DE1248754B - Verfahren zur Bestimmung der Emfallsnchtung von N (N > 1) in einem Kanal liegenden ms besondere kohärenten elektromagnet! sehen Wellen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAM

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIs

Deutsche Kl.: 21 a4 - 48/23

Nummer: 1 248 754

Aktenzeichen: ' T 28543 IX d/21 a4

Anmeldetag: 8. Mai 1965

Auslegetag: 31. August Ϊ967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Einfallsrichtung von N (N > 1) in einem Kanal liegenden, insbesondere kohärenten elektromagnetischen Wellen unter Verwendung von mindestens 2 N beliebig aufgestellten Antennen.

Am Peilort ergibt sich in sehr vielen Fällen ein Interferenzfeld. Das kann einmal daher rühren, daß die Wellen eines Senders auf verschiedenen Wegen zum Peilempfänger kommen oder daß Wellen an irgendwelchen Hindernissen reflektiert werden und sich am Empfangsort mit der direkt ankommenden Welle überlagern. Auch kann das Interferenzfeld durch Überlagerung gleichfrequenter Wellen verschiedener Sender zustande kommen. In all diesen Fällen versagen die üblichen Peiler. Obwohl z. B. bei dem von Watson Watt angegebenen Zweikanalprinzip für Sender, die zwar im gleichen Kanal liegen, aber mit verschiedenen Frequenzen senden, eine Peilung möglich ist, versagt auch diese Peileinrichtung beim Empfang von gleichf requenten Wellen.

Um auch für diesen Fall eine Peilung möglich zu machen, sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden. Im Krieg wurde in diesem Zusammenhang ein Großbasispeiler mit dem Decknamen »Wullenwever« geschaffen (»Die Großbasis-Peilanlage 'Wullenwever'«, von Hans Rindfleisch, erschienen in »NTZ«, 1956, H. 3, S. 119 ff.). Diese Anlage besteht aus einer großen schwenkbaren Antennenzeile, durch die spitze Diagrammkeulen erzeugt werden und bei der auch gleichfrequente Sender mit verschiedenen Einfallswinkeln, wenn diese nur so weit auseinanderliegen, daß sie nicht in den Öffnungswinkel einer Keule fallen, bestimmt werden können. Diese Anlage ist allerdings sehr aufwendig.

Eine andere bekannte Anordnung zur Peilung bei Vorhandensein eines Interferenzfeldes ist die als Dopplerpeiler bekanntgewordene Anordnung (»Neue Funkpeilmethode« von W. Rosinski, erschienen in »Nachrichtentechnik«, Juli 1953, H. 7, S. 302 ff.). Diese Anordnung verkleinert zwar den Peilfehler gegenüber dem Adcock, beseitigt ihn aber nicht. Trotzdem ergibt sich auch hier wieder der Nachteil eines großen Aufwandes.

In neuerer Zeit ist eine Anordnung zur Peilung von (N) in einem Kanal liegenden vorzugsweise kohärenten elektromagnetischen Wellen bekanntgeworden (deutsche Patentschrift 1 142 920). Bei dieser Anordnung wird ein Antennensystem verwendet, das aus 2 N beliebig aufgestellten Antennen besteht. Zur Auswertung der 2 N Antennenspannungen

ν_μ(μ=Λ

Verfahren zur Bestimmung der Einfallsrichtung
von N (iV > 1) in einem Kanal liegenden,
insbesondere kohärenten elektromagnetischen
Wellen

Anmelder:

Telefunken ... .

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:

Dr. Gerhard Jäger, Günzburg;

Dr. Werner Hasselbeck, Ulm/Donau;

Karl Fischer, Neu-Ulm/Donau;

Dipl.-Phys. Dr. Karl Baur, Ulm/Donau

(hierin bedeutet A_v = Et-Iv ein Faktor, der von Betrag und Phase abhängt, χ_μ, γ_μ den Standort der Antennen in kartesischen Koordinaten,

u_v = k cos e_v cos ex,, v_v = k cos e„ sin oc_v,

wobei ε_ν die Elevation, k die Wellenzahl und cc, der Einfallsazimut ist) wird hier ein Rechengerät, bestehend aus Phasendreh- und Addiergliedern, vorgesehen. Nach Maßgabe der durch Elimination der Faktoren A_v erhaltenen N Gleichungen werden diese Antennenspannungen derart ausgewertet, daß an mit den Phasendrehgliedern gekoppelten Gliedern dem Sinus und Cosinus der iVEinfallsazimute entsprechende Spannungen zur Verfügung stehen.

Nachteilig an diesem bekannten Rechenpeiler ist die Tatsache, daß in ihm mit Hochfrequenzspannungen gearbeitet werden muß. Hierdurch wird es notwendig, die 2iVAntennenspannungen im gleichen Zeitpunkt zu empfangen. Die Folge hiervon ist, daß man einen Empfänger mit 2 N gleichen Empfangskanälen benötigt. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Peilverfahren zu schaffen, welches diese Nachteile nicht aufweist, bei welcher es also nicht notwendig ist, die 2 N Antennenspannungen gleichzeitig an den Antennen abzunehmen.

709 639/183

3 4

Das erfindungsgemäße Verfahren geht ebenfalls von Wie bereits erwähnt, ist es bei dem erfindungseinem Antennensystem aus, das aus mindestens 2 N gemäßen Verfahren zur Bestimmung der Einfallsbeliebig aufgestellten Antennen besteht. Gemäß der richtung bzw. weiterer Größen der einfallenden Wellen Erfindung werden aus den 2 N Antennenspannungen nicht notwendig, die 2N Antennenspannungen zum

_N 5 gleichen Zeitpunkt zu gewinnen, da zeitliche Änderung

U =i...2jv) = ~*EjU ζ-ΐ(.^χμ^η*^+υμ^ν'>) ^er Amplituden bzw. der Phasen durch die Bildung

v — i der Verhältnisse zweier Amplituden bzw. der Diffe-

in an sich bekannter Weise 2 N — 1 Amplitudenver- renzen der entsprechenden Phasen immer heraus-

hältnisse fallen. Gemäß einer Weiterbildung ist es daher mög-

U_μ ίο lieh, einen Zweikanalempfänger einzusetzen, an dessen

U _+a Eingang nacheinander die entsprechenden Antennenpaare angeschaltet werden. Die Ausgangsgrößen der

sowie die Differenzen der entsprechenden Phasen der beiden Empfangskanäle werden Gleichrichtern und

Antennenspannungen zueinander einem Gerät zur Messung der Phasendifferenz zu-

(_φ _ _w \ ¹S geführt. Nach Bildung des Verhältnisses der beiden

VPμ Ψμ+α) Gleichspannungsamplituden werden dann die diesem

gewonnen; den Werten der Amplitudenverhältnisse Verhältnis sowie der Phasendifferenz entsprechenden

sowie der Phasendifferenzen entsprechende Werte Werte gespeichert. Hierzu werden nacheinander

werden einem Rechner eingegeben, der aus dem aus 4N—2 Speicher angeschaltet, wobei jedem Speicher-

4N- 2 verschiedenen Gleichungen bestehenden Glei- _ao paar das Amplitudenverhältnis und die Phasendiffe-

chungssystem renz eines Antennenpaares zugeführt wird. Hierdurch

■ -. I j, erhält der Rechner die 4N—2 ermittelten Werte gleich-

-j-J— ^μ ' cos (φ_μ — φ_μ+a) = Realteil — zeitig. Es ist selbstverständlich auch möglich, pro

Λ«+« Antennenpaar drei Speicher vorzusehen, in denen

beziehungsweise ^{a5 ne}ben der Phasendifferenz die beiden Spannungs

amplituden gespeichert werden. In diesem Fall wird

I U_μ I · , \ _ τ -ti Up ^as Verhältnis der beiden Amplituden erst im Rechner

I υ_μ+α\ ^{Sin Ψμ ψμ+α)}~ ^imag^ma«eu -Jf^ ermittelt. Man kann gemäß einer Weiterbildung der

Erfindung auch einen Zweikanalempfänger mit perio-

(σ ist eine positive oder negative, von O verschiedene 30 discher Vertauschung der Kanäle verwenden. Hierganze Zahl, die so bemessen ist, daß μ + α nicht durch wird erreicht, daß bei Verschiedenheiten der kleiner als 1 und nicht größer als die Antennenzahl Verstärkungsgrade bzw. verschiedener Phasenbeeinwird), die Werte für u_v und v, errechnet, aus denen flussung in den Empfangskanälen Fehlpeilungen versieh die Einfallswinkel «„ ergeben. mieden werden.

Es ist in der Literatur bereits erwogen worden, ein 35 Es ist selbstverständlich auch möglich, die oder

Antennensystem bestehend aus 2 N Antennen vorzu- einen Teil der Einzelantennen eines Adcocksystems als

sehen, wobei eine dieser Antennen als Bezugsantenne Antennensystem für das erfindungsgemäße Verfahren

verwendet wird (The Theoretical Design of Direction- heranzuziehen. Die Antennen eines Adcocksystems

Finding Systems for High Frequencies«, von W. C. wird man dann für das erfindungsgemäße Verfahren

B a i η , erschienen in »The Proceedings of the Insti- 40 heranziehen, wenn zusätzlich ein Adcockpeiler vor-

tution of Elektrical Engineers«, Vol. 103, Part B, gesehen ist.

Januar 1956, S. 113, Abschnitt (2), mit dem Titel An Hand des in der Zeichnung dargestellten Aus- »Systems in which the Equations of the Wave Inter- führungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert ference Field are solved«). Auch dort werden Ampli- werden. Der in der Zeichnung dargestellte Peiler, zur tudenverhältnisse und Phasendifferenzen zwischen den 45 Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist einzelnen Antennen und der Bezugsantenne ermittelt. für zwei Wellen ausgelegt. Er besteht demgemäß aus Es ist angedeutet, daß man mit diesen Amplitudenver- vier Antennen, deren Standort in der F i g. 1 in hältnissen und Phasendifferenzen ein Gleichungssystem einem rechtwinkligen Koordinatensystem eingezeichlösen kann, wodurch man unter anderem den Einfalls- net sind und mit 1 bis 4 bezeichnet sind. Bei der winkel erhält. Die rechnerischen Schwierigkeiten zur 50 gewählten Anordnung der vier Antennen sowie unter Lösung des Problems werden jedoch in der Literatur Annahme, daß die Welle 1 an der Antenne 1 wie folgt als erschreckend groß bezeichnet. Das Wesen der Er- normiert ist A₁ = le-'°° (wodurch sich für die Welle 2 findung besteht demgegenüber darin, daß ein beson- ergibt A₂ = Ae-iv; A ist das Verhältnis der Amplitude ders einfaches Rechenprogramm zur Auffindung der der Welle 2 zur Welle 1, ip ist der Phasenunterschied Einfallsrichtung gefunden wurde. 55 der beiden Wellen) erhält man für die vier Antennen-Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es spannungen:
auch möglich, die Elevationswinkel ε_ν der einfallenden , , _. _ ₁ . ,

Wellen zu ermitteln. Beispielsweise kann man das ' ^l ' ^e ' ~ ^{+ e} *■ ¹^

dadurch tun, daß man aus der Gleichung I U₂ I _e-}v>i = Q-javi _j_ ^ e-Uv+av,) _; (2.)

"v² + v_v ² = k^z cos² £„ \ U₃\ e-iv* = e-'<^eu> ^{+ ap}i> + A e~i (v>+i>u₂+av,) _; (3)

den Elevationswinkel ε berechnet. Hierbei ist k eine I {/ I e-^«"< = e-^⁶«« + ^i e-Hv+bwi> (4)

Konstante. Auch ist es möglich, die Feldstärke der I⁴I

einzelnen Wellen zu errechnen. Man kann zur Berech- Durch Bildung des Verhältnisses der beiden Spannung dieser Werte einen Analogrechner heranziehen, ⁶5 nungen der Gleichung (1) und (2) ergibt sich

jedoch ist auch der Einsatz eines Digitalrechners ohne . .

weiteres möglich, wobei letzterer den Vorteil einer I "11 _&-η·η-ψ2) — 1 + Ae ^φ

großen Genauigkeit aufweist. | U₂ 1 e~l^a* + A _e-H<p

Der Realteil der rechten Seite der Gleichung (5) ist gleich dem Ausdruck

I U₁

H- sin fa — φ₂) .

U₉.

cos (φ_χ — Cp₂);

\V_L,

Nimmt man die Antenne 1 auch bei der Bildung der folgenden Spannungs Verhältnisse als Bezugs-

dagegen ist der Imaginärteil der rechten Seite der antenne, so erhält man insgesamt folgendes aus sechs Gleichung (5) gleich dem folgenden Ausdruck: Gleichungen bestehendes Gleichungssystem:

Realteil

Imaginärteil ——
Realteil

Imaginärteil ——
Realteil —
Imaginärteil —-

1+Ae-i*

_{A e}-j_V

^cos (Vi -

^S1Q ^ ~

U₁ 1

sin (_Ψι -

^cos (Vi -

sin Op₁ -

(6)
(7)
(8)
(9)
(10)

(H)

Dieses Gleichungssystem enthält folgende Unbekannte: U₁, u₂, V₁, v₂, A und ψ. Diese sechs Unbekannten können aus den sechs oben angegebenen Gleichungen ermittelt werden. Hierzu ist es lediglich notwendig, dem Rechner die drei angegebenen Spannungsverhältnisse bzw. die vier Spannungsamplituden sowie die drei angegebenen Phasendifferenzen zu- __ zuführen.

Γ Da, wie oben erwähnt, auf Grund der Quotientenbildung bzw. Bildung der Phasendifferenz zeitliche Änderungen der Amplituden bzw. Phasen herausfallen, ist es möglich, die drei benötigten Amplitudenverhältnisse bzw. Phasendifferenzen nacheinander zu gewinnen. Es ist also möglich, einen Zweikanalpeiler einzusetzen, wie in F i g.__2 gezeigt ist. Dort sind mit 1 bis 4 die vier Antennen bezeichnet. Die beiden Kanäle des Zweikanalempfängers tragen die Bezugszeichen 5 und 6. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß die Antenne 1 Bezugsantenne ist. Sie bleibt also immer an dem Empfänger 5 angeschaltet. Dagegen werden mit Hilfe des Umschalters 7 die an den Empfangskanal 6 anzuschaltenden Antennen 2 bis 4 zyklisch vertauscht. In den Gleichrichtern 8 bis Jl werden diiTSi

amplituden. gebildet. Der an den Empfangskanal angeschaltete Umschalter 15 ändert seine Stellung synchron mit dem Umschalter?. Hierdurch erhält man an den Ausgängen dieser vier Gleichrichter 8 bis 11 nacheinander die vier benötigten Spannungsamplituden. In den Gliedern 16, 17 und 18 werden dann nacheinander Amplitudenverhältnisse gebildet und in den Speichern 19, 20 und 21 gespeichert. D_ie Differenz _ der Phasen der _ Spannungen des jeweils angeschalteten Äntennenp^re?r^ir^rSI3ia35Ιΐ£- dern 12 .bja^JaljiaSEanaPdSt^gfimSSS.eji. Der Umscnalter 22 läuft ebenfalls synchron mit den Umschaltern 7 und 15. An den Ausgängen der Glieder 12 bis 14 erhält man der Phasendifferenz proportionale Gleichspannungen, die in den Gliedern 23 bis 25 gespeichert werden. Dem Rechner 26 werden die in den Gliedern 19 bis 21 bzw. 23 bis 25 gespeicherten, nacheinander gewonnenen Spannungsverhältnissen bzw. Phasendifferenzen gleichzeitig zugeführt. In ihm wird der Sinus bzw. der Cosinus der drei Phasendifferenzen gebildet. Möglicherweise erhält man auch bereits bei der Phasenmessung dem Sinus und Cosinus entsprechende Gleichspannungen. Gemäß dem oben angegebenen Gleichungssystem errechnet er die Werte für U₁, U₂, V₁, v₂₎ gegebenenfalls A und ψ. Aus den Werten U₁, V₁ und M₂, V₂ erhält man schließlich den gesuchten Peilwinkel, indem man beispielsweise diesen Werten entsprechende Spannungen auf die Anzeigesysteme einer Anzeigeröhre gibt. Außerdem kann er noch zusätzlich die Elevationswinkel berechnen.

Wie bereits oben erwähnt, ist es keineswegs notwendig, vier Gleichrichter 8 bis 11 bzw. drei Phasendifferenzen-Meßglieder 12 bis 14 vorzusehen. Man kann vielmehr, und wird es in der Praxis auch tun, an die Ausgänge der beiden Empfangskanäle 5 und 6 je einen Gleichrichter sowie ein Phasenmeßglied anschalten, deren Ausgänge nacheinander mit den Speichern verbunden weiden. Wie bereits oben ebenfalls erwähnt, kann man die Empfängereingänge und Empfängerausgänge des Zweikanalempfängers 5 und 6, ähnlich wie für einen Zweikanalpeiler bekannt, periodisch vertauschen. Hierdurch werden Fehlpeilungen auf Grund von Unterschieden in den beiden Empfangskanälen vermieden, da sich dann die Unterschiede herausmitteln.

Bei dem in der F i g. 1 dargestellten Antennensystem ist angenommen, daß die vier Antennen Teil eines Sechsmast-Adcocks sind. Aus diesem Grund sind die Antennenabstände α und b verschieden groß.

Es ist keineswegs notwendig, wie im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der F i g. 2 beschrieben, die Antenne 1 oder eine andere Antenne als Bezugsantenne zu verwenden. Vielmehr können beliebige Spannungsverhältnisse und die entsprechenden Phasendifferenzen gebildet werden. Das Programm des Rechners muß dann jedoch entsprechend den drei Antennenpaaren, die nacheinander mit den Empfängern verbunden, gewählt sein.

Claims (10)

Vorn wurde erwähnt, daß mindestens TV Antennen verwendet werden sollen, obwohl zur Durchführung des Verfahrens nur N Antennen notwendig sind. Sind mehr Antennen vorhanden, so kann man aus dieser Antennenzahl zwei oder mehrere aus N Antennen bestehende Antennenkombinationen auswählen und (allerdings mit verschiedenen Rechenprogrammen) zwei- oder mehrmals den Einfallswinkel ausrechnen und über die erhaltenen Werte mitteln. Es sei auch noch erwähnt, daß man beim Ausführungsbeispiel der F i g. 2 die Nachricht am Ausgang des Empfängers 5 direkt abhören kann. Bleibt auch dieser Empfänger nicht immer mit einer Antenne verbunden, so ist es vorzuziehen, für das Abhören der Nachricht einen dritten Kanal vorzusehen. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Einfausrichtung von TV (N > 1) in einem Kanal liegenden, insbesondere kohärenten elektromagnetischen WeI-len unter Verwendung von 27V beliebig aufgestellten Antennen, dadurch gekennzeichnet, daß aus den 2 N Antennenspannungen

JV

(hierin bedeutet A, — Ee* ν ein Faktor, der von Betrag und Phase der v-Welle abhängt, χ_μ, γ_μ den Standort der Antennen in kartesischen Koordinaten,

u, = k cos ε_ν cos oc_v , v_v = k cos ε_ν sin a„,

wobei e„ die Elevation, k die Wellenzahl und tx, der Einfallsazimut ist) in an sich bekannter Weise

(2 N — I) Amplitudenverhältnisse -j~— sowie

Differenzen der entsprechenden Phasen der Antennenspannungen zueinander (ψ_μ — φ_μ + α) ge- *° wonnen werden und daß den Werten der Amplitudenverhältnisse sowie den Phasendifferenzen entsprechende Werte einem Rechner eingegeben werden, der aus dem aus (4/V—2) verschiedenen Gleichungen bestehenden Gleichungssystem

U₁₁

cos (φ_μ — φ_μ+ a) = Realteil

U₁

μ +a

beziehungsweise

45

50

^μ sin (φ_μ—φ _μ+α) = Imaginärteil ^μ

sin \<ρ_μ — φ_μ + α) = imaginarieu ——

(α ist eine positive oder negative, von 0 verschie-

dene ganze Zahl, die derart bemessen ist, daß μ+α nicht kleiner als 1 und nicht größer als die Antennenzahl wird), die Werte für u_v und v„ errechnet, aus denen sich die Einfallswinkel tx_v ergeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Elevationswinkel ε_ν der Wellen insbesondere durch Auswertung der Gleichungen

wobei k eine Konstante ist, ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich noch die Amplituden sowie die Phasenwinkel zwischen den N Wellen berechnet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Analogrechners.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Digitalrechners.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Amplitudenverhältnisse sowie der Phasendifferenzen jeweils zweier Antennenspannungen die entsprechenden Antennenpaare nacheinander mit einem Zweikanalempfänger verbunden werden und daß die Ausgangsgrößen der an den Ausgang dieses Zweikanalempfängers angeschalteten Glieder zur Bildung der 2 N—1 Amplitudenverhältnisse bzw. der 2N—1 Phasendifferenzen über nacheinander angeschaltete 4N—2 Speicher dem Rechner zugeführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung eines an sich bekannten Zweikanalempfängers mit periodischer Vertauschung der Kanäle, wodurch Fehlpeilungen auf Grund von Verschiedenheiten der Verstärkungsfaktoren sowie verschiedener Phasenbeeinflussungen in den Empfangskanälen vermieden werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Antennen die oder ein Teil der Einzelantennen eines Adcocksystems ausgenutzt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bildung der Amplitudenverhältnisse bzw. Phasendifferenzen jeweils die Antennenspannung einer der Antennen als Bezugsspannung ausgenutzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenpaare zyklisch an den Zweikanalempfänger angeschaltet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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