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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein die Radartechnik und insbesondere die Synchronisierung mehrerer Radareinrichtungen. Spezifisch betrifft eine bevorzugte Implementierung der Erfindung die Synchronisierung mehrerer Radareinrichtungen, die in demselben Frequenzband arbeiten.
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2. Stand der Technik
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Niederfrequente Radareinrichtungen, die im MF-, HF- und VHF-Band betrieben werden, haben mehrere Verwendungszwecke. Die Hauptanwendung war jedoch bisher die Echtzeitabbildung von Strömungen der Meeresoberfläche und die lokale Wellenüberwachung von Küstenstationen, wie sie bspw. auch in dem Artikel „Measurement of Ocean Surface Currents by the CRL HF Ocean Surface Radar of FMCW Type. Part 2. Current Vector” von A. Nadai u. a., veröffentlicht im „Journal of Oceanography”, Jahrgang 55, Seiten 13–30, 1998 beschrieben ist. Zu diesem Zweck bieten diese niederfrequenten Radareinrichtungen viele Vorteile. (i) Mit an der Küste angeordneten Antennen sind sie in der Lage, in dem Oberflächenwellenausbreitungsmodus über den Horizont hinaus zu sehen; niedrigere Frequenzen erreichen größere Reichweiten. (ii) Nur mit diesen niedrigen Frequenzen können Oberflächenströmungen aus dem von den Meereswellen Bragg-gestreuten Echo extrahiert werden; die üblicheren Mikrowellen-Radareinrichtungen können keine Oberflächenströmungen messen, und es gibt keine alternativen kosteneffektiven Meßtechnologien. (iii) Verringerte Datenraten, die sich aus der niedrigen Frequenz und der einzigartigen FMCW-Signalmodulation und -verarbeitung ergeben, gestatten eine einfache, kostengünstige digitale Signalerzeugung und -verarbeitung. Die hier betrachteten Radareinrichtungen können in der Regel frequenzmäßig um in der Regel drei Größenordnungen weniger als die üblicheren Mikrowellenradareinrichtungen arbeiten. Es wurden mehr als 100 Küsten-HF-Radareinrichtungen aufgebaut und arbeiten nun zur Überwachung von Meeresoberflächenströmungen, und die Nachfrage nach mehr Einheiten wächst schnell. Diese Anzahl plus drei horizontübergreifende Raumwellen-Radareinrichtungen stellen zur Zeit in der Welt die Gesamtanzahl aller HF-Radareinrichtungen dar. Dies steht im Kontrast zu vielleicht 200 Millionen Mikrowellen-Radareinrichtungen, die weltweit aufgebaut sind und existieren.
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Da die MF-/HF-/VHF-Bänder bisher für die meisten Radaranwendungen nicht benutzt wurden, wurden weder in den USA noch weltweit von der ITU (International Telecommunications Union) Frequenzbänder für Radareinrichtungen unterhalb von 430 MHz festgelegt. Somit müssen Benutzer ”sekundäre Lizenzen” beantragen, d. h. sie können ”primäre” Benutzer nicht stören. Um Störungen zu vermeiden, hätte jeder Benutzer gerne eine Frequenz getrennt von allen anderen HF-Radar-Benutzern (sowie von den herkömmlichen Funkbenutzern dieser Bänder). Das Problem verschlimmert sich durch die großen Signalbandbreiten, die im Gegensatz zu der Funkkommunikation für den Radarbetrieb benötigt werden. Um zum Beispiel eine Zelle mit 1 km Reichweite zu erzielen, benötigt man 150 kHz Bandbreite. Typische Funkkanäle nehmen 5 kHz Bandbreite oder weniger ein. Das heißt, daß ein Radarbenutzer das Monopol über 30 potentielle Funkkanäle hält. Schließlich nimmt bei HF (z. B. 5 MHz) eine gegebene feste Bandbreite (wie zum Beispiel 150 kHz) prozentual einen wesentlich größeren Anteil der Bandbreite als eine Mikrowelle (z. B. 5 GHz) ein. Durch all dies wird es deutlich, daß jeder neue Benutzer keine getrennte Frequenz für seine eigenen Zwecke erhalten wird; mehrere Benutzer müssen dieselbe Frequenz so gemeinsam benutzen, daß sie keine gegenseitigen Störungen verursachen.
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Ein Verfahren hierfür ist Zeitmultiplex. Durch dieses Verfahren würden sich mehrere Radarstationen zeitlich eine Frequenz teilen, und es würde auf synchronisierte Weise jeweils nur eine Station auf einmal ausstrahlen. Es sind zwei Arten von Zeitmultiplex möglich: Stationssequenzen und Impuls-zu-Impuls-Verschachtelung.
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Bei dem als Stations-Sequenz-Verfahren bezeichneten Zeitmultiplexverfahren sendet jede Radareinrichtung für eine Zeitspanne von mehreren Minuten gemäß einem sequentiellen Ablaufplan. Dadurch entsteht für die Abbildung von Oberflächenströmungen aus einem Meeresecho ein großer Nachteil. Die Qualität und Genauigkeit der Vektorabbildungen verbessert sich, wenn längere Echozeitreihen-Datenmengen verarbeitet werden. Derzeitige HF-Küstenradareinrichtungen, die sich als am effektivsten und akzeptabelsten erwiesen haben, arbeiten in kontinuierlichem Betrieb, wobei die Daten über Zeiträume von ein bis drei Stunden spektral verarbeitet und gemittelt werden. Das Sequenz-Verfahren für den Betrieb von sechs Radarstationen, damit alle dieselbe Frequenz, jeweils für eine Zeitspanne von zum Beispiel 10 Minuten, benutzen können, bedeutet, daß jede nur für ein Sechstel der Zeit eingeschaltet ist; das Abfallen der Datenqualität wäre signifikant.
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Die Impuls-zu-Impuls-Verschachtelung könnte auf Systeme angewandt werden, bei denen entweder ein kurzer Impuls oder eine Sequenz codierter Impulse abgestrahlt wird. Das Echo der Emission einer gegebenen Station wird für eine gegebene Station über ein Intervall erfaßt, das der Zeit entspricht, die ein Signal benötigt, um den Weg zu und von der am weitesten entfernten Bereichszelle, aus der Daten erwartet werden, zurückzulegen. Am Ende dieser Zeit würde normalerweise die Wellenformemission wiederholt werden. Bei der Impuls-zu-Impuls-Verschachtelung sendet am Ende dieser Periode an der Radareinrichtung Nr. 1, anstatt sich zu wiederholen, die Radareinrichtung Nr. 2 ihre Wellenform, während die Radareinrichtung Nr. 1 still bleibt (wie auch etwaige zusätzliche Radareinrichtungen, die auf dieser Frequenz arbeiten). Als nächstes strahlt die Radareinrichtung Nr. 3 aus. Es wird genug Schutzzeit vorgesehen, um die Ausbreitungsdistanz zwischen den verschiedenen Radareinrichtungsstandorten zu berücksichtigen. Dieses Verfahren hat einen sogar noch größeren Nachteil als das Stations-Sequenz-Verfahren. Die Zeit an der Radareinrichtung Nr. 1 bis zu ihrer nächsten Emission nimmt proportional mit der Anzahl zu verschachtelnder Stationen (plus etwas mehr für die Schutzzonen) zu. Dadurch verringert sich die von jeder Radareinrichtung ausgestrahlte Gesamtenergie entsprechend. Das Signal/Rausch-Verhältnis hängt jedoch direkt von der von der Radareinrichtung ausgestrahlten Gesamtenergie ab. Daher nimmt die maximale Distanz, innerhalb der qualitativ hochwertige Echos für einen gegebenen an der Radareinrichtung abgestrahlten Leistungspegel erhalten werden können, ab. Dieser Abstrich ist zu kostspielig.
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In dem Dokument
JP 2000-028705 A ist ein Zeitmultiplexverfahren in Zusammenhang mit Radarstation zur Wetterbeobachtung beschrieben. Zur Synchronisation der Radarstationen, damit jede Radarstation nur zu jeweils für sie vorgegebenen Zeitpunkten senden, wird die Zeitinformation aus der GPS-Positionsbestimmung verwendet.
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Ein unbefriedigender Ansatz, mit dem das oben erwähnte Problem des Zeitmultiplex behandelt wird, ist normales Frequenzmultiplex. Das Problem bei diesem Verfahren besteht darin, daß der spektrale Abstand zwischen jeder Frequenz mindestens so groß wie die Signalbandbreite sein muß. Bei sechs Radareinrichtungen entspricht dies effektiv der Anforderung von sechs getrennten Frequenzen jeweils mit einem 150 kHz breiten Kanal (um dem obigen Beispiel zu folgen).
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Ein weiteres wesentliches Hindernis bei der derzeitigen Technologie im Bereich der Echtzeitabbildung von Strömungen der Meeresoberfläche und/oder die lokale Wellenüberwachung von Küstenstationen ist die ineffiziente Benutzung von spektralen Bandbreitenbetriebsmitteln durch mehrere Radarsender und -empfänger und daß nicht jeder Radar mit maximaler Effizienz arbeiten darf, so als ob keine der anderen Radareinrichtungen anwesend wäre.
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Auf dem Gebiet der Radarabstandswarner bei Fahrzeugen, bei denen regelmäßig mehr als eine Radareinheit jeweils umfassend Sender und Empfänger an einem Fahrzeug vorgesehen ist, ist als Alternative zu Zeit- und Frequenzmultiplexverfahren aus dem Dokument
JP H04-313091 A auch ein Multiplex-Verfahren bekannt. Bei diesem Verfahren senden mehrere Radareinheiten an einem Fahrzeug im gleichen Frequenzband mit einer zeitlich versetzten linearen Frequenzmodulation, sodass die reflektierten Signale einer Radareinheit gegenüber den Signalen der anderen Radareinheiten derart phasenverschoben sind, dass sie eindeutig identifiziert werden können. Aus der Laufzeit eines so identifizierbaren Signals lässt sich die Entfernung zu einem, das Signal reflektierenden Objekt bestimmen. Die relative Geschwindigkeit zu dem Objekt wird gemäß Dokument
JP H04-313091 über die zeitliche Veränderung des dieser Entfernung bestimmt.
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Bisher wurden die Anforderungen einer effizienten Benutzung von Radarbetriebsmitteln zur Echtzeitabbildung von Strömungen der Meeresoberfläche und/oder die lokale Wellenüberwachung von Küstenstationen noch nicht voll erfüllt.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht mehr oder zumindest nur noch in vermindertem Umfang vorliegen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch sowie eine Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 10.
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In anderen Worten betrifft die Erfindung also ein Modulations-Multiplexverfahren für Mehrquellen-Funksignale auf der Grundlage von GPS-Signalen. Hochfrequenzsignale werden mit einer durch Taktsignale vorgeschriebenen Rate gesendet und empfangen. Die Taktsignale steuern außerdem die Modulation der empfangenen Hochfrequenzsignale. Die gesendeten und empfangenen Hochfrequenzsignale werden mit Sweep-Modulation moduliert.
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Dabei werden erfindungsgemäß mehreren Radarstationen Stationsnummern von 0 bis N zugewiesen. Aufeinanderfolgende Sweep-Modulationsstartzeiten werden von 0 bis N nummeriert, wobei jede nummerierte Sweep-Zeit einer Radarstation derselben Nummer entspricht. Signale werden von der Radarstation in der Reihenfolge der entsprechenden Sweep-Zeit gesendet und empfangen. Die Sweep-Startzeiten sind dabei so gewählt, dass sich zwar die HF-Signalbandbreite der Signale überlappen können, die Informationsbandbreiten der einzelnen Station sich aber nicht gegenseitig stören. Auch sind die Sweep-Startzeiten so gewählt, dass für jede Station n der Zeitpunkt des Empfangs des Direktsignals von Station n + 1 größer ist als der Zeitpunkt des Empfangs des fernsten erwarteten Ozeanechos von dem ausgestrahlten Signal der Radarstation mit der Stationsnummer n. Weiterhin ist die Senderreihenfolge der Radarstationen hinsichtlich der geringsten Gesamtzeit zwischen dem Sweep-Start für die erste und für die N-te Station optimiert.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung ausgebildet für das Mehrstations-Radarfrequenz-Sharing gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit GPS-Zeitmodulationsmultiplex. Sie umfaßt einen GPS-Empfänger, einen Automaten, einen Taktgenerator, einen Mikroprozessor, einen Speicherchip, einen Signalsynthesizer und ein digitales Datenausgabegerät. Der GPS-Empfänger extrahiert Zeitinformationen aus GPS-Signalen. Der Automat steuert Radarfunktionen als Funktion der Zeit. Der Mikroprozessor analysiert die empfangenen Echosignale.
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Weiterhin kann der Mikroprozessor ein Modulations-Multiplexverfahren an Radarsignalen ausführen.
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Diese und andere Ausführungsformen der Erfindung werden bei Betrachtung in Verbindung mit der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Es versteht sich jedoch, daß die folgende Beschreibung zwar verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und zahlreiche spezifische Einzelheiten dieser angibt, jedoch nur als Beispiel und nicht als Beschränkung angegeben wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die die vorliegende Beschreibung begleitenden und Teil dieser bildenden Zeichnungen sollen bestimmte Aspekte der Erfindung abbilden. Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf eine oder mehrere dieser Zeichnungen in Kombination mit der hier angegebenen Beschreibung besser verständlich.
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1 zeigt eine Hardware- und Softwareausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt Wellenformsignale, die in eine Ausführungsform der Erfindung eintreten und diese verlassen.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die Erfindung und die verschiedenen Merkmale und vorteilhaften Einzelheiten dieser werden ausführlicher mit Bezug auf die nicht einschränkenden Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der folgenden Beschreibung im einzelnen behandelt werden, ausführlicher erläutert. Für Fachleute werden anhand dieser Offenlegung verschiedene Substitutionen, Modifikationen, Zusätze und/oder Umordnungen innerhalb des Gedankens und/oder Schutzumfangs des zugrundeliegenden erfindungsgemäßen Konzepts erkennbar.
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Techniken der vorliegenden Offenlegung können eine einfache, kostengünstige aber genaue, universell verfügbare Zeitsteuerungsbasis (GPS) enthalten, die eine Synchronisierung mehrerer Rückstreu-Radarbenutzer ermöglicht.
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Techniken der vorliegenden Offenlegung können auch eine Mischung aus einer Vielzahl von Rückstreu- und bistatischen Endgeräten enthalten, die alle gleichzeitig arbeiten und sich dieselbe Frequenz teilen, aber Störungen untereinander vermeiden.
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Eine einzigartige Gelegenheit entsteht durch die Wellenform- und Signalverarbeitung, die von allen Küsten-HF-Radareinrichtungen verwendet wird, die dem Prinzip CODAR SeaSonde folgen. Diese patentierte Technik (
US-Patent Nr. 5,361,072 ) transformiert eine große HF-Bandbreite (z. B. 150 kHz) in eine sehr kleine Informationsbandbreite (z. B. 60 Hz) mittels des Demodulationsprozesses in dem Empfänger. Durch diesen Demodulationsprozeß kann man ”die Modulation multiplexen”, so daß mehrere Radareinrichtungen, die dieselben Signalformate benutzen, ihre HF-Signalbandbreite überlappen lassen können, ohne daß sich ihre Informationsbandbreiten gegenseitig stören. Der Anfang der Modulation jeder Station kann synchronisiert werden (durch Verwendung einer aus GPS abgeleiteten Zeitreferenz), so daß mehr als 100 Radareinrichtungen alle denselben 150-kHz-Kanal (um das obige Beispiel zu benutzen) verwenden können, aber die Leistung von einer in keiner Weise durch das Vorhandensein der anderen auf derselben Frequenz zur selben Zeit beeinträchtigt wird. Jede kann somit Daten zu 100% der Zeit sammeln und eine optimale Leistung erreichen, während ein wertvolles, begrenztes spektrales Betriebsmittel gemeinsam benutzt wird: nämlich ein einziger gekennzeichneter oder genehmigter Radarkanal. Dieses Modulations-Multiplexverfahren überwindet die Beschränkungen der oben besprochenen herkömmlichen Zeit- und Frequenzmultiplexverfahren.
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Aspekte der Erfindung werden mit Bezug auf 1 und eine in 2 gezeigte Zeichnung der Signalwellenformen ausführlich erläutert. Das Blockschaltbild in 1 zeigt sowohl Hardwarekomponenten als auch Softwareschritte, die für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nützlich sind. Ganz links befinden sich die HF-Radarantennenelemente: Senden und Empfangen. Ganz rechts befindet sich die GPS-Antenne. Als Rechtecke mit scharfen Ecken gezeigte Blöcke sind Hardwarekomponenten. Rechtecke mit runden Ecken stellen alle Softwareschritte dar, die an den empfangenen Radardaten durchgeführt und auf einem Computer ausgeführt werden, der bei einer Ausführungsform in Echtzeit läuft. Linien, die die Blöcke des Diagramms verbinden, sind durchgezogen gezeigt, wenn die Signale analog sind, bei digitalen Signalen sind sie gestrichelt. Die konzeptuellen Schritte der Hardware und Software, die die vorliegende Erfindung realisieren, werden durch Bezugnahme auf die Signalskizzen der zweiten Figur klargestellt. Das Ausgangssignal des Radarempfänger-Desktop-Computers 10 sind die digitalen Informationen über die Oberflächenströmung oder Wellen, gezeigt als die gestrichelte Linie, die nach rechts aus dem Block 10 austritt.
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Die Zeitquelle des Globalen Navigationssystems (GPS)
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Beginnend ganz rechts vom Blockdiagramm in 1 treffen Signale 130 aus einer sichtbaren Konstellation von GPS-Satelliten auf die GPS-Antenne 1 auf und werden in den GPS-Empfänger 2 weitergeleitet. Der Empfänger 2 ist spezifisch so ausgelegt, daß er Zeitinformationen aus den GPS-Signalen extrahiert, im Gegensatz zu den weit üblicheren Positionsinformationen herkömmlicher GPS-Empfänger, die das Hauptziel und der Hauptverwendungszweck des GPS-Satellitennetzwerks waren. Um genaue Positionsinformationen zu liefern, führen die einzelnen Satelliten jedoch Zeitsteuerungssignale, die untereinander mit einer Präzision und Genauigkeit von einigen wenigen Nanosekunden synchronisiert sind. Bei einer Ausführungsform können diese Zeitsteuerungssignale in Intervallen von einer Sekunde zur Erde gesendet werden.
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Abhängig von dem GPS-Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) werden die Impuls-pro-Sekunde-Positionen dieser Signale bezüglich der Zeit extrahiert und durch seinen Empfänger 2 ausgegeben. Da die momentane Zeitsteuerungsposition bei typischen SNR-Pegeln, die von kleinen erdgestützten Stationen verfügbar sind, nicht mit Nanosekundengenauigkeit bekannt ist, ist die Endstufe des GPS-Empfängers ein starkes Tiefpaßfilter, das als phasenverriegelter Oszillator (PLO) bezeichnet wird und die zeitliche Positionsgenauigkeit um Größenordnungen verbessert. Dieser PLO dient im wesentlichen als ein elektronisches Schwungrad mit großer Trägheit und kann eine Stunde oder mehr benötigen, um die für diese Anwendung gewünschte Zeitsteuerungsgenauigkeit von 1012 bis 1013 ppm zu erreichen.
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Das AWG-Modul (Advanced Waveform Generator)
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Konzepte, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, beginnen mit dem handelsüblichen AWG-Modul, das spezifisch von der CODAR Ocean Sensors, Ltd. (Los Altos, Kalifornien) für diese Anwendung entworfen und aufgebaut wird. Die Ausgangssignale von Block 2 sind: (i) ein hochstabiles 10-MHz-Taktsignal, das in einen weiteren phasenverriegelten Oszillator 3 weitergeleitet wird, und (ii) ein hochstabiler ein-Puls-pro-Sekunde-Datenstrom, der dem Radar-Automaten 5 zugeführt wird. Das dem phasenverriegelten Oszillator 3 zugeführte 10-MHz-Signal wird in ein 120-MHz-Zeitsteuerungssignal umgesetzt, das zur Erzeugung des Radarträgers und anderer erforderlicher interner Frequenzen verwendet wird. Dieses 120-MHz-Bezugssignal wird zu dem Taktgenerator 4 weitergeleitet. Es wird heruntergeteilt, um eine Anzahl anderer Bezugsfrequenzen zu erzeugen, die von anderen Einrichtungen benötigt werden: (i) ein 12 MHz-Signal, das dem Mikroprozessor 7 zugeführt wird, (ii) eine 40-MHz-Referenz, die dem Radar-Automaten 5 zugeführt wird, und (iii) ein 60- oder 120-MHz-Signal, das direkt zu dem digitalen Signalsynthesizer (DSS) und seinen Oszillatoren 6 weitergeleitet wird.
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Die Hauptfunktion des Radar-Automaten 5 besteht darin, der Radareinrichtung mitzuteilen, was sie als Funktion der Zeit tun soll. Zum Beispiel erzeugt er Signale, die die Senderausgangs- und Empfängereingangssignale ein- und ausschalten, so daß sie nicht gleichzeitig eingeschaltet sind. Außerdem schaltet er Schalter oder Gatter ein und aus, die Signale an verschiedenen Punkten in dem System weiter unterdrücken, durchlassen oder empfangen, wenn sie nicht erwünscht sind. Insbesondere bestimmt er den Start und das Ende der linearen Frequenz-Sweep-Modulation, die für die vorliegende Erfindung wichtig ist. Verschiedene Sweep-Startzeiten in verschiedenen Radareinrichtungen, die über die gemeinsame GPS-Zeitsteuerung synchronisiert werden, trennen die lokalen Meeresechoinformationen voneinander, so daß sie einander nicht stören.
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Der durch den Speicherchip 8 unterstützte Mikroprozessor 7 ist die Schnittstelle zu den digitalen Teilen des Systems, wie zum Beispiel dem Desktop-Computer 10, der es dem Bediener ermöglicht, die Radareinrichtung zu steuern, und der die empfangenen Echosignale in Echtzeit verarbeitet. Seine Kommunikationsausgaben zu dem Computer weisen mehrere Formen auf: USB, serielle Ausgaben (z. B RS-232), und System-Bussignale. Er kommuniziert außerdem über ein serielles RS-232-Kabel mit dem GPS-Empfänger 2. Schließlich sendet er Signale zu dem Sende/Empfangs-(T/R-)Schalter 9. Letzterer schaltet verschiedene Kanäle in dem Radarsender 11 und in dem Empfänger 12 ein und aus, die ihre Signale zu den entsprechenden Zeitpunkten während des Impulszyklus unterdrücken.
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Die eigentlichen Hochfrequenz-(HF-)Signale, die vom Sender 11 und dem Empfänger 12 benötigt werden, werden in dem Direkt-Signalsynthesizer-(DSS-)Block 6 erzeugt. Diese Signale enthalten die Sweep- und Impulsmodulationen. Die Sweep-Spanne der Frequenz, das Sweep-Wiederholungsintervall, die Impuls- und Austastperioden und die Trägerfrequenz werden alle digital dargestellt und erzeugt, wodurch sichergestellt wird, daß jede periodische Wiederholung der Wellenform mit allen vorherigen Zyklen identisch ist. Dadurch wird garantiert, daß Sporne und andere Unzulänglichkeiten der Wellenform bis auf Gleichstrom (die Null-Doppler-Spektralposition) verschoben werden, damit sie nicht die Dopplerverschobenen Meeresechoinformationen verunreinigen. Trägerfrequenzen zwischen 0 und 75 MHz können über diesen DSS-Chip durch das CODAR-AWG-Modul erzeugt werden. Seine Ausgangssignale werden zu dem Sendeverstärker 11 weitergeleitet und durch die Sendeantenne 13 abgestrahlt. Kopien dieser Signale zusammen mit ihren Quadraturversionen werden in dem Empfänger 12 mit dem ankommenden Echo, Rauschen und anderen Radarsignalen, die in sein Antennensystem 14 eintreten, gemischt.
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Alle diese in dem AWG-Block durchgeführten Funktionen werden als ein verschlossenes Modul mit einer Größe von 6 × 5 × 1 Zoll so wie bei den CODAR SeaSondes implementiert.
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Modulations-Multiplexverfahren zur Ermöglichung eines Mehrfachstationsbetriebs
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Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die synchronisierte Zeitsteuerung der Sweep-Startzeiten der linearen Frequenzmodulation mehrerer Radarsender, die auf derselben Trägerfrequenz arbeiten. Aus demselben gemeinsamen GPS-Zeitsteuerungssignal in Warteschlangen eingereiht, werden sie so programmiert, daß sie zu genau festgelegten, etwas unterschiedlichen Zeitpunkten starten. Diese Zeitpunkte hängen von den Radarstandortgeometrien in bezug aufeinander ab, deren optimale Bestimmung im nächsten Abschnitt beschrieben wird. Eine Ausführungsform der Erfindung ist in
1 gezeigt. Drei Signale
100,
110,
120 aus drei verschiedenen Radarsendern, die dieses Konzept verwenden, sind in
2 dargestellt. Das Signal
100, das von der Radareinrichtung ausgestrahlt wird, die als Bezug dient (Radareinrichtung Nr. 1), ist als die Sendeantenne
13 verlassend gezeigt. Das Signal
100 tritt unmittelbar in die Empfangsantenne
14 ein. Zeitlich sehr kurz danach folgen die Meeresechos aus der eigenen Sendung dieser Radareinrichtung. Die starken Direktsignale von Radareinrichtung Nr. 2 und Radareinrichtung Nr. 3 treten jedoch ebenfalls gleichzeitig in die Radarantenne
14 und auch in den Empfänger
12 ein. Man kann vorläufig annehmen, daß alle Signale der Einfachheit halber Dauerstrichsignale (CW), d. h. nicht gepulst sind, obwohl die Erfindung die standardmäßige impuls-torgeschaltete lineare FM-Modulation des
US-Patents Nr. 5,361,072 abdeckt und mit dieser arbeitet.
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Die drei oberen Tafeln von 2 zeigen übertriebene Kurven der Direktsignalwellenformen aus der Bezugsradareinrichtung Nr. 1 200, sowie der Radareinrichtung Nr. 2 210 und der Radareinrichtung Nr. 3 220, der Reihe nach von oben. Die Direktsignalquellen aus den Radareinrichtungen Nr. 2 210 und Nr. 3 220 sind am wichtigsten, statt ihrer jeweiligen Heeresechos. Ihre Heeresechos sind schwach und spektral ausreichend aufgefächert, so daß sie wahrscheinlich nicht als Radarstörung sichtbar werden. Die Figur zeigt, daß die potentiell störenden Direktsignalwellenformen aus den Radareinrichtungen Nr. 2 210 und Nr. 3 220 jeweils zeitlich etwas verzögert sind. In der Praxis beträgt für den Betrieb der CODAR SeaSonde die Sweep-Wiederholungsperiode 0,5 Sekunden, und die Sweep-Verzögerungen liegen in der Größenordnung von 1 Millisekunde; die in der zweiten und der dritten Tafel gezeigten Offsets sind hier übertrieben, um das Konzept darzustellen. Die Mittenträgerfrequenz kann in der Regel in der Nähe von 13 MHz liegen, und die Frequenz kann 50 kHz überstreichen; dies würde eine Bereichsauflösung von 3 km bereitstellen. Auf der Skizze gezeigte Einheiten sind willkürlich.
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Im Empfänger wird das direkte Sendesignal, das gerade abgestrahlt wird 200, mit den empfangenen Signalen gemischt. Sowohl das Mischereingangssignal (Sendesignal) als auch die Empfängersignale weisen dieselben linearen sweep-frequenzmodulierten Wellenformen auf, die lediglich zeitlich voneinander verzögert sind. Die vierte Tafel von oben 230 zeigt die Momentanfrequenzen als Funktion der Zeit für die vorherigen drei Direktsignal-Wellenformtafeln.
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Der Mischvorgang entfernt die Sweeps durch Subtrahieren der beiden Signalphasen. Wenn die demodulierten Ausgangssignale dieses Mischvorgangs als Frequenz der Signale als Funktion der Zeit aufgetragen werden, zeigt die unterste Tafel 240 die Ergebnisse für die Bezugsradareinrichtung 200 sowie die für die beiden störenden Signale 210, 220. Das Direktsignal nach der Demodulation fällt auf die Nullfrequenz, und die Meeresecho-Dopplerinformationen für die gesamte benutzbare Reichweitenspanne der Bezugsradareinrichtung liegen in der Regel innerhalb von 100 Hz von Gleichstrom (d. h. der Nullfrequenz).
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In 1 trennt die Tiefpaßfilterung im Empfänger 12 sowie die digitale spektrale Verarbeitung in dem Computer/Prozessor 10 Echoinformationen einer Radareinrichtung, während alle störenden Direktsignale von den anderen Radareinrichtungen verworfen werden. Somit weisen die Radareinrichtungen Nr. 2 und Nr. 3 programmierte Offsets ihrer Sweep-Modulationsstarts auf, so daß ihre empfängerdemodulierten Ausgangssignale in einem Bereich, der sich nicht mit den Informationen aus der gewünschten Bezugsradareinrichtung überlappt, um mindestens 100 Hz getrennt sind. Obwohl mehrere Radareinrichtungen gleichzeitig denselben 50-kHz-Frequenzkanal nutzen und ihre Signale gegenseitig in ihre Empfänger eintreten, werden daher ihre demodulierten Informationsbänder deutlich durch die hinter der vorliegenden Erfindung stehenden GPS-synchronisierten Modulations-Multiplexkonzepte getrennt. Wenn die Sweep- oder HF-Bandbreite des Radarsignals 50 kHz und die Informationsbandbreite nach der Demodulation nur 50 Hz beträgt, können theoretisch sogar 50 000/50 = 1000 Stationen alle in demselben Frequenzkanal arbeiten, ohne gegenseitig ihre Informationen zu stören oder zu verschlechtern.
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Wenn der Sweep-Modulation ein Impulsbetrieb überlagert wird, kann in der Praxis diese Anzahl auf 20 abfallen. Wenn jedoch mehr Radareinrichtungen geographisch in Bündeln von 20 gruppiert werden, um nur innerhalb jeder Gruppe GPS-synchronisiert zu werden, können jedoch Radareinrichtungen in ferneren geographischen Gruppierungen ungestraft arbeiten, da durch ihre Distanzen zu anderen Gruppen ihre Signale ausreichend schwach bleiben, so daß sie nicht stören. Somit kann man Hunderte von Radareinrichtungen, die über ein Land oder einen Kontinent verteilt sind, ohne gegenseitige Störungen auf demselben Frequenzkanal betreiben.
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Methodologie für Offset-Modulationen zur Minimierung der Gesamt-Spektralbelegung durch mehrere Radareinrichtungen
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Ein wichtiger Teil der Erfindung besteht darin, ein Schema zu finden, das die optimalen Startzeiten für die Sweep-Modulationen mehrerer Stationen bestimmt, um so die Gesamtanzahl ausstrahlender Stationen, die denselben Frequenzkanal benutzen, zu maximieren. Es wird hier eine Ausführungsform für ein solches Optimierungsschema beschrieben. Der Klarheit halber wird dann für drei Stationen entlang einer geraden Küstenlinie ein Beispiel gegeben.
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Der hier beschriebene Algorithmus verwendet eine eingeschränkte Minimierung, wobei die zu minimierende Funktion die Sende-Sweep-Startzeit der letzten Station, der N-ten Station ist, wobei die erste Station zum ”Nullzeitpunkt” startet und alle anderen Stationen Startzeiten zwischen Null und der der N-ten aufweisen. Wenn die betrachtete Stationsnummer als n dargestellt wird, variiert n zwischen 1 und N, und die aufeinanderfolgenden Sweep-Startzeiten werden vom Nullzeitpunkt (für die n = 1. Station) in zunehmender Reihenfolge von n angeordnet. Die Einschränkungen bestehen darin, daß für jede Station n der Zeitpunkt des Empfangs des Direktsignals von Station n + 1 größer als der Zeitpunkt des Empfangs des fernsten erwarteten Ozeanechos von dem ausgestrahlten Signal der Station n ist. Die einer gegebenen Station zugewiesene Zahl n kann willkürlich sein; es sind für diese Zuweisung N-Fakultätpermutationen möglich. Wenn man alle diese möglichen Permutationen durchschreitet, findet man die beste Permutation in derjenigen, die der geringsten Gesamtzeit zwischen dem Sweep-Start für die 1. und die N-te Station entspricht. Es zeigt sich, daß die Ergebnisse in der Sendereihenfolge symmetrisch sind, d. h. wenn die Reihenfolge {1, 3, 4, 2} optimal ist, dann ergibt auch {2, 4, 3, 1} dasselbe optimale Ergebnis.
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Es wurde das Werkzeug ”Linear Programming” des handelsüblichen Softwarepakets Mathematica®, das für PCs, Macintosh®-Computer oder Workstations erhältlich ist, verwendet. Beim Einrichten der ”constraint matrix” müssen die Zwischenstationsdistanzen und die von jeder erwartete maximale Echodistanz eingegeben werden.
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Durch Verwendung dieser Methodologie zum Packen der Sweep-Startzeiten von N Stationen in die kleinstmögliche Zeitspanne packt man auch ihre Informationsbandbreite nach der Demodulation in die kleinstmögliche Bandbreite. Diese Beziehung zwischen Sweep-Startzeit und der demodulierten Frequenz, auf der das Signal erscheint, wurde im vorherigen Abschnitt behandelt. Anders ausgedrückt ermöglicht die Methodologie dieses Abschnitts das Packen der maximal möglichen Anzahl von Stationen an festen Standorten in einen gegebenen Informationsbandbreitenraum (z. B. 2 kHz) ohne wechselseitige Störungen. Diese Einschränkung ist sowohl für Rückstreu- als auch bistatische Radareinrichtungskonfigurationen anwendbar.
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Zum Beispiel nehme man an, daß drei Stationen entlang einer geraden Nord-Süd-Küstenlinie in einem Abstand von ungefähr 30 km angeordnet sind. Man nehme an, daß diese Systeme Rückstreu-Radareinrichtungen sind (nicht bistatisch). Außerdem nehme man an, daß die maximale Reichweite für jede Radareinrichtung (d. h. die äußere Grenze für den Bereich, aus dem Echos gesammelt werden) 100 km beträgt. Als letztes wird angenommen, daß zwischen den Echos einer Radareinrichtung und der Direktsignal-Empfangszeit der nächsten Radareinrichtung keine Schutzzone besteht.
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Es folgen die genauen Stationsstandorte (Längen- und Breitengrade), die in das Programm für eingeschränkte Minimierung eingegeben wurden:
Station 1: 122°0' W; 36°43,782' N;
Station 2: 122°0' W; 37°00,000' N;
Station 3: 122°0' W; 37°16,218' N.
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Die beste Lösung bezüglich des Packraums für Startzeiten wird gefunden, wenn die Stations-Abfolge als {1, 3, 2} oder {2, 3, 1} angeordnet wird. Die aufeinanderfolgenden Startzeiten in Mikrosekunden für ihre Sweeps lauten dann: {0, 466,67 und 1033,34}. Gemäß dem oben verwendeten Beispiel einer Sweep-Breite von 50 kHz, die Zellen mit 3 km Reichweite liefert, und einer Sweep-Wiederholungsrate von 2 Hz (entsprechend einem Sweep-Wiederholungsintervall von 0,5 Sekunden) bedeutet dies, daß die drei Stationen in eine demodulierte Informationsbandbreite von 103,34 Hz gepackt werden. Die Echos von jeder Radareinrichtung erzeugen eine Informationsinhaltsbandbreite, die sich nicht mit der von den beiden anderen überlappt.
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Die derzeitige Verarbeitung des demodulierten Ausgangssignals von CODAR SeaSonde sichert eine Informationsbandbreite zwischen –2048 Hz und +2048 Hz, so daß die Inhalte aller drei Radareinrichtungen in die digitalisierte Signalinformationskapazität der Radareinrichtungen fallen, sich aber in diesem Band nicht überlappen.
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Als letztes sollte beachtet werden, daß mindestens einer dieser drei ein bistatischer Sender sein könnte, wobei der bzw. die übrigen Empfänger nicht nur dessen eigene Rückstreu-Echos aufzeichnen, sondern auch die Echos von dem bzw. den bistatischen Sendern, mit denen er synchron und kohärent arbeitet. Dadurch kann ein Empfänger gleichzeitig mehr als einen Sender versorgen, wodurch man ein einfaches Rückstreu-Radarnetz mit stark vergrößerter Fähigkeit erhält, indem eine bistatische Verbesserung der Abdeckung, Auflösung und Genauigkeit hinzugefügt wird.
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Die Begriffe ein oder eine, die hier verwendet werden, sind als eins oder mehr als eins definiert. Der hier verwendete Begriff mehrere ist als zwei oder mehr als zwei definiert. Der hier verwendete Begriff weiterer ist als mindestens ein zweites oder mehr definiert.
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Praktische Anwendungen der Erfindung
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Eine praktische Anwendung der Erfindung, die in der Technik wertvoll sein kann, besteht bei der Echtzeitabbildung von ozeanischen Oberflächenströmungen. Außerdem ist die Erfindung auch für die lokale Wellenüberwachung von Küstenradarstationen nützlich. Für Durchschnittsfachleute werden anhand der vorliegenden Beschreibung weitere Verwendungszwecke ersichtlich sein.
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Vorteile der Erfindung
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Folglich konzentrieren sich die Vorteile der vorliegenden Erfindung auf die Möglichkeit, daß mehrere HF-Radareinrichtungen, die sich normalerweise gegenseitig stören könnten, ohne Leistungsverlust auf derselben Frequenz arbeiten können.
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Alle offengelegten Ausführungsformen der hier offengelegten Erfindung können angesichts der vorliegenden Offenlegung ohne übermäßiges Experimentieren hergestellt und verwendet werden. Die Erfindung ist nicht auf hier angeführte theoretische Aussagen beschränkt.
