DE102004017715A1 - Peilverfahren mit FFT-Breitbandpeilsensorik - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hochauflösendes Peilverfahren, mit folgenden Verfahrensschritten: DOLLAR A - Empfang des Signalgemischs mit mehreren parallelen Breitbandpeilempfängern, DOLLAR A - spektrale Zerlegung des breitbandigen Empfangssignals in schmalbandige FFT-Kanäle in den einzelnen Breitbandpeilempfängern, DOLLAR A - in einer ersten Verarbeitungsstufe Prüfung der einzelnen FFT-Kanäle auf Mehrwelleneinfall und Peilwertberechnung für diejenigen FFT-Kanäle, in denen Einwelleneinfall vorliegt, DOLLAR A - in einer nachfolgenden Verarbeitungsstufe Peilwertberechnung für diejenigen FFT-Kanäle, für die Mehrwelleneinfall detektiert wurde, unter Anwendung hochauflösender Peilverfahren.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Peilverfahren mit FFT-Breitbandpeilsensorik. Betrachtet werden FFT-basierte moderne Vielkanalpeilsysteme mit einer Mehrzahl n (typische Werte für n: 3 bis 5) paralleler FFT-basierter Breitbandpeilempfängern. In jedem Peilempfänger wird das breitbandige Empfangssignal mittels FFT-Filterbank in schmalbandige FFT-Kanäle zerlegt. Das System berechnet aus den Daten der n Peilempfänger für alle FFT-Kanäle parallel und schritthaltend Peilwerte. Die Peilwertberechnung erfolgt nach herkömmlichen Verfahren z.B. Interferometrie oder Watson-Watt. Diese Verfahren liefern pro FFT-Kanal, in dem Signalenergie empfangen wird, ein Peilergebnis. Mit wachsenden Simultanbandbreiten und unverändert hohen Anforderungen an die FFT-Auflösung sind hierzu mit steigender Tendenz hohe Prozessleistungen erforderlich. Dabei entspricht die erforderliche Rechenleistung in jedem FFT-Kanal der eines herkömmlichen schmalbandigen Peilsystems.
• Die angewendeten Peilwertberechnungsverfahren sind unzureichend, wenn sich mehrere Wellen unterschiedlicher Einfallsrichtungen am Empfangsort spektral überlagern und eine Trennung durch Filterung in Frequenz und Zeit nicht möglich ist. Dies tritt in verschiedenen Anwendungsbereichen (z.B. luftgestützte Erfassung mit stark erweitertem Radiohorizont, Erfassung in der Kurzwelle oder Erfassung zellularer Netze) in Form von Gleichkanalüberlagerung mehrerer Emitter oder von Mehrwegeausbreitung auf.
• In solchen Fällen spektraler Überdeckung können mittels so genannter hochauflösender Verfahren (im folgenden auch mit HA abgekürzt, im Englischen allgemein als Superresolution bezeichnet) richtige Peilwerte für die einzelnen Wellen des Signalgemisches berechnet werden. Typischerweise liegt jedoch die hierfür benötigte Rechenleistung abhängig von Verfahren, Antennenarray und Signalszenario um den Faktor 10–100 höher als für die herkömmlichen Peilwertberechnungsverfahren. Als Hardware notwendig sind geeignete Antennenarrays und m gleichlaufende Empfangskanäle (FFT-basierte Breitbandpeilempfänger), mit denen die Signale der einzelnen Antennenelemente weiterverarbeitet werden. Hierbei handelt es sich um an sich bekannte Komponenten. Die Zahl m, die die Anzahl an Empfangszügen des hochauflösenden Systems bezeichnet, beträgt jedoch typisch 5–10 und ist somit höher als bei herkömmlichen FFT-Breitbandpeilern. Mit m Empfangszügen sind pro Frequenz bis zu m-1 Wellen parallel peilbar.
• Für einen Breitbandpeiler mit hoher Simultanbandbreite und vielen parallel zu behandelnden FFT-Kanälen ist die Anwendung hochauflösender Algorithmik aus Kosten- bzw. Ressourcengründen deshalb bislang nicht üblich.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Peilverfahren für FFT-basierte breitbandige Peilsensorik derart zu erweitern, dass auch in Fällen spektraler Überdeckung die Peilwerte der einzelnen Wellen des Signalgemischs zuverlässig ermittelt werden können, wobei die benötigte Prozessleistung im wesentlichen durch die bei den herkömmlichen FFT-Breitbandpeilverfahren genutzten Prozessressourcen aufgebracht werden kann.
• Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Die hier beschriebene Erfindung löst diese Aufgabe durch ein zweistufiges Peilverfahren, in das herkömmliche Peilalgorithmik und Superresolution eingebunden sind und welches Mehrwellenpeilfähigkeit mit adaptiv optimiertem Einsatz der benötigten Prozessleistung ermöglicht. Die Berechnungen beider Verfahrensstufen können auf denselben Rohdaten erfolgen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass an Hand eines Mehrwellendetektionsprozesses für jeden FFT-Kanal individuell entschieden wird, ob eine Peilwertberechnung mit einem rechenintensiven Superresolution-Verfahren erforderlich ist oder nicht. Die Auswahl an FFT-Kanälen, für die Superresolution angewandt wird, erfolgt somit adaptiv entsprechend der jeweiligen aktuellen Situation im Signalszenario. Für die übrigen FFT-Kanäle erfolgt die Berechnung der Peilergebnisse nach deutlich weniger rechenintensiven herkömmlichen Verfahren, wie z.B. die an sich bekannten interferometrischen Verfahren. Auf diese Weise kann die Superresolution-Technologie auch in Verbindung mit Breitbandsensorik effizient realisiert werden. Die erforderliche Prozessleistung bleibt relativ gering und liegt im Rahmen der herkömmlichen FFT-Breitbandpeilverfahren.
• Als Hardware notwendig sind geeignete Antennenarrays und gleichlaufende Empfangskanäle (FFT-basierte Breitbandpeilempfänger – bevorzugt 5 bis 10), mit denen die Signale der einzelnen Antennenelemente weiterverarbeitet werden. Hierbei handelt es sich um an sich bekannte Komponenten.
• Die erforderliche Prozessleistung zur Signalverarbeitung hängt u.a. vom verwendeten Antennenarray, von der eingesetzten Superresolution-Algorithmik und der Zahl der Empfangskanäle ab. Realistisch sind Rechenleistungen pro FFT-Kanal von ein bis zwei Größenordnungen über herkömmlicher Korrelationsinterferometrie, dem im V/UHF-Bereich am meisten verbreiteten Verfahren. Bei dynamischer Zuordnung der verfügbaren Signalverarbeitungs-Kapazität bedeutet dies z.B.: Die zur Berechnung von Peilergebnissen für 800 FFT-Kanäle in der ersten Stufe des Verfahrens erforderliche Prozessleistung wäre ausreichend zur Berechnung in 8–80 FFT-Kanälen der zweiten Stufe mit Superresolution-Verfahren.
• Vorteile der Erfindung
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere bei luftgestütztem Einsatz von Bedeutung. Dort ist die spektrale Belegungsdichte beim Empfang hoch. Der Radiohorizont ist stark erweitert, die Erfassungsreichweite ist entsprechend erhöht. In Folge davon treten jedoch Mehrfachbelegungen auf, die die abstandsfähige Erfassung insbesondere schwacher Signale verhindern, weil diese von stärkeren Signalen überdeckt werden. Die Fähigkeit zur Signaltrennung bei Mehrfachbelegung ist deshalb unverzichtbar, muss an Bord luftgestützter Plattformen aber mit beschränkter Prozessleistung erbracht werden können. Die Erfindung stellt hierzu ein geeignetes Verfahren zur Verfügung, die das beschriebene Ressourcenproblem hinsichtlich Prozessleistung löst.
• Die Erfindung ermöglicht den quasiparallelen Einsatz herkömmlicher und hochauflösender Verfahren unter Verwendung gemeinsam genutzter Hardware-Ressourcen. Beide Verfahren können mit denselben Abtastwerten der Antennensignale durchgeführt werden. Die Rohdaten werden hierzu zwischengespeichert. Neben der Ressourceneinsparung ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber separatem Breitband- und schmalbandigem Superresolution-System mit Kommandierung des Superresolution-Systems im Abhängebetrieb (Abhängebetrieb = sequentieller Betrieb zweier Systeme, bei dem das breitbandige System das schmalbandige einweist) darin zu sehen, dass kein zeitlicher Versatz mit Verlust des entsprechenden Signalabschnitts auftritt. Superresolution ist innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens als Zusatzfunktionalität rein softwaremäßig definiert.
• Die Funktionalität für jeden FFT-Kanal ist softwaremäßig definiert. Die dynamische Ressourcenzuordnung ermöglicht eine Anpassung an die jeweils aktuelle Erfassungssituation. Dadurch ist die Minimierung der erforderlichen Prozessleistung möglich.
• Die gesamte zweistufige Prozesskette ist automatisierbar.
• Überlagerte Signale werden nicht nur peilbar, sondern nach raumselektiver Filterung auch für die weitere Bearbeitung verfügbar; schwache, von stärkeren Signalen überdeckte Signale werden erfassbar.
• Die Erfindung wird anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die beiden Ablaufdiagramme gemäß 1 und 2 zeigen den erfindungsgemäßen Ablauf in der ersten Verarbeitungsstufe (1) und der nachfolgenden Verarbeitungsstufe (2) für jeden FFT-Kanal.
• Der Ablauf gemäß 1 stellt das Auswahlverfahren zur Ermittlung von FFT-Kanälen, die eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für Mehrwellenüberlagerung aufweisen, dar. Die in diesem Diagramm veranschaulichten Signalverarbeitungsschritte haben zum Ziel, den mit deutlich höherer erforderlicher Prozessleistung erfolgenden Ablauf gemäß dem Diagramm nach 2 nur für diejenigen FFT-Kanäle zu starten, die eine erhöhte Indikation für Mehrwelleneinfall aufweisen.
• Das Diagramm gemäß 1 beinhaltet Verarbeitungsschritte, die eine Erweiterung der herkömmlichen Korrelationsinterferometrie darstellen und insbesondere einen Algorithmus zur Erkennung von FFT-Kanälen mit Mehrwelleneinfall umfassen. Für diese Schritte wird nur vergleichsweise geringe Rechenleistung benötigt.
• Nach Durchlaufen der in diesem Diagramm dargestellten Rechenschritte liegen Peilergebnisse vor, die für FFT-Kanäle, in denen Einwelleneinfall sicher vorliegt, bereits das Endergebnis darstellen. Weiterhin liegt eine Liste mit FFT-Kanälen vor, in denen Mehrwelleneinfall wahrscheinlich ist und die deshalb weiter zu behandeln sind, und zwar gemäß dem in 2 dargestellten Ablauf.
• Zum Ablauf gemäß 1 im einzelnen: Als Rohdaten für die Berechnung von Peilwerten stehen die komplexen Antennenspannungen der einzelnen Antennenelemente zur Verfügung. Über FFT werden aus diesen breitbandigen Signalen die entsprechenden schmalbandigen Signale für jeden FFT-Kanal generiert. Sie bilden die Ausgangsdaten für das nachfolgend erläuterte schrittweise Vorgehen. Zunächst wird für jeden FFT-Kanal eine Belegungsprüfung durchgeführt. Der betrachtete Kanal wird als möglicher Kandidat für HA-Verfahren nur dann weiter betrachtet, wenn das SNR (signal-to-noise-ratio) über einem vorgegebenen Schwellwert liegt. Der Schwellwert leitet sich aus der Forderung ab, dass im Falle tatsächlich vorliegenden Mehrwelleneinfalls aus der weiteren HA-Signalverarbeitung eine hinreichend gute Qualität der Ergebnisse erreicht werden soll.
• Im weiteren geht es darum, eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für Mehrwelleneinfall in den einzelnen FFT-Kanälen (Mehrwellenindikation) zu erkennen. Hierzu sind verschiedene Verfahrensvarianten möglich. Als Beispiel wird eine Variante beschrieben, die Merkmale der Peilfunktion auswertet.
• Für als belegt detektierte FFT-Kanäle wird demgemäß die Korrelations- oder Beamforming-Peilfunktion berechnet. Dies geschieht mit an sich bekannten interferometrischen Verfahren.
• Aus der zu analysierenden Peilfunktion erhält man zum einen den Peilwert unter der Annahme, dass Einwelleneinfall vorliegt, zum andern werden aus der normierten Peilfunktion Indizien für Mehrwelleneinfall abgeleitet. Kennzeichnend für Mehrwelleneinfall sind eine Absenkung des maximalen Funktionswerts der Peilfunktion sowie eine Verringerung des Nebenkeulenabstands.
• Aus der Peilgüte kann allerdings dann nicht auf Mehrwelleneinfall rückgeschlossen werden, wenn eine Welle des Signalgemischs sehr viel stärker als alle anderen ist. Deshalb macht nicht nur die Einführung einer unteren Pegel- bzw. SNR-Schwelle Sinn, sondern auch einer oberen Pegelschwelle: Sind aus der Peilfunktion keine Anzeichen dafür ableitbar, dass Mehrwelleneinfall vorliegt, so kann das auch dadurch bedingt sein, dass eine sehr starke Welle die Einflüsse der schwächeren nicht mehr erkennen lässt. Solche Kanäle sind je nach Mission des Peilsystems prinzipiell ebenfalls Kandidaten für die weitere Berechnung nach 2 (Suche nach schwachen Signalen, die von stärkeren Signalen spektral überdeckt sind).
• Alle Kanäle, die nach den obigen Kriterien mit der aufwendigeren zweiten Verfahrensstufe (2) untersucht werden sollen, werden in eine HA-Auftragsliste eingetragen.
• Die rechenleistungsintensiven Verarbeitungsschritte der hochauflösenden Peilalgorithmik sind im Ablaufdiagramm gemäß 2 enthalten. Hinsichtlich der benötigten Rechenleistung steht dabei der Verarbeitungsblock hochauflösende Peilwertberechnung mit deutlichem Abstand an erster Stelle, an zweiter Stelle folgt die Anzahlschätzung mit Eigenwertzerlegung. Liegt Mehrwelleneinfall vor, dann stellt die Anzahlschätzung ein notwendig benötigtes Zwischenergebnis für die HA-Peilwertberechnung dar. Führt die Anzahlschätzung für einen FFT-Kanal dagegen zu der Aussage, dass die detektierte Energie nur von einer Welle stammt, wird die weitere Berechnung abgebrochen. In diesem Fall ist der Peilwert bereits gemäß dem Diagramm in 1 berechnet. Wäre dies in vielen FFT-Kanälen der Fall, dann würde eine verhältnismäßig hohe Rechenleistung benötigt, ohne dass Peilwerte mit hochauflösender Algorithmik berechnet werden. In Applikationen, in denen Rechenleistung in Folge Payloadbeschränkungen und/oder der Forderung schritthaltender Verarbeitung kritisch ist, ist eine möglichst strenge Konzentration der verfügbaren Rechenleistung auf FFT-Kanäle, in denen nur die HA-Peilwertberechnung zuverlässige Ergebnisse liefern kann, notwendig. Ziel der Verarbeitung nach 1 ist es deshalb, diesen Anteil möglichst hoch zu halten.
• Für jeden FFT-Kanal der HA-Auftragsliste wird eine Eigenwertzerlegung der Kovarianzmatrix durchgeführt und die Anzahl i der sich im jeweiligen FFT-Kanal überlagernden Wellen geschätzt. Für alle Kanäle, in denen i>1 bestätigt wird, wird dann die hochauflösende Peilwertberechnung durchgeführt. Die ermittelten Peilwerte erlauben anschließend je nach Auftragslage die Einweisung der Algorithmik für die raumselektive Filterung (Signal Copy) ausgewählter Emissionen. Es handelt sich dabei um ein digitales Beamforming, bei dem die Hauptkeule in Richtung des gewünschten Targetsignals ausgerichtet wird, während in Richtung der überlagerten Störsignale Nullstellen des Antennendiagramms ausgebildet werden. Nach erfolgter Signaltrennung stehen die raumgefilterten Signale dann zur Weiterverarbeitung (Klassifikation, Demodulation,...) zur Verfügung.

Claims (2)

1. Hochauflösendes Peilverfahren, mit folgenden Verfahrensschritten: – Empfang des breitbandigen Empfangssignals mit mehreren parallelen Breitbandpeilempfängern, – spektrale Zerlegung des breitbandigen Empfangssignals in schmalbandige FFT-Kanäle in den einzelnen Breitbandpeilempfängern, – in einer ersten Verarbeitungsstufe Prüfung der einzelnen FFT-Kanäle auf Mehrwelleneinfall und Peilwertberechnung für diejenigen FFT-Kanäle, in denen Einwelleneinfall vorliegt, – in einer nachfolgenden Verarbeitungsstufe erfolgt die Peilwertberechnung für diejenigen FFT-Kanäle, für die Mehrwelleneinfall detektiert wurde, unter Anwendung hochauflösender Peilverfahren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Verarbeitungsstufen zur Peilwertbestimmung auf dieselben Signalrohdaten zurückgegriffen wird.