DE102013013123A1

DE102013013123A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ortung von Funksignalen mittels Doppler-Effekt an Bord von fliegenden Plattformen

Info

Publication number: DE102013013123A1
Application number: DE102013013123.5A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Henkel
Original assignee: Henkel Sematronic Ug (haftungsbeschrankt); HENKEL SEMATRONIC UG HAFTUNGSBESCHRANKT
Current assignee: Henkel Sematronic Ug (haftungsbeschrankt); HENKEL SEMATRONIC UG HAFTUNGSBESCHRANKT
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: DE102013013123B4

Abstract

Die Erfindung ermöglicht, dass mit einer geringen Nutzlast von ca. 10 kg eine passive Funkortung auch mittels einer kleinen fliegenden Plattform erreicht werden kann. Des Weiteren sollen auch neue Eigenschaften, insbesondere aus operationeller Sicht, offenbart werden, die mit den bisherigen, konventionellen Verfahren nicht möglich sind. Die Erfindung weist folgende Eigenschaften auf: • Es wird ein systemspezifisches Vorwissen für die Ortung von unbekannten Funkstationen genutzt. • Es ist keine Kalibrierung vor oder während einer Mission von Amplitude, Phase, Frequenz oder Zeit erforderlich. • Die Peilungen sind unabhängig vom Elevationswinkel von 0 bis 80 Grad. • Bei einem unbekannten Elevationswinkel zwischen 15 und 80 Grad kann eine Ortung von Funkstationen aus nur einer Kurzzeitaussendung erfolgen. • Aus nur einer Kurzzeitaussendung kann die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit von einer bewegten Funkstation ermittelt werden. • Eine Wegstrecke von bewegten Funkstationen kann aus wenigstens zwei Kurzzeitaussendungen von Funkstationen bereits ermittelt werden. • Bei der Ortung von Funknetzen mit gleichen Frequenzen entstehen keine Phantom-Ortungen. • Durch die freie Wahl der Geschwindigkeit einer virtuellen Antennenbewegung kann die Erkennung von örtlich benachbarten Emittern verbessert werden bei konstanter Antennenbasis. Die Verwendbarkeit bezieht sich auf Sicherheitsdienste im zivilen und militärischen Bereich. Die Zeichnung Nr. 7 verdeutlicht das Merkmal der Funkortung anhand von Doppler-Charakteristiken von Emittern mit Zuordnung zu Rasterfeldern in einem Interessengebiet mit unbekannten Emittern.

Description

1 Bezeichnung
Vorrichtung und Verfahren zur Ortung von Funksignalen mittels Doppler-Effekt an Bord von fliegenden Plattformen.
2 Beschreibung
2.1 Stand der Technik:
Fliegende Plattformen können zur Peilung von Funkstationen mit Peileinrichtungen ausgerüstet werden, die ein entsprechendes Peilantennensystem mit Auswertung an Bord erfordern. Diese Peilantennensysteme haben die Eigenschaften, dass die räumliche Anordnung der Einzelantennen so erfolgen muss, dass keine Mehrdeutigkeiten in der Peilung auftreten; durch die zulässigen räumlichen Abstände der Einzelantennen untereinander wird die maximale Empfangsfrequenz u. a. festgelegt.
Flugversuche mit solchen Peilantennen haben gezeigt, dass insbesondere Signale mit Einfallsrichtungen, die seitlich zur Flugrichtung empfangen werden mit beachtlichen Peilfehlern behaftet sein können. Die Ursachen hierfür sind die komplexen Empfangsbedingungen an Bord von größeren fliegenden Plattformen. Es werden inhomogen/unterschiedliche Empfangssignale an den Einzelantennen der Peilantenne empfangen, die dann bei der Auswertung zu Phasen-/Amplituden-Fehlern führen. Der Idealzustand, dass sich eine Peilantenne, bestehend aus mehreren Einzelantennen, in einem homogenen Empfangsfeld befindet, ist an einer fliegenden Plattform in der Regel nicht gegeben. Die bisher eingesetzten unterschiedlichen Peilverfahren an Bord von fliegenden Plattformen zeigen im wesentlichen die oben genannten Peilfehler. Mit Hilfe einer aufwendigen Kalibrierung lassen sich zwar Verbesserungen in der Genauigkeit erreichen; dies gilt aber nur für einen bestimmten Elevations- bzw. Vertikalwinkel einer einfallenden Welle. In der Praxis ist der einfallende Elevationswinkel aber nicht hinreichend bekannt und damit hilft die Kalibrierung nur mit Einschränkungen.
Die Bestimmung des Elevationswinkels von einfallenden Empfangssignalen ist insbesondere bei Peilern auf fliegenden Plattformen zur Zeit noch nicht zufriedenstellend gelöst, da der Streubereich für die zu ermittelnde Elevation noch viel zu hoch ist, um sie für eine Unterstützung zur Ortung heranzuziehen.
Die seitlich einfallenden Empfangssignale, bezogen auf die Flugrichtung, haben aus technischer und operationeller Sicht eine wichtige Bedeutung, da mit diesen Empfangssignalen insbesondere dann zu rechnen ist, wenn ein Vorbeiflug an einem Interessengebiet erfolgt.
Die bisher bekannten Ortungsverfahren benötigen einen beachtlichen Aufwand, um sog. „Geisterortungen”, die aus den Schnittpunkten von nicht relevanten Peilungen, insbesondere in der Umgebung der tatsächlichen Standorte, entstehen, zu beseitigen.
Der Aufbau von bislang erprobten Peileinrichtungen an Bord von fliegenden Plattformen zeigt ein beachtliches Gewicht für die Peilantenne und für die nachfolgenden Geräte zur Auswertung. Für Anwendungen, die eine Überwachung des Funkgeschehens einschließlich der Richtungsbestimmung und Ortung aufweisen sollen, sind bisher nur größere fliegende Plattformen im Einsatz, die einen entsprechend hohen Anschaffungspreis erfordern, einen hohen Unterhaltungsaufwand benötigen und eine geeignete Infrastruktur erfordern, um den Betrieb überhaupt zu ermöglichen.
2.2 Aufgabe und Zielsetzung
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf einer einzelnen, kleinen, fliegenden, unbemannten Plattform mit einer zulässigen Nutzlast von max. 10 kg eine funktechnische Signal-Überwachung einschließlich einer Richtungsbestimmung und Ortung von Empfangssignalen zu ermöglichen. Der Anschaffungspreis und die Unterhaltungskosten sollen signifikant niedriger sein im Vergleich zu größeren Plattformen. Die Infrastruktur zum Start und zur Landung der fliegenden Plattform soll keine konventionelle Start- bzw. Landebahn erfordern; die kleine fliegende Plattform soll z. B. auch an Bord eines Schiffes oder mit einer einfachen Vorrichtung an Land starten und auch landen können.
Die Vorrichtung und das Verfahren ist für den Einsatz von fliegenden Plattformen gedacht, die mit unterschiedlichen Flughöhen entsprechende funktechnische Reichweiten erzielen sollen. Es sollen Funksignale überwacht und die Standorte der Funkstationen ermittelt werden.
Die Vorrichtung und das Verfahren sind darauf ausgerichtet, die Einfallsrichtung der empfangenen Funkstation und deren Standort mit einem einfachen Antennensystem und einer nachfolgenden Auswertung zu ermitteln.
Die Ermittlung des Standortes zu den betreffenden Funkstationen soll den operationellen und technischen Anforderungen derart angepasst werden, dass insbesondere die seitlichen Einfallsrichtungen bevorzugt erfasst und bestimmt werden.
Die grundsätzliche Mehrdeutigkeit des Doppler-Effektes, die beim Empfang von Funkwellen mit überlagerten Doppler-Frequenzen auftritt, soll durch eine wählbare Flugroute mit einem geeigneten Bewertungsalgorithmus beseitigt werden.
Eine weitere Zielsetzung für die Vorrichtung und das Verfahren besteht darin, dass bei der Ortung der Funkstationen die oben genannten „Geisterortungen” durch besondere Maßnahmen beseitigt werden.
Zusätzlich soll die Vorrichtung und das Verfahren die Eigenschaft erhalten, dass Reflexionen, die von der Seite einfallen, nur einen geringen Einfluss auf das Ergebnis verursachen.
Weiterhin sollen die Vorrichtung und das Verfahren eine Güte zur Richtungsbestimmung/Ortung liefern, die abgeleitet werden soll aus den Eigenschaften der Vorrichtung und des Verfahrens.
Die individuelle Offset-Frequenz, verursacht durch jede Funkstation, muss von den Dopplerfrequenzen getrennt werden, um eine sinnvolle Auswertung der Dopplerfrequenzen zu ermöglichen. Dies tritt insbesondere dann in Erscheinung, wenn es sich um ein Funknetz mit gleichen Frequenzen handelt; in diesem Fall weist jede Funkstation in der Praxis eine unterschiedliche Offset-Frequenz auf.
2.3 Unterstützende Erläuterungen zu den Ansprüchen
2.3.1 Verfahren zur Ortung einer oder mehrerer Funkstationen an Bord einer fliegenden Plattform, umfassend:

• Vorgeben einer Flugroute; – die Flugroute zu einem Interessengebiet kann geradlinig, scherenförmig oder kreisförmig gemäß Zeichnung 1 gewählt werden. Die Auswahl einer Flugroute richtet sich nach der Ausprägung eines Interessengebietes. Eine Flugroute kann auch aus mehreren kreisförmigen Abschnitten bestehen, die abwechselnd konvex oder konkav ausgeprägt sein können.
• Vorgeben zumindest eines Interessengebietes; – ein oder mehrere Interessensgebiete sind in Übereinstimmung mit dem Auftrag festzulegen. Die Ergebnisse können dann eindeutig diesem Gebiet zugeordnet werden und benachbarte Regionen können ausgeschlossen werden, um gegebenenfalls eine Datenreduktion zu erreichen.
• Einteilen des zumindest einen Interessengebietes in eine Vielzahl von Rasterfeldern; – Die Erfindung zielt u. a. darauf, dass durch das Einteilen des Interessengebietes in eine Vielzahl von Rasterfeldern im Zusammenhang mit berechneten Referenzwerten ein Vorwissen aufgebaut wird, das vorteilhaft bei der Auswertung von Dopplercharakteristiken genutzt werden kann.
• Berechnen von zumindest einer Dopplercharakteristik für jedes der Rasterfelder; – Eine Dopplercharakteristik im Sinne der Erfindung kann aus einer Vielzahl von Dopplerfrequenzen als Funktion des Flugweges bestehen. Alternativ kann eine Dopplercharakteristik auch zu jeder Dopplerfrequenz einen zugehörigen Gradienten umfassen. Eine berechnete Dopplercharakteristik besteht also aus einer Vielzahl von berechneten Referenzwerten (Dopplerfrequenz-Referenzwerte oder Dopplerfrequenz-Referenzwerte einschließlich zugehöriger Gradienten-Referenzwerte).
• Empfangen von Funksignalen der einen oder mehreren Funkstationen mittels einer Antenneneinrichtung an Bord der fliegenden Plattform, wobei jeweils die Frequenz der empfangenen Funksignale eine Dopplerfrequenz in Folge der Bewegung der Antenneneinrichtung relativ zu der einen oder mehreren Funkstationen beinhaltet, wobei die Dopplerfrequenz durch die momentane Position auf der Flugroute bestimmt ist;
• Messen zumindest einer Dopplercharakteristik für jedes der empfangenen Funksignale aus der Geschwindigkeit der Antenneneinrichtung, welche elektronisch bewegt wird; – Das Messen einer Dopplercharakteristik umfasst das Messen von einer oder mehrerer Dopplerfrequenzen in Abhängigkeit des Flugweges. Durch eine schnelle elektronisch bewegte Antenne erfolgt ein verstärkter Dopplereffekt, der die Auswertung der Dopplerfrequenz erleichtert. Die Ermittlung der Dopplerfequenz an Bord erfolgt gleichzeitig in zwei Ausprägungen: – Die Dopplerfrequenz für die Peilung und Ortung wird mittels eines Kompensationsverfahren unabhängig von Signaleigenschaften wie Frequenzablagen und Modulationen, sowie Dopplerfrequenzen aus der Bewegung der Plattform als auch von bewegten Funkstationen ermittelt, und ist dadurch nur mehr von der elektronischen Antennenbewegung abhängig. – Die Bewertung der Dopplerfrequenz zur Bestimmung, ob sich eine Funkstation bewegt, einschließlich ihrer zugehörigen Bewegungsrichtung, wird ohne das Kompensationsverfahren ermittelt.
• Eindeutiges Orten der einen oder mehreren Funkstationen durch Identifizieren des jeweils zugehörigen Rasterfeldes auf Basis der berechneten Referenzwerte; – das eindeutige Orten durch Identifizieren eines zugehörigen Rasterfeldes auf Basis der berechneten Referenzwerte beruht darauf, dass ein Vorwissen genutzt wird, das den Zusammenhang zwischen einer Flugroute, einem Interessengebiet und einer Dopplercharakteristik kennt. Das Interessengebiet wird in Rasterfelder aufgeteilt. Jedes Rasterfeld weist eine ortsspezifische Dopplercharakteristik auf mit einem Bezug zur Flugroute. Diese Dopplercharakteristik wird aus berechneten Einzelwerten aus einer wählbaren Anzahl von Flugpunkten gebildet, die für einen Vergleich mit gemessenen Werten als Referenzwerte dienen. Aus diesem Vergleich kann somit dasjenige Rasterfeld aus der Vielzahl der vorgegebenen Rasterfelder ermittelt werden, in welchem sich die zu ortende Funkstation befindet. Der Vergleich erfolgt vorzugsweise auf Basis eines vorgegebenen Toleranzbereiches. Stimmt die zumindest eine gemessene Dopplercharakteristik mit einer berechneten Dopplercharakteristik innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereiches überein, so kann das zu der berechneten Dopplercharakteristik zugehörige Rasterfeld als dasjenige Rasterfeld identifiziert werden, in dem sich die Funkstation befindet.

2.3.2 Das Berechnen von Dopplercharakteristiken umfasst Dopplerfrequenz-Referenzwerte, wobei das Messen einer Dopplerfrequenzcharakteristik für jedes der empfangenen Funksignale mehrere Dopplerfrequenzen umfasst, und wobei das Identifizieren des jeweils zugehörigen Rasterfeldes ein Vergleichen der gemessenen Dopplerfrequenzen mit den berechneten Dopplerfrequenz-Referenzwerten umfasst.
Es werden für eine Funkstation mehrere, z. B. drei Aussendungen empfangen; hiefür werden die Dopplerfrequenzen mittels einer Empfangseinrichtung gemessen und mit den Dopplerfrequenz-Referenzwerten mit allen Rasterfeldern verglichen. Dasjenige Rasterfeld, das eine Übereinstimmung mit den gemessenen Dopplerfrequenzen einschließlich eines definierten Toleranzfeldes aufweist, zeigt den Standort der Funkstation auf.
2.3.3 Das Berechnen von Dopplercharakteristiken umfasst Dopplerfrequenz-Referenzwerte und zugehörige Gradienten-Referenzwerte; das Messen von Dopplercharakteristiken umfasst Dopplerfrequenzen mit zugehörigen Gradienten, wobei das Identifizieren des jeweiligen Rasterfeldes ein Vergleichen von gemessenen Werten mit den Referenzwerten darstellt.
Die Ortung von Funkstationen in einem definierten Interessengebiet kann durch das Identifizieren eines Rasterfeldes mittels einer Aussendung von einer Funkstation erfolgen. Die Rasterfelder enthalten Dopplerfrequenzen und zugehörige Gradienten für ortsspezifische Dopplercharakteristiken. Der Vergleich zwischen gemessenen Dopplerfrequenzen mit Gradienten und Referenzwerten ergibt den Standort von Funkstationen. Der zugehörige Gradient zu einer Dopplerfrequenz ist so zu verstehen, dass dieser die Steigung der Doppler-Charakteristik bei der betreffenden Dopplerfrequenz darstellt. Siehe hierzu auch Zeichnung 7.
2.3.4 Bewerten der Dopplerfrequenz in- und entgegen der Flugrichtung oder senkrecht zur Flugrichtung zur Erkennung der Bewegung und der Bewegungsrichtung einer bewegten Funkstation
Durch die unterschiedlichen Bewegungsrichtungen der Antenneneinrichtung kann die Bewegung und die Bewegungsrichtung einer Funkstation erkannt werden, aufgrund der dadurch unterschiedlichen Betrage der Dopplerfrequenz pro Bewegungsrichtung. Die Auswertung dafür erfolgt am Ausgang des ersten Mischers (30), wobei die gemessenen Betrage der Dopplerfrequenzen für die entgegen gesetzten Antennenbewegungen durch eine Subtraktion den Anteil einer Dopplerfrequenz zeigen, der eine Bewegung ausweist und die Bewegungsrichtung durch das Vorzeichen erkennen lasst. Zum Vergleich ergibt eine stationäre Funkstation für beide Antennenbewegungen den gleichen Betrag für die Dopplerfrequenz jedoch mit unterschiedlichen Vorzeichen.
2.3.5 Ortung mit Berücksichtigung des Einflusses von unbekannten Elevationswinkeln.
Die Dopplercharakteristiken für die Rasterfelder im Interessengebiet sind auch von den Elevationswinkeln der Empfangssignale abhängig; diese Dopplercharakteristiken werden beim Flug gemessen, ohne die zugehörigen Elevationswinkel der empfangenen Signale zu kennen.
Um einen möglichen Fehler der Ortung durch den Einfluss des unbekannten Elevationswinkels zu vermeiden, erfolgt das Berechnen von zumindest einer Dopplercharakteristik für jedes der Rasterfelder vorteilhafterweise als Funktion des Elevationswinkels.
Mit anderen Worten wird der unbekannte Elevationswinkel durch folgende Schritte berücksichtigt:

• Für alle Rasterfelder eines Interessengebietes werden die Dopplercharakteristiken in Abhängigkeit der für die fliegende Plattform vorgesehenen Flughöhen berechnet, so dass damit für jeden Flugpunkt auf der Flugroute auch der Elevationswinkel in den berechneten Dopplercharakteristiken berücksichtigt ist. Die berechneten Dopplercharakteristiken enthalten also die tatsächlichen Elevationswinkel, die bei einer Funkstation im Interessengebiet auftreten können.
• Messen von Dopplercharakteristiken an Bord. – Bei der Messung an Bord mit unbekannten Elevationswinkeln zeigen sich Dopplercharakteristiken, die vom jeweiligen Cosinus des Elevationswinkels beeinflusst werden.
• Ermitteln von Standorten von Funkstationen durch Vergleichen von gemessenen und berechneten Dopplercharakteristiken, wobei bei Übereinstimmungen mit vorgegebenen Toleranzbereichen die berechneten Dopplercharakteristiken die Standorte darstellen, die nicht mehr vom Elevationswinkel beeinflusst sind. – Bei den berechneten Dopplercharakteristiken für jedes Rasterfeld sind alle Parameter bekannt, sodass sich die zugehörigen Dopplercharakteristiken berechnen lassen. Bei Übereinstimmung mit einer gemessenen Dopplercharakteristik (innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs) zeigt sich deshalb der Standort einer Funkstation.

2.3.6 Flugrouten
Die vorgegebene Flugroute umfasst vorzugsweise eine gerade Flugroute oder eine scherenförmige Flugroute oder eine Flugroute, welche aus kreisförmigen Abschnitten zusammengesetzt ist. Eine Flugroute, welche aus kreisförmigen Abschnitten zusammengesetzt ist, kann auch als schlangenförmige Flugroute bezeichnet werden.
2.3.7 Zwei bevorzugte Azimutsektoren mit Bezug zur Längsachse der Plattform oder senkrecht dazu.
Durch eine Änderung der Bezugsrichtung mit Antennenbewegung in- oder quer zur Langsachse der Plattform ändern sich auch die bevorzugten Azimutsektoren. Durch das Umschalten der Bezugsrichtung mit zugehöriger Antennenbewegung ergibt sich eine hohe Güte für die Peilung und Ortung in allen Azimutsektoren.
2.3.8 Vorrichtung zur Ortung einer oder mehrerer Funkstationen an Bord einer fliegenden Plattform
Gemäß eines weiteren Aspektes betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ortung einer oder mehrerer Funkstationen an Bord einer fliegenden Plattform. Die Vorrichtung umfasst:
eine Kontrolleinrichtung zur Steuerung der fliegenden Plattform entlang einer vorgegebenen Flugroute;
eine elektronisch bewegte Antenneneinrichtung zum Empfangen von Funksignalen der einen oder mehreren Funkstationen;
eine Steuerelektronik zur Aufbereitung der Funksignale sowie von Steuersignalen zum Steuern der Antenneneinrichtung;
eine Empfangseinrichtung zur Aufbereitung der Dopplerfrequenz;
eine Speichereinrichtung zum Abspeichern von berechneten Referenzwerten für eine Vielzahl von Rasterfeldern, in die zumindest ein vorgegebenes Interessensgebiet eingeteilt ist;
eine Messeinrichtung zum Messen zumindest einer Dopplerfrequenz für jedes der empfangenen Funksignale aus der Geschwindigkeit der elektronisch bewegten Antenneneinrichtung;
eine Auswerteeinrichtung zum eindeutigen Orten der einen oder mehreren Funkstationen durch Identifizieren des jeweils zugehörigen Rasterfeldes auf Basis der abgespeicherten Referenzwerte.
2.3.9 Einzelheiten zur Vorrichtung für die Ortung von einer oder mehrerer Funkstationen an Bord einer fliegenden Plattform
Die elektronisch bewegte Antenneneinrichtung umfasst vorteilhafterweise zwei Antennen, welche elektronisch gesteuert werden. Die Empfangseinrichtung umfasst vorteilhafterweise zwei Empfänger zur Umsetzung der Funksignale in digitale Zwischenfrequenzsignale (ZF), eine Anordnung von zwei Mischern mit einem Oszillator zur Aufbereitung der Dopplerfrequenzen, wodurch die Vorrichtung die Beseitigung von Offset-Frequenzen von den Funkstationen und den Empfängern der Plattform, sowie eine umgebungsabhängige Frequenzdrift von den Funkstationen, außerdem die Signalanteile der Modulation von den Funkstationen und weiterhin die Dopplerfrequenz-Anteile, die nur durch die Fluggeschwindigkeit bzw. durch die Bewegung einer Funkstation entstehen, ermöglicht. Dabei kann folgende Methode zum Einsatz kommen:

– Erzeugung eines Differenz-Mischproduktes am Ausgang des Mischers 30 durch Subtraktion der Oszillatorfrequenz 32 von der ZF des ersten Empfängers 28;
– Erzeugung eines Differenz-Mischproduktes am Ausgang des Mischers 31 durch Subtraktion des Differenz-Mischproduktes des Mischers 30 von der ZF des zweiten Empfängers 29.

2.4 Detaillierte Beschreibung anhand von Zeichnungen
2.4.1 Vorbemerkung
Der Empfang eines Funksignals an Bord einer fliegenden Plattform wird u. a. auch durch die Geschwindigkeit der Antenneneinrichtung mit einem Doppler-Effekt überlagert. Die Richtungsbestimmung für ein Funksignal an Bord einer fliegenden Plattform wird durch eine Auswertung einer spezifischen Dopplercharakteristik ermittelt. Der Standort einer gesuchten Funkstation wird vorzugsweise durch einen Vergleich zwischen gemessenen und berechneten Dopplercharakteristiken ermittelt. Bei der Ortung von Funksignalen wird ein systemspezifisches Vorwissen derart benutzt, dass eine orts-spezifische Dopplercharakteristik Aufschluss über den Standort einer sendenden Funkstation liefert. Dies wird in Form von orts-spezifischen Referenzwerten umgesetzt. Ein Vergleich zwischen gemessenen und berechneten Dopplercharakteristiken ergibt die Ortungen. Aus bereits einer Aussendung von einer Funkstation kann eine Ortung in einem Interessengebiet erfolgen. Das Verfahren ermöglicht innerhalb eines Interessengebietes auch dann eine eindeutige Ortung von Funkstationen, wenn diese hintereinander liegen!
Hinweis:
Die Auswertung der an Bord vorliegenden Dopplerfrequenz zur Richtungsbestimmung des empfangenen Signals verlauft völlig anders als beim bekannten Dopplerpeiler. Der Dopplerpeiler erzeugt seine Dopplerfrequenz selbst, indem er ein Antennenarray mechanisch oder elektronisch abtastet und durch die Geschwindigkeit des abgetasteten Antennenarrays zu einer konstanten Dopplerfrequenz gelangt, die im Vergleich zu einem Bezugssignal mit der gleichen Frequenz so ausgewertet wird, dass bei Einfall eines Empfangssignals aus der Phasendifferenz zwischen dem Dopplersignal und dem Bezugssignal dann die Einfallsrichtung dieses Empfangssignals bestimmt werden kann; es handelt sich also um eine Phasenauswertung.
Bei der erfindungsgemäßen Auswertung der Dopplerfrequenz an Bord handelt es sich dagegen um eine Dopplerfrequenz, deren Wert von der momentanen Position der fliegenden Plattform und damit von der sich ändernden Relativgeschwindigkeit zur Funkstation abhängt. Der momentane Wert der Dopplerfrequenz an verschiedenen Positionen des Flugweges ermöglicht die Auswertung der Einfallsrichtung der Funksignale in Bezug zur Längsachse oder auch quer zur Flugrichtung der fliegenden Plattform; es handelt sich also um eine Frequenzauswertung. Zur Frequenzauswertung kann noch die Änderung der Dopplercharakteristik in Betracht kommen.
2.4.2 Übergreifende Erläuterung zur Ortung von Funksignalen mittels Peilungen an Bord einer fliegenden Plattform
Die Zeichnung 1 stellt schematisch die Peilung/Ortung von Funksignalen an Bord einer fliegenden Plattform für z. B. ein Interessengebiet 1 mit der Funkstation A dar. Die Funkstation A sendet zu unterschiedlichen Zeiten beispielhaft Funksprüche aus, die jeweils an den Positionen A1, A2 und A3 der wählbaren Flugrouten – geradlinig 2, scherenförmig 3 oder kreisförmig 4 – empfangen werden. Es kann beispielhaft eine aus den drei dargestellten Flugrouten gewählt werden. Die Funkstationen B und C sind die Partnerstationen von A in einem Funknetz; zur grundsätzlichen Erläuterung soll nur die Funkstation A mit ihrem Standort betrachtet werden.
Die Verbindungslinien von A nach B und von A nach C sollen die Funkverbindungen zwischen diesen Stationen andeuten.
Die drei beispielhaften Flugrouten enthalten jeweils drei Positionen A1, A2 und A3 auf ihrem Flugweg, bei denen die Plattform die Funksprüche von Funkstation A empfängt.
Die Art der Flugroute mit ihren Daten wird nach den örtlichen Verhältnissen festgelegt.
Für das skizzierte Interessengebiet 1 kann beispielsweise eine „scherenförmige” Flugroute 3 in Betracht kommen; sie ermöglicht geeignete Schnittwinkel für die Ortung bei geeignetem Abstand zum Interessengebiet. Die „scherenförmige” Flugroute 3 wird durch einen Öffnungswinkel 5 und eine wählbare Segmentlänge 6 festgelegt.
Zeichnung 2 zeigt die reellen Ortungen mit Streubereich 7 von Funkstation A, entsprechend den Toleranzen der Peilungen. Die reellen Funkstationen können zu beiden Seiten der scherenförmigen Flugroute eindeutig identifiziert werden durch den Vergleich der Streubereiche. Die falschen Ortungen weisen einen signifikant größeren Streubereich 8 auf, und können dadurch als solche erkannt und eliminiert werden. Der Öffnungswinkel 5 (Zeichnung 1) bei der „scherenförmigen” Flugroute beeinflusst die Streubreite für die „Geisterortungen”, dargestellt in Zeichnung 2. „Geisterortungen” sind scheinbare, nicht existierende Standorte von Funkstationen; sie entstehen aus Schnittpunkten von Peillinien aus zweideutigen Peilungen oder aus Peillinien von nicht zusammengehörigen Peilungen.
Die kreisförmige Flugroute 4 ist mit der konkaven Seite dem Interessengebiet zugewandt. Gemäß Zeichnung 1 kann der Mittelpunkt der kreisförmigen Flugroute beispielhaft in seiner Lage hinter dem Interessengebiet liegen mit einem Radius, der z. B. die doppelte Tiefe des Interessengebietes aufweist. Bei geeignetem Abstand der kreisförmigen Flugroute zum Interessengebiet werden ausreichend günstige Schnittwinkel für alle Ortungspunkte innerhalb des Interessengebietes erreicht, da dann annähernd ein seitlicher Empfang für den gesamten Flugweg entsteht. Diese Flugroute kann als vorteilhaft gelten, da sie zusätzlich eine kontinuierliche Änderung in der Flugrichtung darstellt; dies ist von Vorteil, wenn wenige Aussendungen empfangen werden und diese in relativ kurzer Zeitfolge aufeinander folgen.
Die Eindeutigkeit der Ortungen wird dadurch sichergestellt, dass für die reellen Ortungen, d. h. für die tatsächlich existierenden Funkstationen ein kleiner Streubereich, entsprechend den Toleranzen der Peilungen, auftreten wird. Die falschen Ortungen, also die „Geisterortungen”, weisen einen signifikant größeren Streubereich auf, und können dadurch als solche erkannt und eliminiert werden.
Die geradlinige Flugroute 2 kann dann gewählt werden, wenn zweifelsfrei feststeht, dass die gesuchten Funkstationen sich nur im skizzierten Interessengebiet befinden. Aufgrund dieser Plausibilität sind dann nur die Ortungen innerhalb des Interessengebietes relevant.
2.4.3 Bevorzugte Peilung und Ortung bei seitlichen Einfallswinkeln
Die Ortung von Funksignalen soll nur mit einer fliegenden Plattform erfolgen. Die Ortung von Funkstationen kann durch „Versegelung” oder durch Vergleich von Messwerten mit berechneten Referenzwerten erfolgen.
Bei der Versegelung werden Peilungen von verschiedenen Positionen auf dem Flugweg zu verschiedenen Zeiten verwendet. Der Flugweg stellt gewissermaßen die Peilbasis für das Interessengebiet dar. Aus der Sicht der Geometrie ist es deshalb nahe liegend, dass nur geeignete Einfallswinkel zu günstigen Schnittwinkeln für die Ortung führen. Dies wird durch die seitlichen Einfallswinkel zwischen 20° und 160° bzw. 200° und 340° wesentlich besser erfüllt im Gegensatz zu jenen Einfallswinkeln, die außerhalb dieser Bereiche liegen (schleifende Winkel). Die Plattformlängsachse ist der Bezug für diese Einfallswinkel. Wenn der Bezug senkrecht zur Längsachse gewählt wird liegen die bevorzugten Einfallswinkel zwischen 70° bis 290° und 110° bis 250°.
Beim Vergleich von Dopplerfrequenzen mit berechneten Dopplercharakteristiken als Referenzwerte erfolgt eine direkte Ortung ohne Versegelungspeilung! Es werden z. B. drei gemessene Dopplerfrequenzen mit berechneten Doppler-Charakteristiken verglichen.
Alternativ können gemessene Dopplerfrequenzen mit zugehörigen Gradienten verglichen werden mit berechneten, standortspezifischen Dopplerfrequenzen und deren Gradienten (Doppler-Charakteristik).
2.4.4 Erläuterung zur eindeutigen Ortung aus zweideutigen Dopplerfrequenzen
Eine eindeutige Ortung aus zweideutigen Dopplerfrequenzen wird an Bord von fliegenden Plattformen dadurch erreicht, dass Interessengebiete und zugehörige Flugrouten hierfür vorgesehen werden.
Zeichnung 2 zeigt beispielhaft eine Art „scherenförmige” Flugroute 3 zur Überwachung des Interessengebietes 1. Der Standort für die Funkstation A wird berechnet aus den gekennzeichneten Peilungen A10, A20, A30 und A40 mittels Versegelung/Kreuzpeilung. Der Streubereich 7 kennzeichnet die Ortung für die Funkstation A.
Die zweideutigen Peilungen All, A21, A31, und A41 liegen spiegelbildlich zu den oben genannten Peilungen, bezogen auf die momentane Flugrichtung beim Empfang des Signals von der Funkstation A. Die Ortungspunkte aus den zweideutigen Peilungen mittels Versegelung/Kreuzpeilung bilden einen Streubereich 8, der signifikant größer ist als der Streubereich 7 um Funkstation A.
Die reellen Ortungen, d. h. die Ortungen für die tatsächlich existierenden Funkstationen, werden durch einen Vergleich der Streubereiche ermittelt; der signifikant geringere Streubereich stellt den Standort für die existierende Funkstation A dar.
Gemäß Zeichnung 1 können folgende Flugrouten beispielhaft vorgesehen werden:

• Flugroute kreisförmig für einen Sektor um ein Interessengebiet; die reellen Ortungen werden vorzugsweise auf der konkaven Seite ermittelt; die reellen Ortungen können mit Einschränkungen auch auf der konvexen Seite ermittelt werden.
• Flugroute schlangenförmig, bestehend aus z. B. kreisförmigen Abschnitten mit abwechselnd konkaver und konvexer Ausprägung entlang einer vorgegebenen Strecke; die reellen Ortungen können zu beiden Seiten der Flugroute ermittelt werden.
• Flugroute scherenförmig entlang einer vorgegebenen Strecke neben einem Interessengebiet; die reellen Ortungen können zu beiden Seiten der Flugroute ermittelt werden.
• Flugroute entlang einer geraden Linie neben dem Interessengebiet.

Bei der direkten Ortung mittels Vergleich von gemessenen Dopplerfrequenzen und Gradienten und berechneten, standortspezifischen Dopplerfrequenzen und deren Gradienten wird die Eindeutigkeit von Ortungen durch die Flugroute und durch das Interessengebiet sichergestellt.
2.4.5 Die Verknüpfung der Empfangsfrequenz an Bord
Die Empfangs- bzw. Ist-Frequenz an Bord setzt sich aus folgenden Frequenz-Anteilen zusammen:

• Sollfrequenz des Empfangssignals
• Offset-Frequenz (f_offset) der Funkstation mit ca. 10^–7 bis 10^–6 mal Sollfrequenz
• Kurzzeit-Frequenzdrift des Sendesignals, verursacht durch die Bauart der Funkstation und durch die Umgebungsbedingungen, ca. 10^–8 bis 10^–7 mal Sollfrequenz
• Frequenzdrift des Empfängers an Bord ca. 10^–7 mal Sollfrequenz
• Dopplerverschiebung bestehend aus: – Dopplerfrequenz verursacht durch die Fluggeschwindigkeit der Plattform – Dopplerfrequenz verursacht durch die elektronische Bewegung der Antenne an Bord – Dopplerfrequenz verursacht durch die Bewegung der Funkstation
• Modulation der Empfangsfrequenz

2.4.6 Konsequenzen aus der Verknüpfung der Empfangsfrequenzen
Um die exakte Dopplerfrequenz aus den Empfangssignalen an Bord zu ermitteln, muss jede Art von Frequenzdrift sowohl von den Funkstationen als auch auf der Empfangsseite der fliegenden Plattform unwirksam gemacht werden. Gleiches gilt für den Einfluss der Modulation auf die Sollfrequenz. Das Systemkonzept ist so zu gestalten, dass diese Forderung erfüllt wird.
2.4.7 Einzelheiten zur Peilung und Ortung
Zeichnung 3a zeigt die Entstehung einer Doppler-Flugweg-Charakteristik, die eine Kennzeichnung/Unterscheidung von Funkstationen in einem Funknetz mit gleichen Frequenzen ermöglicht. Zusätzlich weist die Doppler-Charakteristik im vorliegenden Fall ein standortspezifisches Potential auf, das zu einer direkten Ortung genutzt werden kann.
Die Unterscheidung und Kennzeichnung von Funkstationen erfolgt anhand der unterschiedlichen Doppler Flugweg-Charakteristik entlang des Flugweges aus den jeweiligen Funksprüchen der zugehörigen Funkstationen.
Zeichnung 3b zeigt das Interessengebiet 1 mit den Funkstationen 9 und 10 und einem kreisförmigen Flugweg 4, der die Flugwegpunkte X1 bis X5 enthält, an denen die Sendungen der Funkstationen 9 und 10 empfangen werden. Zur Vereinfachung sind die Flugwegpunkte X1 bis X5 so zu verstehen, dass die Funkstationen 9 und 10 jeweils nacheinander senden (Halbduplex). Weiterhin sollen die Sendungen in beiden Flugrichtungen zur Vereinfachung an den gleichen Flugwegpunkten erfolgen; auch bei normalerweise unregelmäßig auftretenden Funksprüchen an verschiedenen Flugwegpunkten ergibt sich die gleiche Doppler-Flugweg-Charakteristik.
Die Kurven 11 und 12 zeigen den Verlauf der Dopplerfrequenzen von den Funkstationen 9 und 10 in Flugrichtung „clock wise” (cw); die Kurven 13 und 14 zeigen den Verlauf der Dopplerfrequenzen ebenfalls von den Funkstationen 9 und 10 aber in Flugrichtung „counter clock wise” (ccw).
Die Kurven 11 und 13 (Flugrichtung cw und ccw zur Funkstation 9) bzw. die Kurven 12 und 14 (Flugrichtung cw und ccw zur Funkstation 10) verlaufen achsensymmetrisch zur Flugwegachse.
Die Kennzeichnung von Dopplerfrequenzen aus der Doppler Flugweg-Charakteristik dient dazu, diese nur den zugehörigen Funkstationen zuzuordnen. Die Ortung von Funkstation 9 wird beispielhaft nur aus Peilungen, die aus den Dopplerfrequenzen aus der Kurve 11 (cw) und/oder 13 (ccw) hervorgehen, durchgeführt. Die Identifizierung der Funkstation 9 in einem Funknetz ergibt sich beispielhaft durch eine erzeugte Kennung, die aus den Kurven 11 (cw) und 13 (ccw) abgeleitet wird. Für die Ortung der Funkstation 9 kommen deshalb keine Peilungen von der Funkstation 10 in Betracht; dadurch wird eine Vielzahl von Geisterortungen ferngehalten.
Die Einfallsrichtung an den Flugwegpunkten X1 bis X5 wird bestimmt aus der Beziehung: cosα = (f_D·λ)/(v·cosδ);
Die Dopplerfrequenzen f_D werden ermittelt aus den Empfangsfrequenzen an den Flugwegpunkten X1 bis X5 gemäß Zeichnung 3b.
Die Wellenlänge λ ist bekannt aus der Empfangsfrequenz.
Die Geschwindigkeit v ist bekannt aus der elektronischen Bewegung der Antenneneinrichtung; siehe hierzu auch Abschnitt 2.4.8 und Zeichnung 4a und 4b.
Der Elevationswinkel 6 ist der vertikale Einfallswinkel, der von der Flughöhe und der Entfernung zu den Funkstationen abhängt. Er erhält negative Werte für Funkstationen am Boden und positive Werte für fliegende Funkstationen, die sich über der Flughöhe der aufklärenden Plattform befinden.
Die Ermittlung der Dopplerfrequenz aus der Empfangsfrequenz an Bord erfolgt auf der Basis von verschiedenen Hardware Einheiten, die keiner Kalibrierung oder Initialisierungsphase unterliegen; die anschließende Berechnung des Einfallswinkels kann sehr schnell erfolgen, sodass eine Peilung praktisch verzögerungsfrei mit dem Eintreffen des Funkspruches erfolgen kann.
Die Ortungen für die Funkstationen können entweder direkt mittels Vergleich von gemessenen Werten an Bord und berechneten, standortspezifischen Werten ermittelt werden oder durch Versegelung mit den ermittelten Einfallswinkeln, den Flugpositionen und den Wegstrecken des Flugweges nach den bekannten Gesetzen der Geometrie bestimmt werden. Die Ermittlung der Ortungen mittels Versegelung ist abhängig von der Anzahl der Sendungen pro Funkstation, die auf dem Flugweg empfangen werden. Die eindeutige Ortung erfolgt über die Beurteilung der Streubereiche zu den ermittelten Ortungspunkten.
Die direkte Ortung mittels „Vergleich” ist in einer Übersicht in Kapitel 2.3.1 erläutert worden; ergänzend kommen folgende Details hinzu.
Ein Interessengebiet, das die dort vermuteten Funkstationen enthält, wird in ein wählbares Rasterfeld gemäß Zeichnung 6 aufgeteilt. Jedes Rasterfeld (R1 bis R25) besitzt eine standortspezifische Doppler-Charakteristik, die sich auf eine wählbare Anzahl von Flugpunkten auf der Flugroute stützt. Die Doppler-Charakteristik, die sich aus den Dopplerfrequenzen entsprechend den wählbaren Flugpunkten zusammensetzt, wird berechnet, um Referenzwerte für einen Vergleich mit gemessenen Dopplerfrequenzen zu haben. Zusätzlich wird der Gradient zur Doppler-Charakteristik (Zeichnung 7) für die berechneten Dopplerfrequenzen berechnet, um ebenfalls für einen Vergleich zur Verfügung zu stehen.
Eine Besonderheit zur Ortung von Funkstationen wird nachfolgend im Zusammenhang mit Zeichnung 6 und 7 erläutert.
Ausgehend von einem Flugpunkt auf der Flugroute können auch hintereinander liegende Funkstationen kurzzeitig auftreten, die auch zu unterscheiden sind.
Zunächst tritt in diesem speziellen Fall für die hintereinander liegenden Funkstationen die gleiche Dopplerfrequenz nur dann auf, wenn es sich um ein Funknetz mit gleichen Frequenzen handelt. Eine Unterscheidung ist aber auch in diesem Fall möglich, da momentan hintereinander liegende Funkstationen unterschiedliche Standorte aufweisen und dadurch unterschiedliche Gradienten in ihrer Doppler-Charakteristik vorhanden sind.
Zeichnung 6 zeigt z. B. für die Flugpunkte Y1 und Y4 hintereinander liegende Funkstationen; beim Flugpunkt Y1 sind es die Funkstationen E und G, beim Flugpunkt Y4 sind es die Funkstationen D und H.
Zeichnung 7 zeigt beispielhaft gemessene Dopplerfrequenzen mit ihren charakteristischen Verläufen für die Funkstationen D, E, F, G, und H. Man erkennt verschiedene Schnittpunkte zwischen den Doppler-Charakteristiken der Funkstationen.

• Alle Schnittpunkte von den Doppler-Charakteristiken stellen Flugpunkte dar, an denen sich hintereinander liegende Funkstationen befinden, sofern diese in einem Funknetz mit gleichen Frequenzen arbeiten.
• An einem Flugpunkt mit hintereinander liegenden Funkstationen treten für Funkstationen, die in einem Netz mit gleichen Frequenzen arbeiten, die gleichen Dopplerfrequenzen auf. Die eindeutige Trennung zwischen diesen Funkstationen erfolgt durch einen Vergleich der jeweiligen Gradienten, also der Steigung der Doppler-Charakteristik an der gemessenen Dopplerfrequenz. Bei allen Schnittpunkten sind die unterschiedlichen Gradienten für jede Dopplerfrequenz deutlich ersichtlich.

Das Verfahren benötigt keine absolute und keine hochauflösende Zeitinformation.
2.4.8 Die elektronische Dopplerfrequenz wird unabhängig von äußeren Einflüssen
Die elektronische Dopplerfrequenz wird unabhängig von der Fluggeschwindigkeit der Plattform und von der Bewegung einer Funkstation.
Zeichnung 4a zeigt die Empfangsantennen 16 und 17 an Bord, die elektronisch für die Energieaufnahme des Empfangssignals so gesteuert werden, dass eine einfallende Welle mit dem Betrag der Dopplerfrequenz, hervorgerufen durch die elektronisch bewegte Antenne, beaufschlagt wird.
Dies wird dadurch erreicht, dass zwei steuerbare Verstärkerstufen oder steuerbare Dämpfungsglieder, gespeist von zwei aktiven oder passiven Empfangsantennen 16 und 17, so gesteuert werden, dass ein Übergang in der Energieaufnahme zwischen den Empfangsantennen 16 und 17 erfolgt. Der Übergang zwischen den beiden Empfangsantennen 16 und 17 erfolgt durch eine lineare Modulation; der RF Pegel von Empfangsantenne 16 nimmt innerhalb der Zeitperiode x kontinuierlich ab, während der RF Pegel von Empfangsantenne 17 während der gleichen Zeitperiode kontinuierlich ansteigt. Das Diagramm in Zeichnung 4b zeigt die Einzelheiten.
Die gegensinnig verlaufende Anstiegs- bzw. Abfallgeschwindigkeit zur Steuerung der Energieaufnahme an den Empfangsantennen 16 und 17 bestimmen die Geschwindigkeit, mit der die Antenneneinrichtung an Bord der fliegenden Plattform elektronisch bewegt wird. Die Zeitperiode x bestimmt die Geschwindigkeit der elektronisch bewegten Antenne für eine Bewegungsrichtung, die Zeitperiode y ist für die entgegen gesetzte Bewegungsrichtung bestimmend.
Die Antennenbewegungen laufen periodisch ab; es erfolgen Antennenbewegungen in- und entgegen der Flugrichtung oder auch quer zur Flugrichtung. Die Periodizität der Antennenbewegungen kann wie folgt ablaufen:

• Eine Antennenbewegung in eine Richtung
• anschließend eine Antennenbewegung mit 180° geänderter Richtung Oder:
• n-Antennenbewegungen in eine Richtung
• anschließend n-Antennenbewegungen mit 180° geänderter Richtung

Die Periodendauer für eine Antennenbewegung ist wählbar. Die Ausgangssignale von Empfangsantenne 16 und 17 werden in der RF-Addierstufe 20 zu einem resultierenden RF-Signal zusammengefasst und der Empfangseinrichtung 21 zugeführt.
Die Geschwindigkeit der Antenneneinrichtung 15 an Bord der fliegenden Plattform setzt sich aus der Fluggeschwindigkeit der Plattform und der elektronischen Bewegung der Antenneneinrichtung zusammen. Dies hat zur Folge, dass sich die Dopplerfrequenz an Bord aus der Fluggeschwindigkeit, der elektronischen Bewegung der Antenneneinrichtung und der Bewegung der Funkstation zusammensetzt. Durch eine besondere Signalaufbereitung erfolgt eine Trennung der Dopplerfrequenzanteile derart, dass die auszuwertende Dopplerfrequenz nur noch von der elektronischen Bewegung der Antenneneinrichtung abhängt.
2.4.9 Aufbereitung der Dopplerfrequenz an Bord einer fliegenden Plattform
Das erfindungsgemäße Konzept stellt sicher, dass die auszuwertende Dopplerfrequenz unabhängig ist von der Fluggeschwindigkeit der Plattform und von einer Bewegung einer Funkstation. Um dies zu erreichen, ist folgende Vorgehensweise vorgesehen.

• Die Empfangseinrichtung 21 in Zeichnung 5 ist so konzipiert, dass die Empfangssignale mit der Dopplerfrequenz aus der elektronischen Bewegung der Antenneneinrichtung mit den Empfangssignalen der Dopplerfrequenz aus der Fluggeschwindigkeit in zwei Empfangszügen so miteinander aufbereitet werden, dass mit Hilfe von zwei Empfängern, zwei Mischstufen und einem Oszillator eine neue ZF erscheint, die in ihrer Frequenz der Oszillator-Frequenz entspricht und nur noch die Dopplerfrequenz von der elektronisch bewegten Antenneneinrichtung enthält. Diese neue ZF enthält zu beiden Seiten von ihrer Mittenfrequenz nur noch die entsprechende Dopplerfrequenz von der elektronisch bewegten Antenneneinrichtung.

Die Aufbereitung der Dopplerfrequenz stellt sich wie folgt dar, gemäß Zeichnung 5.
Der Empfänger 28 wird gespeist mit der RF vom Ausgang der RF Addiereinheit 20.
Der Empfänger 29 wird gespeist mit der RF von einem gesonderten Ausgang der Empfangsantenne 17, der unabhängig von der Antennensteuerung ist und das unveränderte Empfangssignal aufweist.
Der Mischer 30 erhält an seinen beiden Eingängen folgende Signalanteile:

• Der erste Eingang des Mischers 30 wird gespeist mit der ZF des Empfängers 28, die überlagert ist mit folgenden Frequenzanteilen: – Frequenz-Offset_Gesamt = Frequenz-(Offset_Funkstation + Offset_Empfänger) – Dopplerfrequenz f_DE, von der elektronisch bewegten Antenne – Dopplerfrequenz f_DF, hervorgerufen nur durch die Fluggeschwindigkeit – Dopplerfrequenz f_DB, hervorgerufen durch eine Bewegung einer Funkstation
• Der zweite Eingang des Mischers 30 wird mit dem Oszillator 32 gespeist.

Das Mischprodukt des Mischers 30 wird gebildet aus der Differenz der ZF des Empfängers 28 mit deren oben genannten Überlagerungen und dem Oszillator 32. Dieses Mischprodukt zeigt folgende Form: (ZF + Frequenz-Offset_Gesamt + f_DE + f_DF + f_DB) – Oszillator (32);
Der Mischer 31 erhält an seinen beiden Eingängen folgende Signalanteile:

• Der erste Eingang des Mischers 31 wird gespeist mit der ZF des Empfängers 29, die überlagert ist mit folgenden Frequenzanteilen: – Frequenz-Offset_Gesamt = Frequenz-(Offset_Funkstation + Offset_Empfänger) – Dopplerfrequenz f_DF, hervorgerufen nur durch die Fluggeschwindigkeit – Dopplerfrequenz f_DB, hervorgerufen durch eine Bewegung einer Funkstation
• Der zweite Eingang des Mischers 31 wird mit dem Ausgangssignal des Mischers 30 gespeist.

Das Mischprodukt des Mischers 31 wird gebildet aus der Differenz der ZF des Empfängers 29 und dem Ausgangssignal des Mischers 30. Dieses Mischprodukt zeigt nach Bereinigung die Form: Oszillator (32) – f_DE;
Das obige Mischprodukt liefert also die Oszillatorfrequenz (32), die jeweils abweicht um die zugehörige Dopplerfrequenz f_DE, entsprechend dem Einfallswinkel und dem Elevationswinkel. Die Frequenzen „Oszillator + f_DE„ entsprechen dem Winkelbereich 0° bis 90° bzw. 0° bis 270°, die Frequenzen „Oszillator – f_DE„ entsprechen dem Winkelbereich 90° bis 180° bzw. 270° bis 180°. Wenn das Ausgangssignal des Mischers 31 die Oszillatorfrequenz ohne Abweichung zeigt, ist die Dopplerfrequenz null und der Einfallswinkel beträgt dann 90° oder 270°.
Kennzeichnend für das Ausgangssignal des Mischers 31 ist der Umstand, dass die positionsabhängige Dopplerfrequenz f_DE unabhängig von der Fluggeschwindigkeit und von einer Bewegung einer Funkstation ist; zusätzlich ist sie befreit von sämtlichen Offsetfrequenzen einschließlich von Kurzzeit-Frequenzdriften auf der Sende- und Empfangsseite und von der Modulation des Empfangssignals.
Die Dopplerfrequenz f_DE wird also gebildet aus der Differenz des Mischproduktes am Ausgang des Mischers 31 und der Oszillatorfrequenz 32: (Oszillator (32) –/+ f_DE) – Oszillator (32) = –/+f_DE;
2.4.10 Beschreibung zu den Funktionen der Vorrichtung mittels Blockdiagramm
Siehe hierzu Zeichnung 5. Die Vorrichtung wird mit der Antenneneinrichtung 15 wie folgt betrieben:
Die Empfangsantennen 16 und 17 enthalten jeweils eine aktive oder passive Empfangsantenne mit einer gesteuerten Verstärkerstufe. Anstelle der Verstärkerstufe kann auch ein gesteuertes Dämpfungsglied verwendet werden.
Die Steuerelektronik 18 erzeugt die Steuersignale für die Verstärkerstufen oder für die Dämpfungsglieder in den Empfangsantennen 16 und 17. In der RF Addiereinheit 20 werden die gegensinnig gesteuerten Empfangssignale von 16 und 17 zu einem resultierenden RF Signal zusammengeführt, das mit der „elektronischen” Dopplerfrequenz, der Dopplerfrequenz von der Fluggeschwindigkeit, der Dopplerfrequenz aus der Bewegung der Funkstation, der Offset-Frequenz und der Kurzzeit-Frequenzdrift von der Funkstation überlagert ist. Dieses Signal wird dem Empfänger 28 zugeführt.
Die Empfangsantenne 17 enthält zusätzlich einen RF-Ausgang, der nicht der Steuerung zur Energieaufnahme unterworfen ist. Dieses Empfangssignal enthält die Dopplerfrequenz, entsprechend der Fluggeschwindigkeit und entsprechend der Bewegung einer Funkstation, die Offset-Frequenz und die Kurzzeit-Frequenzdrift von einer Funkstation. Dieses Empfangssignal wird dem Empfänger 29 zugeführt.
Der Mischer 30 erzeugt das auszuwertende Mischprodukt aus der Differenz zwischen der ZF des Empfängers 28 und dem Oszillator 32. Dieses Mischprodukt wird gefiltert und speist den Mischer 31. Im Mischer 31 wird das Mischprodukt aus der Differenz zwischen der ZF des Empfängers 29 und dem Mischprodukt aus dem Mischer 30 gebildet und gefiltert. Das gefilterte Ausgangssignal des Mischers 31 enthält nur noch die Oszillatorfrequenz überlagert von der Dopplerfrequenz von der elektronisch bewegten Antenne.
Der Oszillator 32 enthält ein Frequenznormal, um diese Oszillatorfrequenz sehr stabil zu erzeugen. Der Oszillator 32 ist so konzipiert, dass er ein geringes Phasenrauschen aufweist.
Das Navigationssystem 34 dient dazu die Position der Plattform, die Flugrichtung und die Zeit zu liefern. Als Navigationssystem kann ein Trägheitsnavigationssystem eingesetzt werden, das ohne Referenz betrieben werden kann. Alternativ kann auch ein Satellitennavigationssystem verwendet werden.
Es werden die Flugdaten zur Flugrichtung, Daten zur Flugroute und die laufende Meldung über die Positionen der Flugwegpunkte in Verbindung mit den zugehörigen Zeitstempeln an den Prozessor der Auswerteeinheit gemeldet. Weiterhin erhält der Prozessor die Geschwindigkeit der elektronisch bewegten Empfangsantenne und die Berechnungsvorschrift zur Peilung und zur Ortung. Mit diesen Informationen berechnet der Prozessor die Ortungsergebnisse mit einer zugehörigen Güte, die den Azimutsektor kennzeichnet und die Verzerrung des Dopplersignals beinhaltet.
Die Vorrichtung ermöglicht auch die Auswerteeinrichtung an einer Bodenstation zu betreiben. Mittels einer Interfaceeinrichtung und einer Burst-Übertragung müssen dann folgende Daten übertragen werden:
Empfangsfrequenz, Dopplerfrequenzen mit oder ohne Gradienten, Flugrichtung, Position der Plattform zugehörig zu den Dopplerfrequenzen und die zugehörigen Zeiten.
2.4.11 Darstellung der Vorteile
Zusammenfassend werden folgende Vorteile angeführt:

• Geringes Gewicht der Vorrichtung anhand einer einfachen Antenneneinrichtung im Vergleich zu Antennen-Arrays.
• Geringere Kosten aufgrund eines relativ geringeren Hardware-Aufwands.
• Operationelle Vorteile dadurch, dass praktisch keine nennenswerte Infrastruktur zum Betrieb erforderlich ist.
• Peilung und Ortung von stationären und bewegten Funkstationen.
• Ortung von Funkstationen aus nur einer Aussendung!
• Erkennung einer Bewegung und einer Bewegungsrichtung von einer Funkstation aus nur einer Aussendung.
• Die Einflüsse von Empfangssignalen bezüglich Frequenz-Offset, zeitlicher Frequenzdrift und spektraler Ausprägung werden in der Vorrichtung durch eine spezielle Aufbereitung bei der Signalverarbeitung beseitigt, sodass die Peilbandbreite nur an den maximalen Dopplerfrequenzbereich anzupassen ist.
• Sektorpeilungen für seitliche und auch in Flugrichtung einfallende Wellen mit maximaler Peilgenauigkeit.
• Eindeutige Ortungen durch wählbare Flugrouten und einem Interessengebiet einschließlich eines Vergleiches von Streubereichen bei Peilungen und Ortungen bei mehreren Aussendungen.
• Seitlich einfallende Reflexionen werden in ihrer Wirkung reduziert.
• Ausgabe einer Güte für Peilung und Ortung, um auch kritische Bereiche sofort zu erkennen. Das Gütekriterium für den Anteil der Peilung schließt den Einfallswinkelbereich ein und die Ermittlung des Klirrfaktors aus der Dopplerfrequenz. Das Gütekriterium stellt damit ein zuverlässiges Merkmal für die Genauigkeit der Peilung und Ortung dar.
• Geisterortungen werden vermieden durch: – Flugroute mit zugehörigem Interessengebiet – Kennzeichnung von Peilungen (Wertebereich) – Die Streubreite von Peilungen/Ortungen verursacht durch die Flugroute
• Robustes System, da keine Kalibrierungsmaßnahmen erforderlich sind im Vergleich zu Antennenarrays oder anderen Verfahren.
• Autonom arbeitendes System mit oder ohne Burst-Betrieb für einen Datenaustausch.
• Die Dopplerfrequenzen sind unabhängig von der Fluggeschwindigkeit der Plattform; dies wird durch eine elektronisch bewegte Antenne in Verbindung mit einer spezifischen Signalverarbeitung erreicht. Dadurch können auch Funkstationen mit niedrigen Empfangsfrequenzen in ihrem Standort ermittelt werden.
• Die Ermittlung der Dopplerfrequenz erfolgt praktisch verzögerungsfrei mit dem Eintreffen des Empfangssignals, abhängig von der Auflösung der Dopplerfrequenz und dem Weg der elektronisch bewegten Antenne an Bord im Verhältnis zur Wellenlänge.
• Das System ist nur bedingt in geringem Umfang störbar, da einerseits kein kontinuierlicher Datenaustausch erforderlich ist und andererseits die Überwachungsfrequenzen nicht bekannt sind.
• Ferner kann das Navigationssystem bei Bedarf unabhängig von Referenzsignalen (GPS) betrieben werden; in diesem Fall kann das Navigationssystem nicht gestört werden.
• Passives System, das funktechnisch nicht detektierbar ist.

2.5 Anwendungsgebiet
Die oben beschriebene Vorrichtung kann für folgende Anwendungsgebiete eingesetzt werden entsprechend der zu erfüllenden Aufgabe.

• Mobile und gezielte Überwachung von Funkdiensten in Gebieten in deren Umgebung keine nennenswerte Infrastruktur vorhanden ist.
• Einsatz von niedrig fliegenden Plattformen (z. B. in 300 m Höhe), die sich außerhalb des kontrollierten Luftraumes befinden. – Anmerkung: Die Erfassung von solchen Plattformen ist schwierig aufgrund der geringen Flughöhe, der geringen Abmessungen und der Absorptionseigenschaften des Flugkörpers. Während der passiven Phase der Mission, d. h. wenn kein Link an Bord aktiv ist, ist die Plattform auch nicht funktechnisch detektierbar.
• Einsatz von fliegenden Plattformen, die sich im kontrollierten Luftraum befinden. Dieser Einsatz ist abhängig von den örtlichen Vorschriften der zuständigen Flugsicherung.
• Überwachung eines vorgegebenen Funkverkehrs einschließlich optischer Beobachtung in Krisengebieten. Die funktechnischen Erkenntnisse können mit den optischen Lagebildern zusammengeführt werden.
• Überwachung von Demonstrationsgebieten
• Überwachung von Großveranstaltungen

Bezugszeichenliste

1: Interessengebiet
2: Flugroute geradlinig
3: Flugroute scherenförmig
4: Flugroute kreisförmig
5: Öffnungswinkel (zu Flugroute scherenförmig)
6: Länge eines Segmentes (zu Flugroute scherenförmig)
7: Markierung des Streubereiches (reelle Ortungen)
8: Markierung des Streubereiches (Geister-Ortungen)
9: Funkstation
10: Funkstation
11: Doppler Flugweg-Charakteristik cw von Funkstation 9
12: Doppler Flugweg-Charakteristik cw von Funkstation 10
13: Doppler Flugweg-Charakteristik ccw von Funkstation 9
14: Doppler Flugweg-Charakteristik ccw von Funkstation 10
15: Antenneneinrichtung
16: Aktive oder passive Empfangsantenne mit gesteuerter Verstärkerstufe oder gesteuertem Dämpfungsglied
17: Aktive oder passive Empfangsantenne mit gesteuerter Verstärkerstufe oder gesteuertem Dämpfungsglied
18: Steuerelektronik
19: Steuersignale für Verstärkerstufen, Dämpfungsglieder
20: RF Addierstufe
21: Empfangseinrichtung
22: Periodendauer für Antennensteuerung in einer Richtung
23: Periodendauer für Antennensteuerung mit 180° geänderter Richtung
24: Steuersignal für Empfangsantenne 17
25: Steuersignal für Empfangsantenne 16
26: RF Summenpegel bewegte Antenne
27: entfällt
28: Empfänger
29: Empfänger
30: Mischer
31: Mischer
32: Oszillator
33: Auswerteeinrichtung, Prozessor
34: Navigationssystem
35: Flugroute kreisförmig mit Flugpunkten Y1, Y2, Y3, Y4
36: Interessengebiet mit Rastereinheiten R1 bis R25
37: Dopplerfrequenzen zu Funkstation D mit unterschiedlichen Gradienten
38: Dopplerfrequenzen zu Funkstation E mit unterschiedlichen Gradienten
39: Dopplerfrequenzen zu Funkstation F mit unterschiedlichen Gradienten
40: Dopplerfrequenzen zu Funkstation G mit unterschiedlichen Gradienten
41: Dopplerfrequenzen zu Funkstation H mit unterschiedlichen Gradienten

Claims

Verfahren zur Ortung einer oder mehrerer Funkstationen an Bord einer fliegenden Plattform, umfassend: – Vorgeben einer Flugroute; – Vorgeben zumindest eines Interessengebietes; – Einteilen des zumindest einen Interessengebietes in eine Vielzahl von Rasterfeldern; – Berechnen von zumindest einer Dopplercharakteristik für jedes der Rasterfelder; – Empfangen von Funksignalen der einen oder mehreren Funkstationen mittels einer Antenneneinrichtung an Bord der fliegenden Plattform, wobei jeweils die Frequenz der empfangenen Funksignale eine Dopplerfrequenz in Folge der Bewegung der Antenneneinrichtung relativ zu der einen oder mehreren Funkstationen beinhaltet, wobei die Dopplerfrequenz durch die momentane Position auf der Flugroute bestimmt ist; – Messen zumindest einer Dopplercharakteristik für jedes der empfangenen Funksignale aus der Geschwindigkeit der Antenneneinrichtung, welche elektronisch bewegt wird; – eindeutiges Orten der einen oder mehreren Funkstationen durch Identifizieren des jeweils zugehörigen Rasterfeldes aus einem Vergleich der zumindest einen gemessenen Dopplercharakteristik mit der zumindest einen berechneten Dopplercharakteristik.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen der zumindest einen Dopplercharakteristik jeweils das Berechnen von Dopplerfrequenz-Referenzwerten umfasst, und wobei das Messen der zumindest einen Dopplercharakteristik für jedes der empfangenen Funksignale das Messen mehrerer Dopplerfrequenzen umfasst, und wobei das Identifizieren des jeweils zugehörigen Rasterfeldes ein Vergleichen der gemessenen Dopplerfrequenzen mit den Dopplerfrequenz-Referenzwerten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen der zumindest einen Dopplercharakteristik jeweils das Berechnen von Dopplerfrequenz-Referenzwerten und zugehörigen Gradienten-Referenzwerten umfasst, und wobei das Messen der zumindest einen Dopplercharakteristik für jedes der empfangenen Funksignale das Messen einer Dopplerfrequenz und des zugehörigen Gradienten umfasst, und wobei das Identifizieren des jeweils zugehörigen Rasterfeldes ein Vergleichen der gemessenen Dopplerfrequenz einschließlich des Gradienten mit den Dopplerfrequenz-Referenzwerten einschließlich der Gradienten-Referenzwerten umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner umfassend: Bewerten der Dopplerfrequenz in- und entgegen der Flugrichtung oder senkrecht zur Flugrichtung zur Erkennung der Bewegung und der Bewegungsrichtung einer bewegten Funkstation.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Berechnen von zumindest einer Dopplercharakteristik für jedes der Rasterfelder als Funktion des Elevationswinkels erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Flugroute eine gerade Flugroute oder eine scherenförmige Flugroute oder eine Flugroute, welche aus kreisförmigen Abschnitten zusammengesetzt ist, umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass für die Auswertung der empfangenen Funksignale zwei Azimutsektoren, nämlich 20° bis 160° und 200° bis 340° bezogen auf die Längsachse der Plattform, oder 70° bis 290° und 110° bis 250° bezogen auf die Achse senkrecht zur Flugrichtung, mit höherer Güte für Peilung und Ortung berücksichtigt werden, wobei die Güte zusätzlich durch die Auswertung der Verzerrung des Dopplersignals, verursacht durch Reflexionen oder andere Störungen, mitbestimmt wird.
Vorrichtung zur Ortung einer oder mehrerer Funkstationen an Bord einer fliegenden Plattform, umfassend: eine Kontrolleinrichtung zur Steuerung der fliegenden Plattform entlang einer vorgegebenen Flugroute; eine elektronisch bewegte Antenneneinrichtung zum Empfangen von Funksignalen der einen oder mehreren Funkstationen; eine Steuerelektronik zur Aufbereitung der Funksignale sowie von Steuersignalen zum Steuern der Antenneneinrichtung; eine Empfangseinrichtung zur Aufbereitung der Dopplerfrequenz; eine Speichereinrichtung zum Abspeichern von berechneten Dopplercharakteristiken für eine Vielzahl von Rasterfeldern, welche zumindest ein vorgegebenes Interessensgebiet definieren; eine Messeinrichtung zum Messen zumindest einer Dopplercharakteristik für jedes der empfangenen Funksignale aus der Geschwindigkeit der elektronisch bewegten Antenneneinrichtung; eine Auswerteeinrichtung zum eindeutigen Orten der einen oder mehreren Funkstationen durch Identifizieren des jeweils zugehörigen Rasterfeldes auf Basis eines Vergleichs der zumindest einen gemessenen Dopplercharakteristik mit den abgespeicherten Dopplercharakteristiken.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die elektronisch bewegte Antenneneinrichtung zwei Antennen umfasst, welche elektronisch gesteuert werden und wobei die Empfangseinrichtung umfasst: zwei Empfänger zur Umsetzung der Funksignale in digitale Zwischenfrequenzsignale (ZF), eine Anordnung von zwei Mischern mit einem Oszillator zur Aufbereitung der Dopplerfrequenzen, wodurch die Vorrichtung die Beseitigung von Offset-Frequenzen von den Funkstationen und den Empfängern der Plattform, sowie eine umgebungsabhängige Frequenzdrift von den Funkstationen, außerdem die Signalanteile der Modulation von den Funkstationen und weiterhin die Dopplerfrequenz-Anteile, die nur durch die Fluggeschwindigkeit bzw. durch die Bewegung einer Funkstation entstehen, ermöglicht.