DE102016012513B3

DE102016012513B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit von einem bewegten Emitter

Info

Publication number: DE102016012513B3
Application number: DE102016012513.6A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Henkel
Original assignee: Henkel Sematronic Ug (haftungsbeschrankt)
Current assignee: Henkel Sematronic Ug (haftungsbeschrankt)
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2036-10-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (100) zur passiven Ermittlung einer Bewegungsrichtung und einer Geschwindigkeit von einem bewegten Emitter (13). Dabei umfass das Verfahren die folgenden Schritte: – Messen eines Einfallswinkels (α1) eines von dem Emitter (13) ausgesandten Signals; – Ermitteln einer ersten Messgröße (xL) und einer zweiten Messgröße (xQ), jeweils auf Basis des gemessenen Einfallswinkels (α1) und bekannten Parametern der Sensorvorrichtung (100); – Messen eines ersten Dopplersignals mittels einer virtuellen Antennenbewegung im Uhrzeigersinn für eine erste Antennenzeile (14) der Sensorvorrichtung (100); – Messen eines zweiten Dopplersignals mittels virtueller Antennenbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn für die erste Antennenzeile (14) der Sensorvorrichtung (100); – Messen eines dritten Dopplersignals mittels virtueller Antennenbewegung im Uhrzeigersinn für eine zweite Antennenzeile (15) der Sensorvorrichtung (100); – Messen eines vierten Dopplersignals mittels virtueller Antennenbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn fpür die zweite Antennenzeile (15) der Sensorvorrichtung (100); und – Ermitteln der Bewegungsrichtung und der Geschwindigkeit von dem bewegten Emitter (13) auf Basis der gemessenen vier Dopplerfrequenzen und der ersten und zweiten Messgröße (x1, xQ).

Description

1. Stand der Technik
Die Ermittlung einer Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit von bewegten Emittern wird dadurch gelöst, dass z. B. zwei räumlich getrennte Sensoren eingesetzt werden, die die Einfallsrichtungen von bewegten Emitter ermitteln. Die beiden Sensoren müssen dann synchron miteinander die zugehörigen Empfangssignale pro Emitter mit ihren Einfallswinkeln aufbereiten. Der Aufwand hierfür ist beträchtlich hoch und zudem kann ein solches System störanfällig aus anlagen-technischer Sicht sein (Synchronisation). Weiterhin kann es auch von bewussten Störattacken auf den Datenlink zwischen den beiden Sensoren beeinträchtigt werden. Auf z. B. einer fliegenden Plattform kann der Datenlink zwischen den beiden fliegenden Plattformen eine Schwachstelle darstellen, die dann den Betrieb entsprechend beeinträchtigen.
Abgesehen von den möglichen Problemen benötigen die bekannten, peilbasierten Systeme mindestens zwei Aussendungen von einem Emitter, um auf eine Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit eines bewegten Emitters schließen zu können.
Versuche mit einem peilbasierten Sensor auf einer stationären oder fliegenden Plattform zu operieren, haben für Funknetze mit einer Frequenz aus nachfolgenden Gründen noch keinen Erfolg gezeigt: Ein Funknetz, bestehend aus einer Frequenz, das es zu analysieren gilt, ist eine unabdingbare Anforderung aus operationeller Sicht! Ein peilbasierter Sensor auf einer Plattform kann nur bei einem Trivial-Signalszenario (nur ein Emitter) die Tendenz einer Bewegungsrichtung – aber nicht die Geschwindigkeit selbst – aus mindestens zwei Aussendungen ermitteln.
Wenn sich jedoch mehrere Emitter in einem Funknetz mit einer Frequenz befinden, sind mit einem peilbasierten Sensor keine Tendenzen von Bewegungsrichtungen von den einzelnen Emitter zu erkennen, zumal unterschiedliche Bewegungsrichtungen der einzelnen Emitter das Signalszenario für den Sensor immer komplexer erscheinen lassen.
Aufgrund von fehlender Zuordnung der Aussendungen zu den Emittern, entsteht ein dauernd wechselnder Sektor von Bewegungsrichtungen, die in ihrer Folge keinen Überblick zum gesamten Signalszenario ermöglichen.
Um diese Situation zu verbessern, wird versucht, mittels eines Multi-Hypothesen-Verfahrens (MHV) eine verbesserte Übersicht zum Signalszenario zu erreichen. Das MHV benötigt hierfür u. a. signalspezifische Parameter, um diese, soweit möglich, kennzeichnend mit den Aussendungen in Verbindung zu bringen. Dies erfordert mehrere Aussendungen pro Emitter in nicht zu großen Zeitabständen. Die Performance für eine schnelle Erkennung einer Bewegungsrichtung wird dadurch stark eingeschränkt.
In dem Patent DE 10 2013 013 123 B4 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ortung von Funkstationen mittels Doppler-Effekt an fliegenden Plattformen offenbart. Weiterhin ist aus der Druckschrift US 5 510 796 A ein Radarsystem zur Kompensation von Seitenwinden bekannt, welches zur Erkennung von bewegten Objekten dient und insbesondere für Wetter-Radaranlagen eingesetzt werden kann. Wie beim oben erwähnten Verfahren werden auch bei diesem Radarsystem virtuelle Antennenbewegungen angewandt. Jedoch geht aus dem Stand der Technik nicht hervor, wie sowohl die Bewegungsrichtung als auch die Geschwindigkeit von Funkstationen ermittelt werden kann.
2. Aufgabe und Zielsetzung
In der Funkaufklärung ist es eine Zielsetzung, dass Sensoren auf fliegenden oder stationären Plattformen sowohl die Bewegungsrichtung als auch die Geschwindigkeit von bewegten Emittern möglichst schnell erkennen. Dies ist deshalb von Bedeutung, da sich so mögliche Wegstrecken von bewegten Emittern schnell bestimmen lassen. Eine zu bestimmende Wegstrecke baut auf einer ermittelten Ortung mit Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit auf.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und ein System vorzuschlagen, mit dem aus simultanen oder sequentiellen Messungen aus nur einer einzigen Aussendung eine Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit von einer bewegten Funkstation bzw. eines bewegten Emitters ermittelt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
3. Unterstützende Erläuterungen zu den Ansprüchen
Definition von verwendeten Begriffen:

– „passive” Messungen sind solche, die sich von aktiven Messungen wie z. B. Radar unterscheiden;
– Die Messgrößen, die sich aus den bekannten Parametern ergeben, beziehen sich auf die Antennenlängsachse x_L und die Antennenquerachse x_Q;
– Eine virtuelle Antennenbewegung im Uhrzeigersinn wird mit „cw” und eine virtuelle

Antennenbewegung gegen den Uhrzeigersinn wird mit „ccw” abgekürzt;

– Der Elevationswinkel ist der Erhebungswinkel vom Sensor ausgehend; er ist positiv für Empfangssignale, die von „oben einfallen” und negativ für Empfangssignale, die „von unten” einfallen;
– Eine Antennenzeile kann eine Antennenlängsachse oder eine Antennenquerachse darstellen.

Ein erster unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur passiven Ermittlung einer Bewegungsrichtung und einer Geschwindigkeit von einen bewegten Emitter mittels einer Sensorvorrichtung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Messen eines Einfallswinkels α₁ eines von dem Emitter ausgesandten Signals;
– Ermitteln einer ersten Messgröße x_L und einer zweiten Messgröße x_Q, jeweils auf Basis des gemessenen Einfallswinkels α₁ und bekannten Parameter der Sensorvorrichtung;
– Messen eines ersten Dopplersignals mittels einer virtuellen Antennenbewegung im Uhrzeigersinn für eine erste Antennenzeile der Sensorvorrichtung;
– Messen eines zweiten Dopplersignals mittels virtueller Antennenbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn für eine erste Antennenzeile der Sensorvorrichtung;
– Messen eines dritten Dopplersignals mittels virtueller Antennenbewegung im Uhrzeigersinn für eine zweite Antennenzeile der Sensorvorrichtung;
– Messen eines vierten Dopplersignals mittels virtueller Antennenbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn für die zweite Antennenzeile der Sensorvorrichtung; und
– Ermitteln der Bewegungsrichtung und der Geschwindigkeit von dem bewegten Emitter auf Basis der gemessenen vier Dopplerfrequenzen und der ersten und zweiten Messgröße x_L und x_Q.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise mobil oder auch stationär betrieben werden.
Insbesondere bezieht sich die erste Messgröße x_L auf die Antennenlängsachse und kann in Abhängigkeit des gemessenen Einfallswinkels a₁ wie folgt ermittelt werden: x₁ = {[(V_e1 + V_p)/λ]cosα₁ + [(V_e1 – V_p)/λ]cosα₂}.
Entsprechend bezieht sich die zweite Messgröße x_Q auf die Antennenquerachse und kann in Abhängigkeit des gemessenen Einfallswinkels α₁ wie folgt ermittelt werden: X_Q = {[(V_e1 + V_p)/λ]cosα₃ + [(V_e1 – V_p)/λ]cos₄}.
Dabei stehen die Winkel α₂, α₃ und α₄ in fester Beziehung zu α₁. Mit anderen Worten können die Winkel α₂, α₃ und α₄ unmittelbar aus dem gemessenen Einfallswinkel α₁ abgeleitet werden. Ist α₁ bekannt, so sind also auch unmittelbar die Winkel α₂, α₃ und α₄ bekannt.
Ein Dopplersignal im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine Dopplerfrequenz oder eine davon abhängige Größe, insbesondere eine von der Dopplerfrequenz abhängige Spannung, sein. Vorzugsweise umfasst oder ist das erste Dopplersignal eine erste Dopplerfrequenz. Entsprechend umfasst oder ist das zweite, dritte und vierte Dopplersignal vorzugsweise jeweils eine zweite, dritte und vierte Dopplerfrequenz.
Der Uhrzeigersinn wird im Folgenden mit cw (clockwise) abgekürzt. Entsprechend wird der Gegenuhrzeigersinn mit ccw (counterclockwise) abgekürzt.
Die erste Antennenzeile bezieht sich beispielsweise auf eine Antennenlängsachse. Die zweite Antennenzeile bezieht sich beispielsweise auf eine Antennenquerachse. Die Ausrichtung der ersten und zweiten Antennenzeile bzw. der Antennenlängsachse und Antennenquerachse kann einen beliebigen Winkel ungleich 0° und ungleich 180° einschließen. Vorzugsweise schließen die erste und die zweite Antennenzeile einen Winkel von 90° ein. Mit anderen Worten sind die erste und zweite Antennenzeile vorzugsweise als L-Form ausgebildet bzw. in deiner L-Form angeordnet.
Sämtliche Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorzugsweise mit Hilfe einer Mess- und Auswerteeinheit, insbesondere automatisiert, durchgeführt. Vorzugsweise erfolgen sämtliche Berechnungen mit Hilfe eines Computers bzw. eines Prozessors der Mess- und Auswerteeinheit.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können vorteilhafterweise aus spezifischen Messgrößen sowohl die Bewegungsrichtung als auch die Geschwindigkeit einer oder mehreren bewegten Funkstationen bzw. eines oder mehrerer bewegten Emitter aus nur einer einzigen Aussendung des jeweiligen Emitters ermittelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Einfallswinkel α₁ unabhängig vom Erhebungswinkel bzw. Elevationswinkel des vom Emitter ausgesandten Signals gemessen. Dies erfolgt insbesondere mittels Quotientenbildung aus der ersten und zweiten Antennenzeile mittels deren Dopplerfrequenzen. Mit anderen Worten wird die vom Elevationswinkel unabhängige Messung des Einfallswinkels α₁ vorzugsweise mittels einer Quotientenbildung aus zwei Antennenzeilen erreicht.
Dies stellt eine deutliche Verbesserung dar, da in bisherigen Lösungen eine Unabhängigkeit von Elevationswinkeln nur unter Verwendung von Referenzwerten erreicht werden konnte, indem die Elevationswinkel in die Referenzwerte rechnerisch einbezogen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Ermitteln der Bewegungsrichtung und der Geschwindigkeit von denn bewegten Emitter auf Basis der gemessenen vier Dopplerfrequenzen und der ersten und zweiten Messgröße x_L und x_Q:

– ein Ermitteln einer ersten Summe aus der ersten und zweiten Dopplerfrequenz und ein Ermitteln einer zweiten Summe aus der dritten und vierten Dopplerfrequenz;
– ein Ermitteln einer ersten Differenz U_L aus der ersten Summe und der ersten Messgröße x_L;
– ein Ermitteln einer zweiten Differenz V_Q aus der zweiten Summe und der zweiten Messgröße x_Q.

Insbesondere wird die erste Summe wie folgt ermittelt: L = {[(V_e1 + V_p)/λ]cosα₁ + [(V_e1 – V_p)/λ]cosα₂} + (V_t/λ)[cosβ₁ – cosβ₂].
Insbesondere wird die zweite Summe wie folgt ermittelt: Q = {[(V_e1 + V_p)/λ]cosα₃ + [(V_e1 – V_p)/λ]cosα₄} + (V_t/λ)[cosβ₃ – cosβ₄].
Weiterhin werden die erste Differenz U_L und die zweite Differenz V_Q insbesondere wie folgt ermittelt: U_L = (V_t/λ_p)[cosβ₁ – cosβ₂]; und V_Q = (V_t/λ)[cosβ₃ – cosβ₄].
Die in den obigen Gleichungen verwendeten Größen und Parameter sind weiter unten im Rahmen der ausführlichen Beschreibung im Detail erklärt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der Bewegungsrichtung und der Geschwindigkeit des bewegten Emitters auf Basis der ersten Differenz U_L und zweiten Differenz V_Q.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Bewegungsrichtung des Emitters anhand des Quotienten aus der ersten Differenz U_L und der zweiten Differenz V_Q sowie der Vorzeichen der ersten Differenz U_L und der zweiten Differenz V_Q ermittelt.
Insbesondere wird die Bewegungsrichtung β₁ aus dem Quotienten U_L/V_Q gebildet, so dass daraus der cotβ₁ gebildet wird. β₁ wird beispielhaft auf die Antennenlängsachse bezogen. Die Eindeutigkeit der Bewegungsrichtung β₁ wird anhand der Vorzeichen von U_L und V_Q ermittelt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Geschwindigkeit des Emitters auf Basis der ermittelten Bewegungsrichtung sowie der ersten Differenz U_L und der zweiten Differenz V_Q ermittelt.
Vorzugsweise wird die Geschwindigkeit V, eines bewegten Emitters sowohl für die erste als auch für die zweite Antennenzeile ermittelt. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise die Geschwindigkeit auch dann ermittelt werden, wenn bei bestimmten Einfallswinkeln das Dopplersignal für eine der Antennenzeilen Null wird. In einem solchen Fall kann die Geschwindigkeit V, dann aus der jeweils anderen Antennenzeile ermittelt werden.
Ein zweiter unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Sensorvorrichtung zur passiven Ermittlung einer Bewegungsrichtung und einer Geschwindigkeit von einem bewegten Emitter, umfassend:

– ein Antennensystem mit zumindest drei Einzelantennen, welche zumindest eine erste Antennenzeile und eine zweite Antennenzeile bilden; und
– eine Mess- und Auswerteeinheit, welche ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Insbesondere umfasst die Mess- und Auswerteeinheit einen Computer bzw. einen Prozessor.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung ferner ein Empfangssystem mit zumindest zwei Empfängern, die mit gemeinsamen Oszillatoren betrieben werden. Die mindestens zwei Empfänger werden insbesondere mit gemeinsamen Oszillatoren gespeist, um gleiche ZF-Signale zu erzeugen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung ferner zumindest zwei Mischer zur Durchführung eines Kompensationsverfahrens. Insbesondere umfasst die Sensorvorrichtung zumindest zwei Mischer zur Durchführung eines Kompensationsverfahrens pro Antennenzeile.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung ferner eine Signalaufbereitungseinheit zur Aufbereitung von Ausgangssignalen der zumindest zwei Mischer.
Insbesondere verarbeitet die Signalaufbereitungseinheit die Ausgangssignale von zwei Mischern, um einerseits das Kompensationsverfahren zu ermöglichen und andererseits die Signalauswertung von Empfangssignalen von bewegten Emittern durchzuführen.
4. Kurz Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Übersicht, wie von einem bewegten Emitter mit nur einer Aussendung die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit auf der Sensorseite erfolgen kann;
2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform;
3 zeigt eine schematische Zeichnung mit den Einfallswinkeln auf der Sensorseite für ein Antennensystem mit Einzelantennen in L-Form; Weiterhin ist die Bewegungsrichtung eines Emitters, dargestellt mit Bezug auf die L-Form des Antennensystems, dargestellt.
5. Detaillierte Beschreibung anhand von Zeichnungen
5.1 Vorbemerkung
Das Dopplersignal eines Funksignals von einem bewegten Emitter 13 (siehe 1) kann sich beim empfangenden Sensor 100 aus folgenden Anteilen zusammensetzen:

• Dopplersignal aus der virtuellen Antennenbewegung eines Sensors 100;
• Dopplersignal aus der Bewegung eines Emitters 13; und
• Dopplersignal aus der Eigenbewegung eines Sensors 100 auf einer fliegenden Plattform.

Bei Messungen treten diese Anteile von Dopplersignalen gemeinsam auf. Zur Ermittlung einer Bewegungsrichtung von einem bewegten Emitter 13 ist es erforderlich, die unterschiedlichen Anteile von Dopplersignalen zu trennen, um dann nur den Anteil zu bewerten, der durch die Bewegung eines Emitters 13 verursacht wird.
Um dies zu erreichen, ist es notwendig, zwei grundsätzliche Messungen mit Auswertungen durchzuführen. Eine Messung dient zur Bestimmung des Einfallswinkels des Empfangssignals am Sensor 100. Die andere Messung dient zur Ermittlung von Dopplerfrequenzen, die sich aus den oben genannten Anteilen zusammensetzen.
Die Vorgehensweise zur Ermittlung einer Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit eines Emitters 13 erfolgt durch ein Verfahren, das die obigen Messungen auswertet. Die 1 vermittelt dazu einen plakativen Überblick.
In der 2 ist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 100 in einer bevorzugten Ausführungsform schematisch dargestellt. Dabei umfasst die Sensorvorrichtung 100 ein Antennensystem 20 mit drei Einzelantennen 1, 2 und 3 sowie einem Antennennetzwerk 4. Ferner umfasst die Sensorvorrichtung 100 eine Mess- und Auswerteeinheit 30. Die Mess- und Auswerteeinheit 30 umfasst eine Empfangseinheit mit einem ersten Empfänger 5, einem zweiten Empfänger 6 und mehrere Empfänger-Oszillatoren 7. Ferner umfasst die Mess- und Auswerteeinheit 30 ein Mischersystem mit einem ersten Mischer 8, der von einem Festfrequenzoszillator 10 gespeist wird, und einem zweiten Mischer 9, welcher vom ersten Mischer 8 und vom zweiten Empfänger 6 gespeist wird. Zudem umfasst die Sensorvorrichtung 100 eine Signalaufbereitungseinheit 11 und eine Prozessoreinheit 12.
5.2 Das Antennensystem mit Antennen-Netzwerk
Das Antennensystem 20 in der 2 besteht aus zwei Antennenzeilen und einem Antennennetzwerk. Die Antennenzeilen bestehen z. B. aus einer Längsachse und einer Querachse auf einer stationären oder fliegenden Plattform. Jede Antennenzeile kann mehrere Einzelantennen 1, 2 und 3 umfassen. Beide Antennenachsen können z. B. unter 90° angeordnet werden. Es versteht sich, dass aber auch abweichende Antennenanordnungen möglich sind.
In der 2 wird die „Antennenzeile Längsachse” durch eine erste Antenne 1 und eine zweite Antenne 2 gebildet. Die „Antennenzeile Querachse” wird durch die zweite Antenne 2 und eine dritte Antenne 3 gebildet. Beispielhaft können die beiden Antennenzeilen in einer „L-Form” angeordnet werden; die zweite Antenne 2 wird dann gemeinsam für beide Antennenzeilen verwendet.
Die Erzeugung von Dopplerverschiebungen auf beiden Antennenzeilen kann simultan oder sequentiell erfolgen (virtuelle Antennenbewegungen).
Eine virtuelle Antennenbewegung kann z. B. wie folgt ablaufen:

• „Antennenzeile Längsachse” im Uhrzeigersinn (cw) von Antenne 1 zu Antenne 2;
• „Antennenzeile Längsachse” gegen den Uhrzeigersinn (ccw) von Antenne 2 zu Antenne 1;
• „Antennenzeile Querachse” im Uhrzeigersinn (cw) von Antenne 2 zu Antenne 3;
• „Antennenzeile Querachse” gegen den Uhrzeigersinn (ccw) von Antenne 3 zu Antenne 2.

Das Antennen-Netzwerk 4 hat primär die Aufgabe, die virtuellen Antennenbewegungen durchzuführen. Dies erfolgt mittels Doppelmodulatoren, die die Antennenzeilen in zwei Richtungen, cw und ccw, virtuell bewegen.
5.3 Die Mess – und Auswerteeinheit
2 zeigt dazu die Funktionseinheiten.
5.3.1 Das Empfangssystem
Die Empfangssignale mit allen überlagerten Dopplerfrequenzen werden dem ersten Empfänger 5 zugeführt. Der zweite Empfänger 6 erhält Empfangssignale, die die virtuellen Dopplerfrequenzen nicht enthalten. Das Empfangssystem 5 und 6 arbeitet mit gemeinsamen Oszillatoren 7, um die Empfänger mit gleichen Oszillator-Signalen zu versorgen.
5.3.2 Das Mischersystem
Die 2 zeigt dazu die Baugruppen 8 (Mischer 1), 9 (Mischer 2) und 10 (Festfrequenz-Oszillator). Hier werden die ZF-Signale mit Filterung zur weiteren Verarbeitung aufbereitet.
5.3.3 Die Signalaufbereitung
Das gefilterte ZF-Ausgangssignal des zweiten Mischers 9 wird aufbereitet, um das Empfangssignal eines Emitters in seinem Einfallswinkel am Sensor unabhängig vom Elevationswinkel bestimmen zu können. Hierfür wird ein Dopplersignal verarbeitet, das nur noch aus der virtuellen Bewegung der Antenne zustande kommt. Die störenden Anteile von Dopplerfrequenzen aus der Bewegung eines Emitters oder einer Eigenbewegung des Sensors sind hier nicht mehr wirksam aufgrund eines Kompensationsprinzips. Es werden folgende Signale weiterverarbeitet:
Antennenzeile Längsachse:

• ZF mit nur virtuellem Dopplersignal-cw, mit Einfluss der Elevation
• ZF mit nur virtuellem Dopplersignal-ccw, mit Einfluss der Elevation

Antennenzeile Querachse:

Am Ausgang des ersten Mischers 8 stehen Dopplersignale zur Verfügung, die sich aus verschiedenen Anteilen zu resultierenden Dopplersignalen zusammensetzen. Sie stellen also eine Überlagerung von Dopplersignalen aus den virtuellen Antennenbewegungen eines Sensors, aus den Bewegungen von Emittern und eventuell auch aus der Eigenbewegung eines Sensors auf einer fliegenden Plattform selbst dar.
Das gefilterte ZF-Ausgangssignal der ersten Mischers 8 liefert folgende Signale, die weiterverarheitet werden:
Antennenzeile Längsachse:

• ZF mit allen Anteilen des Dopplersignals-cw, mit Einfluss der Elevation
• ZF mit allen Anteilen des Dopplersignals-ccw, mit Einfluss der Elevation

Antennenzeile Querachse:

• ZF mit allen Anteilen des Dopplersignals-cw, mit Einfluss der Elevation
• ZF mit allen Anteilen des Dopplersignals-ccw, mit Einfluss der Elevation.

Diese ZF-Ausgangssignale einschließlich deren Dopplersignale werden in der Signalaufbereitungseinheit 11 voneinander getrennt, so dass die Dopplersignale selbst in entsprechender Form zur Verfügung stehen. Es erfolgt eine Digitalisierung zur Weiterverarbeitung in der Prozessor-Einheit 12.
5.3.4 Die Prozessor-Einheit
Für die Ermittlung der Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit eines bewegten Emitters 13 werden in der Prozessor-Einheit 12 folgende Prozessschritte vorgenommen:

• Die Bestimmung des Einfallswinkels eines Empfangssignals erfolgt aus einer Quotientenbildung von Dopplersignalen im zweiten Mischer 9 – Der Einfallswinkel wird aufgrund der Quotientenbildung unabhängig vom Elevationswinkel im Bereich von 0° bis ca. ±80° bestimmt;
• Analyse von Dopplersignalen aus dem ersten Mischer 8, die eine Überlagerung von mehreren Dopplersignal-Anteilen enthalten.
– Es erfolgt eine Trennung dieser Anteile anhand eines nachfolgend erläuterten Verfahrens.

Das Verfahren wird für den aufwendigeren Fall, nämlich für einen Sensor 100 auf einer fliegenden Plattform angesetzt. Für eine stationäre Plattform vereinfacht sich dann der Vorgang.
Zur Erläuterung des Verfahrens werden folgende Parameter verwendet:

– Die zu messenden Dopplersignale setzen sich aus folgenden, bekannten Parametern zusammen: – V_e1 Geschwindigkeit der virtuellen Antennenbewegung. – V_p, Geschwindigkeit einer fliegenden. Plattform. – λ, Wellenlänge des Empfangssignals. – α₁, Einfallswinkel zur Längsachse für cw, (siehe 3). – α₂ = 180° – α₁; Einfallswinkel zur Längsachse für ccw, (siehe 3). – α₃ = 90° – α₁; Einfallswinkel zur Querachse für cw, (siehe 3). – α₄ = 90° + α₁; Einfallswinkel zur Querachse für ccw, (siehe 3).
– Die zu messenden Dopplersignale setzen sich aus folgenden, unbekannten Parametern zusammen: – β₁ Bewegungsrichtung einer Funkstation mit Bezug auf die Längsachse für „cw”, (siehe 3). – β₂ = 180° – β₁, Bewegungsrichtung einer Funkstation mit Bezug auf die Längsachse für „ccw”, (siehe 3). – β₃ = 90° – β₁, Bewegungsrichtung einer Funkstation mit Bezug auf die Querachse für „cw”, (siehe 3). – β₄ = 90° + β₁, Bewegungsrichtung einer Funkstation mit Bezug auf die Querachse für „ccw”, (siehe 3). – V_t, Geschwindigkeit eines bewegten Emitters (Target). – δ = Elevationswinkel für beide Antennenzeilen des Sensors zum bewegten Emitter. Definition: δ ist der Erhebungswinkel zwischen Sensor und Funkstation.

5.3.4.1 Die Ermittlung des Einfallswinkels eines Empfangssignals am Sensor
Wie aus der 3 ersichtlich, wird der Einfallswinkel a, eines Empfangssignals am Sensor 100 mittels Messungen und Berechnungen ermittelt und beispielsweise auf die Antennenzeile der Langsachse bezogen. Es werden die Ausgangssignale der Signalaufbereitungseinheit 11 in der Prozessor-Einheit 12 verarbeitet.
Der Einfallswinkel α₁ wird durch den Quotienten aus den gemessenen Dopplerfrequenzen für Längs-(f_DL) und Querachse (f_DQ) gebildet zu: cotα₁ = (f_DL)/(f_DQ); f_DL = (V_e1/λ)cosα₁cosδ; (δ ≠ 90°) f_DQ = (V_e1/λ)cos(90° – α₁)cosδ; (δ ≠ 90°) cotα₁ = (cosα₁)/(sinα₁) mit Bezug auf die Längsachse der Plattform.
Der Elevationswinkel δ hat hier also keinen Einfluss mehr auf die Einfallsrichtung.
Die Dopplerfrequenzen f_DL bzw. f_DQ werden für „cw” und „ccw” ermittelt. Dabei ist zu beachten, dass diese Dopplersignale nur von der virtuellen Antennenbewegung verursacht werden, also unabhängig sind von äußeren Einflüssen, bezogen auf die Elektronik von Plattform/Ziel.
5.3.4.2 Die Ermittlung von Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit eines bewegten Emitters
Der Elevationswinkel δ wird bei den nachfolgenden Betrachtungen nicht mitgeführt, da sein Einfluss durch eine nachfolgende Quotientenbildung aufgehoben wird.
Die zu messenden Dopplersignale weisen folgende Struktur auf:
Die Dopplersignale aus der Längsachse für die Antennenbewegung „cw” (f_DLCW) werden gebildet aus: f_DLCW = {(V_e1 + V_p)/λ}cosα₁ + (V_t/λ)cosβ₁;
Die Dopplersignale aus der Längsachse für die Antennenbewegung „ccw” (f_DLCCW) werden gebildet aus: f_DLCCW = {(V_e1 – V_p)/λ}cos(180° – α₁) – (V_t/λ)cos(180° – β₁);
Die Dopplersignale aus der Querachse für die Antennenbewegung „cw” (f_DQCW) werden gebildet aus: f_DQCW = {(V_e1 + V_p)/λ}cos(90° – α₁) + (V₁/λ)cos(90° – β₁);
Die Dopplersignale aus der Querachse für die Antennenbewegung „ccw” (f_DQCCW) werden gebildet aus: f_DQCCW = {(V_e1 – V_p)/λ}cos(90° + α₁) – (V_t/λ)cos(90° + β₁);
Addition der Dopplersignale „cw” und „ccw”:
Eine Addition von „cw” und „ccw” der gemessenen Dopplersignale für jede Antennenzeile beseitigt interne Anlagenfehler, da sie unterschiedliche Vorzeichen aufweisen aufgrund der Antennenbewegungen „cw” und „ccw”. Deshalb werden diese Anteile in den nachfolgenden Gleichungen nicht mitgeführt. Weiterhin werden die einzelnen Terme nach bekannten und unbekannten Parameter erkennbar, so dass eine Trennung dieser Anteile möglich wird, wie nachfolgend gezeigt wird. Z. B. Antennenzeile Längsachse: f_DLCW + t_DLCCW = ΣL; z. B. Antennenzeile Querachse: f_DQCW + f_DQCCW = ΣQ; ΣL = {[(V_e1 + V_p)/λ]cosα₁ + [(V_e1 – V_p)/λ]cosα₂} + (V₁/λ)[cosβ₁ – cosβ₂]; ΣQ = {[(V_e1 + V_p)/λ]cosα₃ + [(V_e1 – V_p)/λ]cosα₄} + (V_t/λ)[cosβ₃ – cosβ₄]; ΣL – {[(V_e1 + V_p)/λ]cos α, + [(V_e1 – V_p)/λ]cosα₂} = U_L; U_L = (V_t/λ)[cosβ₁ – cosβ₂]; ΣQ – {[(V_e1 + V_p)/λ]cosα₃ + [(V_e1 – V_p)/λ]cosα₄} = V_Q; V_Q = (V_t/λ)[cosβ₃ – cosβ₄];
Die obige Vorgehensweise ergibt, dass gleiche Ergebnisse zustande kommen für Sensoren, die sich auf stationären oder fliegenden Plattformen befinden.
Ermittlung der Bewegungsrichtung β₁:
Im Folgenden wird auf die 3 Bezug genommen: Es soll die Bewegungsrichtung β₁ eines bewegten Emitters mit Bezug zur Antennenzeile „Längsachse” der Plattform berechnet werden.
Der Quotient aus U_L und V_Q lässt auf die Bewegungsrichtung schließen: U_L = (V_t/λ)2cosβ₁; V_Q = (V_t(/λ)2sinβ₁; U_L/V_Q = cosβ₁/sinβ₁ = cotβ₁.
Die Vorzeichen von U_L und V_Q aus beiden Antennenzeilen geben Aufschluss über den Quadranten zur Bewegungsrichtung einer Funkstation (Grobrichtung).
Die eindeutige Bewegungsrichtung wird wie folgt bestimmt:

• Der tanβ₁ liefert zwei Winkelwerte, die sich um 180° unterscheiden.
• Zur Bestimmung einer eindeutigen Bewegungsrichtung von β₁ sind die Vorzeichen von U_L und V_Q für die beiden Antennenzeilen zu berücksichtigen gemäß:
• Antennenzeile „Längsachse” – U_L = positiv für 0° < β₁ < 90°; (1. Quadrant) – U_L = negativ für 90° < β₁ < 180°; (2. Quadrant) – U_L = negativ für 180° < β₁ < 270°; (3. Quadrant) – U_L = positiv für 270° < β₁ < 360°; (4. Quadrant)
• Antennenzeile „Querachse” – V_Q = positiv für 0° < β < 180°; (1. und 2. Quadrant) – V_Q = negativ für 180° < β < 360°; (3. und 4. Quadrant)

Ermittlung des Betrages eines Geschwindigkeits-Vektors eines Emitters:
Die Anteile U_L und V_Q lassen erkennen, ob eine Bewegung von einer Funkstation vorliegt. Wesentlich dabei ist, dass diese Anteile jeweils aus „(cw + ccw)” gebildet werden:

• Bei Bewegung einer Funkstation sind die Anteile U_L und V_Q ungleich Null für V_t > 0 und β₁ ≠ 90°. – Wenn die Bewegungsrichtung β₁ = 90° und V_t > 0 ist, dann liefert eine der beiden Antennen-Zeilen einen Wert, der ungleich Null ist.
• Bei einer stationären Funkstation sind U_L und V_Q immer Null.
• Bei einem „Stopp” einer bewegten Funkstation wird dies im Sendefall erkannt.
• Die Ermittlung des Betrages der Geschwindigkeit von einer bewegten Funkstation soll wie folgt erfolgen: – Für beide Antennenzeilen (Längs – und Querachse) werden die oben ermittelten Anteile U_L und V_Q zur Bestimmung der Geschwindigkeit des bewegten Emitters herangezogen, da für eine Antennenzeile das Dopplersignal Null werden kann. – Für die Antennenzeile Längsachse soll gelten:
• V_t = (U_L·λ)/(cosβ₁ – cos (180° – β₁)); – Für die Antennenzeile Querachse soll gelten:
• V_t = (V_Q·λ)/[cos(90° – β₁) – cos(90° + β₁)].

6. Darstellung der Vorteile
Zusammenfassend werden folgende Vorteile angeführt:

• Aus nur einer einzigen Aussendung von einem Emitter 13 können folgende Eigenschaften eines Empfangssignals ermittelt werden: – Einfallswinkel des Empfangssignals am Sensor – Die Bewegungsrichtung eines bewegten Emitters – Die Geschwindigkeit eines bewegten Emitters;
• Das Verfahren arbeitet ohne Beeinträchtigung bei Elevationswinkeln von ±80°;
• Aus jeder Aussendung von einem Emitter können die obigen Parameter erneut ermittelt werden;
• Nur ein einziger Sensor ist erforderlich;
• Aus zwei Aussendungen kann bereits eine erste Wegstrecke von einem bewegten Emitter ermittelt werden;
• In einem Funknetz mit mehreren Teilnehmern, das auf einer Frequenz arbeitet, wird die Wegverfolgung mit den obigen Parameter wesentlich verbessert;
• Die obigen Eigenschaften sind in der passiven Funkaufklärung mit den bisher bekannten Verfahren nicht zu erreichen.

7. Anwendungsgebiet
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise für folgende Anwendungsgebiete eingesetzt werden:

• Funküberwachung und Funkaufklärung mittels eines stationären Sensors für ein bodengebundenes Überwachungsgebiet;
• Funküberwachung und Funkaufklärung mittels eines stationären Sensors für ein Überwachungsgebiet im Luftraum;
• Funküberwachung und Funkaufklärung mittels eines Sensors auf einer fliegenden Plattform für ein bodengebundenes Überwachungsgebiet und für einen Luftraum.

Bezugszeichenliste

1: Antenne L
2: Antenne M
3: Antenne Q
4: Antennen-Netzwerk, virtuelle Antennenbewegungen
5: Empfänger 1
6: Empfänger 2
7: Empfänger-Oszillatoren
8: Mischer 1
9: Mischer 2
10: Festfrequenz-Oszillator
11: Signalaufbereitung
12: Prozessor-Einheit
13: Bewegter Emitter
14: Antennenlängsachse/erste Antennenzeile
15: Antennenquerachse/zweite Antennenzeile
20: Antennensystem
30: Mess- und Auswerteeinheit
100: Sensor/Sensorvorrichtung
α₁: Einfallswinkel am Sensor
α₂: Einfallswinkel am Sensor
α₃: Einfallswinkel am Sensor
α₄: Einfallswinkel am Sensor
β₁: Winkel einer Bewegungsrichtung eines Emitters
β₂: Winkel einer Bewegungsrichtung eines Emitters
β₃: Winkel einer Bewegungsrichtung eines Emitters
β₄: Winkel einer Bewegungsrichtung eines Emitters

Claims

Verfahren zur passiven Ermittlung einer Bewegungsrichtung und einer Geschwindigkeit von einem bewegten Emitter (13) mittels einer Sensorvorrichtung (100), umfassend die Schritte: – Messen eines Einfallswinkels (α₁) eines von dem Emitter (13) ausgesandten Signals; – Ermitteln einer ersten Messgröße (x₁) und einer zweiten Messgröße (x_Q), jeweils auf Basis des gemessenen Einfallswinkels (α₁) und bekannten Parameter der Sensorvorrichtung (100); – Messen eines ersten Dopplersignals mittels einer virtuellen Antennenbewegung im Uhrzeigersinn für eine erste Antennenzeile (14) der Sensorvorrichtung (100); – Messen eines zweiten Dopplersignals mittels virtueller Antennenbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn für die erste Antennenzeile (14) der Sensorvorrichtung (100); – Messen eines dritten Dopplersignals mittels virtueller Antennenbewegung im Uhrzeigersinn für eine zweite Antennenzeile (15) der Sensorvorrichtung (100); – Messen eines vierten Dopplersignals mittels virtueller Antennenbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn für die zweite Antennenzeile (15) der Sensorvorrichtung (100); und – Ermitteln der Bewegungsrichtung und der Geschwindigkeit von dem bewegten Emitter (13) auf Basis der gemessenen vier Dopplerfrequenzen und der ersten und zweiten Messgröße (x_L, x_Q).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einfallswinkel (α₁) mittels Quotientenbildung aus der ersten und zweiten Antennenzeile (14, 15) mittels deren Dopplerfrequenzen unabhängig vom Erhebungswinkel des vom Emitter (13) ausgesandten Signals ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ermitteln der Bewegungsrichtung und der Geschwindigkeit von dem bewegten Emitter (13) auf Basis der gemessenen vier Dopplerfrequenzen und der ersten und zweiten Messgröße (x_L, x_Q) umfasst: – Ermitteln einer ersten Summe aus der ersten und zweiten Dopplerfrequenz und Ermitteln einer zweiten Summe aus der dritten und vierten Dopplerfrequenz; – Ermitteln einer ersten Differenz (U_L) aus der ersten Summe und der ersten Messgröße (x_L); – Ermitteln einer zweiten Differenz (V_Q) aus der zweiten Summe und der zweiten Messgröße (x_Q).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ermitteln der Bewegungsrichtung und der Geschwindigkeit des bewegten Emitters (13) auf Basis der ersten Differenz (U_L) und zweiten Differenz (V_Q) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Bewegungsrichtung des Emitters (13) anhand des Quotienten aus der ersten Differenz (U_L) und der zweiten Differenz (V_Q) sowie der Vorzeichen der ersten Differenz (U_L) und der zweiten Differenz (V_Q) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Geschwindigkeit des Emitters (13) auf Basis der ermittelten Bewegungsrichtung sowie der ersten Differenz (U_L) und der zweiten Differenz (V_Q) ermittelt wird.
Sensorvorrichtung (100) zur passiven Ermittlung einer Bewegungsrichtung und einer Geschwindigkeit von einem bewegten Emitter (13), umfassend: – ein Antennensystem (20) mit zumindest drei Einzelantennen (1, 2, 3), welche zumindest eine erste Antennenzeile (14) und eine zweite Antennenzeile (15) bilden; und – eine Mess- und Auswerteeinheit (30), die ausgelegt ist, ein Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 7, ferner umfassend: – ein Empfangssystem mit zumindest zwei Empfängern (5, 6), die mit gemeinsamen Oszillatoren (7) betrieben werden.
Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 7 oder 8, ferner umfassend: – zumindest zwei Mischer (8, 9) zur Durchführung eines Kompensationsverfahrens.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, ferner umfassend: – eine Signalaufbereitungseinheit (11) zur Aufbereitung von Ausgangssignalen der zumindest zwei Mischer (8, 9).