertikalfrequenz f _vert muß die Berechnung der Entfernung iterativ durchgeführt werden.

Der Winkel weicht bei kurzen Entfernungen nur wenig vom Winkel ε ab, der als Elevation des Peilstrahls über der Horizontalen am Peilort gemessen wird. Aus diesem Grund nimmt der Auswerterechner ε als Anfangswert für die iterative Bestimmung der Senderentfernung. Er berechnet daraus die entsprechende Vertikalfrequenz und erhält damit aus dem Ionogramm einen ersten Wert für die virtuelle Höhe. Die Entfernung E ergibt sich in erster Näherung zu:

Zweckmäßigerweise wird E umgerechnet in den Zentralwinkel D, unter dem die Strecke Sender-Peiler vom Erdmittelpunkt aus gesehen erscheint. Wegen der Erdkrümmung muß im nächsten Schritt der Winkel in ε+D/₂ korrigiert werden. Mit

Ro = Endradius
erhält man einen verbesserten Entfernungswert. Man korrigiert wie oben und setzt die Iteration so lange fort, bis sich der Ergebniswert auf einen genügend genauen Wert stabilisiert hat.

Ist hingegen, wie in der Meßphase bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, der Senderstandort und damit die Entfernung E bzw. der Zentralwinkel D bekannt, so lassen sich durch Bestimmen des Elevationswinkels ε auf einfache Weise die virtuelle Höhe der reflektierenden Schicht und die Vertikalfrequenz nach den Beziehungen

ermitteln. Das so ermittelte Wertepaar bildet einen Meßwert zum Aufbau eines Ionogramms.

Durch Kombination des den grundlegenden funktionellen Zusammenhang zwischen h _virt und f _vert angebenden Ionogramms mit aktuellen Meßwerten können die für die Standortbestimmung vor allem wesentlichen Daten des Ionogramms, nämlich virtuelle Schichthöhe in den annähernd horizontal verlaufenden Bereichen des Ionogramms und Grenzfrequenzen für die verschiedenen Schichten den tatsächlichen Verhältnissen angepaßt werden.

Hierzu werden beispielsweise während einer Pause im Peilbetrieb, mehrere bekannte Sender gepeilt und zu jedem Sender ein Wertepaar (h _virt , f _vert ) ermittelt und gespeichert. Die gesamten gespeicherten Werte werden dann mit einem gespeicherten Ionogramm daraufhin verglichen, ob die gemessenen Werte mit dem gemäß dem Ionogramm zu erwartenden übereinstimmen. Falls dies nicht zutrifft, werden die obengenannten Parameter, Grenzfrequenzen und Schichthöhen so korrigiert, daß möglichst gute Übereinstimmung mit den Meßwerten besteht. Hierzu ist vorteilhafterweise vorgesehen, das gespeicherte Ionogramm zusammen mit den gemessenen Werten auf einem Bildschirm darzustellen und Eingabemöglichkeiten für Korrekturwerte bereitzustellen. Durch eingegebene Korrekturwerte wird ein korrigiertes Ionogramm erzeugt, das anstelle des vorherigen auf dem Bildschirm angezeigt wird. Durch diese interaktive Korrekturmöglichkeit kann auf einfache Weise ein mit den Meßwerten gut übereinstimmendes, korrigiertes Ionogramm erzeugt werden, das abgespeichert wird und anhand dessen während des regulären Peilbetriebs die Standorte gepeilter Sender nach den bekannten Methoden berechnet werden.

Anstelle der Bildschirmanzeige kann die Anpassung des Ionogramms an die aktuellen Meßwerte auch automatisch durch ein beispielsweise in einem Prozessor abgelegten Optimierungsprogramm erfolgen. Die beiden Vorgehensweisen können auch derart kombiniert werden, daß zuerst eine automatische Anpassung erfolgt und danach das korrigierte Ionogramm und die aktuellen Meßwerte auf dem Bildschirm angezeigt und das Ionogramm über Bedienelemente weiter verändert werden kann.

Die Aussagen der verschiedenen aktuellen Meßwerte beziehen sich korrekt nur auf jeweils die lokalen Schichtverhältnisse über dem Mittelpunkt der Strecke Sender - Peilempfänger. Bei dem für Senderstandortbestimmungen nach derartigen Verfahren in Frage kommenden Entfernungen können die Schichtverhältnisse aber als räumlich in guter Näherung konstant angesehen werden. Lediglich für die sporadischen E-Schichten (E _s ), die teilweise räumlich enger begrenzt sind, kann von Vorteil sein, bei der Ermittlung der Meßwerte auch die Azimute der bekannten Sender abzuspeichern und die Korrektur des Ionogramms hinsichtlich der E _s -Schichten azimutabhängig (z. B. sektorweise) vorzunehmen. Es kann hierbei auch von Vorteil sein, in der Meßphase nur einen Teil der gespeicherten Sender aus einem ausgewählten Azimutbereich aufzurufen.

Um falsche Meßwerte durch Empfang eines im gleichen Kanal wie der gerade aus dem Senderspeicher abgerufene Sender arbeitenden Senders zu vermeiden, können zusätzlich die Azimutwerte der bekannten Sender und soweit vorbekannt charakteristische Eigenschaften der bekannten Sender im Senderspeicher abgelegt und die empfangenen Signale auf Übereinstimmung mit diesen Merkmalen überprüft werden. Charakteristische Merkmale können beispielsweise Modulationsart oder wie bei Normalzeitsendern eine vorbekannte Signalstruktur sein.

Im Blockschaltbild nach Fig. 2 werden die empfangenen Signale e im Peiler P nach Azimut α und Elevation ε ausgewertet. Auf ein Kommando 11 über eione Kommandoleitung wird durch eine Ablaufsteuerung AbSt der normale Peilbetrieb unterbrochen und eine Meßphase eingeleitet. Die Ablaufsteuerung wählt nacheinander die in einem Senderspeicher SSp durch ihre Signalfrequenz f und ihre Entfernung bzw. ihren Zentralwinkel D abgelegten bekannten Sender aus, kommandiert die Empfangsfrequenz des Peilers auf die jeweilige Senderfrequenz und löst eine Peilung aus. Der bei der Peilung ermittelte Elevationswinkel ε wird ebenso wie die zum gepeilten Sender gespeicherten Werte für Signalfrequenz f und Zentralwinkel D einer Recheneinheit R, die nach den bereits beschriebenen Zusammenhängen daraus ein Wertepaar (h _virt , f _vert ) errechnet und in einem Meßwertspeicher Msp ablegt, zugeführt.

Wenn alle Sender des Senderspeichers abgerufen und die zugehörigen Meßwerte gespeichert sind, werden die gespeicherten Meßwerte mittels einer Anzeigesteuerung AnSt auf einer Bildschirmanzeige B als Meßpunkte in einem Diagramm mit f _vert als Abszisse und h _virt als Ordinate angezeigt. Zum gleichen Diagramm wird auch ein in einem Ionogrammspeicher ISp abgelegtes Ionogramm als Kurvenzug abgebildet, so daß sich auf anschauliche Weise Art und Umfang eventueller Abweichungen zwischen Ionogramm und aktuellen Meßwerten entnehmen lassen.

Der Ionogrammspeicher ist bidirektional mit einer Korrektureinrichtung Korr verbunden, welche bei Eingabe von Korrekturwerten K für die Höhen und/oder die Grenzfrequenzen der verschiedenen Schichten das gespeicherte Ionogramm ausliest, nach Maßgabe der eingegebenen Korrekturwerte verändert und das korrigierte Ionogramm anstelle des bisherigen Ionogramms im Ionogrammspeicher ablegt. Über die Anzeigesteuerung wird nach einer Korrektur das neu eingeschriebene korrigierte Ionogramm auf dem Bildschirm dargestellt. Für die Eingabe von Korrekturwerten ist die Korrektureinrichtung mit einem Bedienfeld BF verbunden. Für Bedienfeld BF und Bildschirmanzeige B können für den regulären Peilbetrieb ohnehin im allgemeinen vorhandene Geräte im Zeitmultiplex benutzt werden. Vorzugsweise ist die gesamte Prognose der Ionosphärendaten in einem Lesespeicher PrSp abrufbar gespeichert, so daß auch nach Überschreiben der im Ionogrammspeicher abgelegten Daten durch korrigierte Daten jederzeit wieder auf die allgemeine Vorhersage zurückgegriffen werden kann.

Die nach Abschluß der Meßphase einschließlich eventueller Korrekturen im Ionogrammspeicher ISp abgelegte Zuordnung von h _virt zu f _vert dient - bis zur nächsten Meßphase - als Grundlage für die Berechnung der Senderstandorte in einem Ortungsrechner OR, z. B. nach Azimut und Entfernung E.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine Bildschirmanzeige mit vorhergesagtem Ionogramm Pr (durchgezogene Linie), Meßpunkten M _i (Kreise) und korrigiertem Ionogramm I _K (unterbrochene Linie) einschließlich der durch Pfeile angedeuteten, durch eingegebene Korrekturwerte veranlaßten Verschiebungen der wesentlichen Ionogrammparameter. Als Korrekturwerte seien über die Bedienelemente Verschiebungen, Dehnungen und Stauchungen in beiden Achsenrichtungen für die den Schichten E, F 1 und F 2 zugeordneten unterscheidbaren Kurvenbereiche eingebbar. Im gezeigten Beispielsfall wird durch Eingabe eines Korrekturwerts für den E-Bereich in Richtung der Frequenzachse eine Dehnung des E-Bereichs in dieser Richtung ausgelöst und so die Grenzfrequenz für die E-Schicht zu höheren Frequenzen verschoben, während der Verlauf des E-Bereichs in Richtung der Höhenachse nicht korrigiert wird. Die Meßpunkte M 1 und M 2 stimmen dann gut mit dem korrigierten Verlauf überein. Entsprechend wird die Grenzfrequenz des an dem E-Bereich des Ionogrammverlaufs anschließenden F 1-Bereich durch Eingabe eines entsprechenden Korrekturwerts zu höheren Frequenzen verschoben, so daß der Kurvenverlauf auch an die Meßpunkte M₄ und M₅ angeglichen ist. Zur Angleichung an die Meßpunkte M₅ und M₆ sind Korrekturwerte für den F 2-Bereich für beide Achsenrichtungen eingegeben, so daß der Kurvenverlauf in diesem Bereich zu einer größeren Schichthöhe und einer größeren Grenzfrequenz verschoben ist. Der durch die eingegebenen Korrekturwerte verschobene Kurvenverlauf für das korrigierte Ionogramm I _K ist zusammen mit der Kurve des vorhergesagten Ionogramms auf dem Bildschirm angezeigt. Das korrigierte Diagramm wird auf Eingabe als für die in der folgenden Betriebszeit vorzunehmenden Senderstandortbestimmungen gültige Zuordnung von h _virt zu f _vert gespeichert.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung des Standorts eines Senders bezüglich eines Peilempfängers durch Messen des Elevationswinkels der Einfallsrichtung eines ionosphärisch reflektierten Signals des gepeilten Senders und Berechnung des Standorts anhand eines gespeicherten Ionogramms, dadurch gekennzeichnet, daß auf Kommando im Peilempfänger eine Meßphase eingeleitet wird, während der nacheinander für mehrere bekannte Sender, deren Signalfrequenz und Senderentfernung in einem Speicher abgelegt sind,

• - der Peilempfänger auf die Signalfrequenz des bekannten Senders eingestellt wird,
• - der Elevationswinkel, unter dem das Signal dieses Senders am Ort des Peilempfängers einfällt, gemessen wird,
• - die virtuelle Höhe h _virt der reflektierenden Schicht und die Vertikalfrequenz f _vert der reflektierten Welle ermittelt und als Meßwert (h _virt , f _vert ) gespeichert werden,

daß nach Ablauf der Meßphase das gespeicherte Ionogramm und die Meßwerte auf einer gemeinsamen Bildschirmanzeige angezeigt werden,
daß über Bedienelemente eingegebene Korrekturwerte mit dem gespeicherten Ionogramm zu einem aktuellen Ionogramm verknüpft werden und dieses gespeichert wird, und daß die Standortbestimmung unbekannter Sender mit Hilfe des gespeicherten aktuellen Ionogramms vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturwerte in einem Prozessor automatisch aus dem gespeicherten Ionogramm und den Meßwerten berechnet werden.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Azimutwinkel als weitere Meßgröße ermittelt und gespeichert und das Ionogramm azimutabhängig korrigiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die bekannten Sender zusätzlich im Senderspeicher auch die Azimutwerte der Senderrichtungen und gegebenenfalls charakteristische Signaleigenschaften gespeichert sind, und daß in der Meßphase die bei der jeweils eingestellten Frequenz empfangenen Signale hinsichtlich ihrer Azimutwerte und Signaleigenschaften auf Übereinstimmung mit den zum jeweiligen Sender gespeicherten Daten überprüft werden, und daß bei fehlender Übereinstimmung die zugehörigen Meßwerte verworfen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die empfangenen Signale auf eventuell vorliegenden Mehrwellenempfang geprüft und bei Vorliegen von Mehrwellenempfang die zugehörigen Meßwerte verworfen werden.

4. Peilempfänger mit Einrichtungen zur Bestimmung der Senderentfernung einer empfangenen Welle aus dem Elevationswinkel der Einfallsrichtung der Welle und in Form eines Ionogramms gespeicherten Daten über reflektierende Ionosphärenschichten, gekennzeichnet durch
einen Senderspeicher, in welchem eine Mehrzahl bekannter Sender nach Signalfrequenz und Senderentfernung zum Peilempfänger gespeichert sind,
eine Ablaufsteuerung, welche auf ein Kommandosignal hin während einer Meßphase nacheinander für mehrere oder alle gespeicherten bekannten Sender den Peilempfänger auf die gespeicherte Frequenz einstellt und eine Peilung veranlaßt,
Recheneinrichtungen, die aus dem gemessenen Elevationswinkel und den Speicherwerten zu Senderentfernung und Signalfrequenz die virtuelle Höhe (h _virt ) der reflektierenden Schicht und die Vertikalfrequenz (f _vert ) für die jeweiligen Signale der bekannten Sender ermitteln,
einen Meßwertspeicher, in dem alle Meßwerte zu den in der Meßphase gepeilten Sendern als Wertepaare (h _virt , f _vert ) abgelegt sind,
eine Anzeigesteuerung zur Anzeige des gespeicherten Ionogramms und der Meßwerte auf einem Bildschirm,
Bedienelemente zur Eingabe von Korrekturwerten und eine mit den Bedienelementen und der Anzeigesteuerung verbundenen Korrektureinrichtung, welche aus dem angezeigten Ionogramm und den eingegebenen Korrekturwerten ein korrigiertes Ionogramm erzeugt und anstelle des vorherigen speichert und auf dem Bildschirm zur Anzeige bringt.