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Im
HF-Bereich (3–30
MHz) findet sich eine große
Anzahl an Sendungen verschiedener Modulationsarten. Zur Überwachung
eines solchen Frequenzbereiches wird im allgemeinen ein Vielkanalpeiler
eingesetzt, welcher Informationen über Frequenz, Einfallsrichtung
und Dauer einzelner Sendungen liefert. Im HF-Bereich führt dies
jedoch zu Problemen, da auf Grund dessen Charakteristik die Signale
in ihrer Intensität
schwanken (Signalfading).
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Die
DE 196 21 925 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Identifizierung von Frequenzsprungsendern, wobei
die Empfangssignale in einen Zeit-Frequenz-Raum transformiert werden.
Für jede
Frequenz des Frequenzbereichs werden Frequenz, Einfallsrichtung,
Verweildauer und Empfangspegel ermittelt. Mittels einer Anzeigeeinrichtung
wird die Zuordnung dieser Parameter zu einem empfangenen Signal
manuell ermittelt.
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In
der
EP 0 780 699 A1 ist
ein Ortungsverfahren unter Einsatz mehrerer räumlich verteilter Stationen
beschrieben, bei dem innerhalb jeder einzelnen Station eine Zusammenfassung
einzelner Signalproben zu Signalelementen vorgesehen ist. Der Aufbau der
Segmente erfolgt dynamisch, mit einem Parametersatz, der bis auf
Rauschstörungen
als zeitlich konstant angesehen wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Detektion und Segmentierung
von Sendungen zu entwickeln, welches erlaubt, auch den HF-Bereich
zuverlässig
zu überwachen,
wobei insbesondere die Falschalarmwahrscheinlichkeit und der Einflusses
des Fading auf die Detektion vermindert werden soll.
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Die
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrens aus
Patentanspruch 1 gelöst.
Die Unteransprüche enthalten
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Das
zu überwachende
Frequenzband wird in Frequenzkanäle
aufgeteilt, die in ihrer Anzahl entsprechend der gewünschten
Frequenzauflösung
gewählt
werden. Entsprechend dieser Kanalauswahl bildet der Vielkanalpeiler
in regelmäßigen Zeitabständen das
empfangene Zeitsignal im Frequenzbereich ab. Das Empfangssignal
wird somit zeit- und frequenz-diskret beschrieben. Jedes Element
in diesem diskreten Zeit-Frequenz-Raum
wird als Messzelle bezeichnet. Die Weiterverarbeitung ist durch
die Bestimmung geeigneter Merkmale der Sendungen in vorteilhafter
Weise so gestaltet, dass sich das Verfahren besonders für den Einsatz
im HF-Bereich, welcher sich durch Signalfading auszeichnet, geeignet
ist.
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Nachfolgend
wird beispielhaft mit Hilfe von Figuren die Detektion und Segmentierung
von Sendungen näher
erläutert. 1 zeigt
den diskreten Zeit-Frequenz-Raum, in welchen das Empfangssignal
transformiert wird. Beispielhaft sind die Bereiche einer Messzelle 1,
eines Elementarsendungsmessabschnittes ESMA 2 und einer
Elementarsendung ES 3 hervorgehoben.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm, das die möglichen
Zustände
einer Elementarsendung ES und deren Zusammenhang zwischeneinander
beschreibt.
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Für jeden
Messzeitpunkt und Frequenzkanal ergibt sich somit, entsprechend 1,
ein Element im Zeit-Frequenz-Raum, das im Folgenden Messzelle 1 genannt
wird. Beim Empfang weist der Vielkanalpeiler jeder Messzelle 1 bestimmte
Attribute zu. Dies sind ihr Signalpegel und der von der Empfangsrichtung
abhängige
Azimut-Winkel und im Falle, dass das verwendete Peilerprinzip Informationen
darüber liefert,
die Signalwahrscheinlichkeit und der von der Empfangsrichtung abhängige Winkel
in Elevation. Bei der Definition der Signalwahrscheinlichkeit wird von
der Annahme ausgegangen, dass für
den Fall, dass nur Rauschen vorliegt, die einzelnen Messwerte einer
Messsequenz nicht miteinander korreliert sind, während bei Vorhandenseins eines
deutlichen Signals die einzelnen Messwerte korreliert sind. Mittels
einer entsprechenden Korrelationsanalyse lässt sich somit auf das Vorhandensein
eines Signals, einer sogenannten Signalwahrscheinlichkeit, schließen.
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Im
folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren
zur Detektion und Segmentierung von Sendungen näher erläutert werden. Das Verfahren bedient
sich der generierten Messzellen 1 und ordnet ihnen in weiteren
Verarbeitungsschritten zusätzliche Merkmale
zu. Diese Merkmale erlauben es schließlich einzelnen, elementaren
Messzellen 1 Elementarsendungsmessabschnitte ESMA 2 und
Elementarsendungen ES 3 zuzuordnen. Die hierzu notwendigen
Arbeitsschritte lassen sich in vier Stufen gliedern. Erstens, der
Detektion von Signalen und der Segmentierung von Messzellen 1 in
der Frequenzrichtung zur Bildung von Elementarsendungsmessabschnitten
ESMA 2. Zweitens, der Verfolgung der gebildeten ESMA 2 in
der Zeitrichtung zur Bildung von Elementarsendungen ES 3.
Drittens, der Ergebnismeldung bei sicherer Detektion einer ES 3.
Und schließlich,
der Nachverarbeitung der erzeugten Ergebnismeldungen.
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Die
Detektion von Signalen erfolgt anhand der Attribute ”Pegel” und ”Signalwahrscheinlichkeit” (falls
vorhanden) der Messzellen 1. Im Rahmen des Detektionsvorgangs
wird jeder Messzelle 1 ein weiteres Attribut ”Detektionsmarke” zugefügt. Dieses
Attribut kann die Werte ”Signal
zuverlässig
detektiert”, ”Signal nicht zuverlässig detektiert” und ”Signal
nicht detektiert” annehmen.
Die Zuweisung dieses Attributwertes erfolgt anhand von Schwellwertoperationen. Die
Attribute Signalpegel P und Signalwahrscheinlichkeit S einer Messzelle 1 werden
dabei mit zwei Pegelschwellen P1 und P2 bzw. zwei Schwellen für die Signalwahrscheinlichkeit
S1 und S2 verglichen.
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Es
gilt: P1 < P2 und
S1 < S2.
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Wenn
P > P2 und S > S2, dann wird der Messzelle 1 die
Detektionsmarke ”Signal
zuverlässig detektiert” vergeben.
Wenn P < P1 und
S < S1, dann wird
der Messzelle 1 die Detektionsmarke ”Signal nicht detektiert” vergeben.
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Ansonsten
wird der Messzelle 1 die Detektionsmarke ”Signal
nicht zuverlässig
detektiert” zugewiesen.
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Im
Fall, dass keine Information über
die Signalwahrscheinlichkeit vorliegt, werden die Schwellwerte für die Überprüfung der
Signalwahrscheinlichkeit S1 und S2 auf Null gesetzt, so dass obige
Rechenbedingungen ebenfalls angewandt werden können. Ansonsten können die
Schwellwerte P1, P2, S1, S2 als Parameter frei vorgegeben werden
oder aber automatisch an die Rauschpegelverhältnisse angepasst werden. Dazu
wird der Rauschpegel geschätzt und
aus diesem die Schwellen P1 und P2 abgeleitet.
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Die
nachfolgende Segmentierung der Messzellen 1 in Frequenzrichtung
greift auf die Attribute ”Detektionsmarke”, ”Azimut” und falls
vorhanden ”Elevation” der Messzellen 1 zu.
Benachbarte Messzellen 1 werden dabei zu einem Elementarsendungsmessabschnitt
ESMA 2 so zusammengefaßt,
dass für
diesen folgende Eigenschaften erfüllt sind:
- – mindestens
eine Messzelle 1 des ESMA 2 besitzt eine Detektionsmarke ”Signal
zuverlässig
detektiert”,
- – es
dürfen
Ketten von Messzellen 1 des ESMA 2 mit der Detektionsmarke ”Signal
nicht detektiert” nur
bis zu einer bestimmten, als Parameter vorgegebenen Länge enthalten
sein,
- – die
Attribute Azimut und Elevation der Messzellen 1 des ESMA 2 mit
den Detektionsmarken ”Signal
zuverlässig detektiert” und ”Signal
nicht zuverlässig
detektiert” erfüllen die
Homogenitätsbedingung
für Winkelwerte.
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Diese
Homogenitätsbedingung
für Winkelwerte,
die hier auf Azimut- und Elevationswinkel angewendet wird, kann
auf unterschiedliche Weise erfüllt
werden, z. B.
- – die Winkeldifferenzen zwischen
benachbarten Messzellen 1 dürfen einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten,
- – die
maximale Winkeldifferenz zwischen den Messzellen 1 eines
ESMA 2 darf einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten,
- – die
Winkeldifferenzen zwischen den Messzellen 1 und dem mittleren
Winkel des gesamten ESMA 2 dürfen einen vorgegebenen Wert
nicht überschreiten,
- – durch
einen Hypothesentest, der überprüft, ob die
Winkel einer Messzelle 1, um die ein ESMA 2 zu
erweitern ist, der Statistik entstammen, die durch die bereits im
ESMA 2 befindlichen Messzellen 1 bestimmt wird.
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In
Folge der Segmentierung wird ein ESMA 2 symbolisch durch
eine Datenstruktur definiert, welche alle notwendigen, den ESMA 2 beschreibenden Merkmale
enthält;
unter anderem können
dies sein:
- – Messzeitpunkt,
- – untere
Grenzfrequenz,
- – obere
Grenzfrequenz,
- – mittlerer
Pegel,
- – maximaler
Pegel,
- – Azimutmittelwerte,
- – Elevationsmittelwerte,
- – Anzahl
an Ketten von Messzellen mit der Detektionsmarke ”Signal
nicht detektiert”,
- – Länge der
Ketten von Messzellen mit der Detektionsmarke ”Signal nicht detektiert”,
- – Momente
verschiedener Ordnungen.
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Nachfolgend
werden die ESMA 2 in Zeitrichtung verfolgt, um zu untersuchen,
ob sie vorhandenen Elementarsendungen (ES 3) zugeordnet
werden können
oder ob sie zur Bildung einer neuen ES 3 herangezogen werden.
Eine ES 3 ist eine Fläche
im Zeit-Frequenz-Raum, die einem Nutzsignal entspricht und symbolisch
durch eine Datenstruktur definiert wird, welche alle zur Beschreibung
der ES 3 notwendigen Merkmale enthält;
dies können unter
anderem sein:
- – untere Grenzfrequenz,
- – obere
Grenzfrequenz,
- – mittlerer
Pegel,
- – maximaler
Pegel,
- – Azimutmittelwerte,
- – Elevationsmittelwerte,
- – Qualität,
- – Häufigkeit
des Auftretens,
- – Zeitpunkt
der ersten Detektion,
- – Zeitpunkt
der letzten Detektion,
- – Momente
verschiedener Ordnungen.
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Die
Merkmale erlauben es, die ES 3 zeitlich und frequenzmäßig zu lokalisieren,
auf die Peilinformationen zuzugreifen, die zeitlichen und frequenzmäßigen Änderungen
der Peilinformation sowie die zeitliche Änderung der Energie und deren
Verteilung in Frequenzrichtung zu charakterisieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Zuordnung von ESMA 2 zu Elementarsendungen ES 3 verwendet
die aktuell ermittelten ESMA sowie bereits gebildete ES 3.
Für jeden
der aktuellen ESMA 2 wird untersucht, ob eine bereits bestehende
ES 3 durch diesen ESMA 2 fortgeführt werden
kann. Dies ist der Fall, wenn zum einen der ESMA 2 der
Frequenz nach der ES 3 benachbart ist und wenn zum anderen
die Winkelmerkmale von ESMA 2 und ES 3 die vormals beschriebene
Homogenitätsbedingung
für Winkelwerte
erfüllen.
Wobei bei der Interpretation der Homogenitätsbedingung in diesem Falle
sinngemäß Messzellen
durch ESMA und ESMA durch ES zu ersetzen sind.
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Ein
ESMA 2 gilt der Frequenz nach mit einer ES 3 benachbart,
wenn gilt FOESMA + DELTAF > FUES
und gleichzeitig(math.) FUESMA – DELTAF < FOESwobei:
- FUESMA:
- untere Grenzfrequenz
des ESMA 2
- FOESMA:
- obere Grenzfrequenz
des ESMA 2
- FUES:
- untere Grenzfrequenz
der ES 3
- FOES:
- obere Grenzfrequenz
der ES 3
- DELTAF:
- parametrierbare Frequenztoleranz
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Sind
die Nachbarschafts- und die Homogenitätsbedingung für Winkelwerte
erfüllt,
so wird dieser ESMA 2 die ES 3 zugeordnet und
die Merkmale der ES 3 werden mit den Attributen des ESMA 2 aktualisiert.
Dabei werden einige Merkmale durch Mittelwertbildung oder durch
gleitende Mittelwertbildung aktualisiert. Kann durch einen ESMA 2 keine
bereits bestehende ES 3 fortgeführt werden, so wird aus diesem
ESMA 2 eine neue ES 3 gebildet. Die Merkmale der
ES 3 werden hier mit den Merkmalen des ESMA 2 initialisiert.
Bei der Zuordnung von ESMA 2 zu ES 3 erreicht
man eine Effizienzsteigerung, wenn man die ESMA 2 und die
ES 3 in nach Frequenz sortierten Listen verwaltet.
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Zur
Verminderung von Falschalarmwahrscheinlichkeit und des Einflusses
von Fading auf die Detektion werden für die ES 3 die Zustände ”temporär aktiv
(NEW_ES 11)”, ”zuverlässig aktiv (ACTIVE_ES 13)” und ”temporär inaktiv (NEW_INACTIVE_ES 12,
INACTIVE_ES 14)” definiert. Übergänge von
einem Zustand in den nächsten finden
statt, wenn über
eine vorgegebene Anzahl von Messvektoren zu einer ES 3 passende
ESMA 2 detektiert bzw. nicht detektiert werden. Die möglichen Zustände einer
ES 3 und deren Zusammenhang zueinander ist in 2 dargestellt.
Eine neu generierte ES 3 befindet sich im Zustand NEW_ES 11.
Diese geht in den Zustand ACTIVE_ES 13 erst nach einer vorgegebenen
Anzahl von Fortführungen
durch einen ESMA 2 über.
Erst bei diesem Übergang
gilt die ES 3 als sicher detektiert und es wird eine Meldung generiert.
Diese Meldung ist vom Typ ES_START 16 und kennzeichnet
den Beginn einer Sendung. Eine ES 3 im Zustand NEW_ES 11 geht
in den Zustand NEW_INACTIVE_ES 12 über, wenn zu einem Messzeitpunkt
kein ESMA 2 zur Fortführung
der ES 3 vorhanden ist. Sobald zu einem Messzeitpunkt ein ESMA 2 zur
Fortführung
der ES 3 gefunden wird, so geht die ES 3 aus dem
Zustand NEW_INACTIVE_ES 12 in den Zustand NEW_ES 11 zurück. Wurden
für eine
im Zustand NEW_INACTIVE_ES 12 befindliche ES 3 für mehr als
eine vorgebbare Anzahl von aufeinanderfolgenden Messzeitpunkten
keine ESMA 2 zugeordnet, so wird die ES 3 in eine
spezielle, temporäre
Liste (Liste aller ”kurzen” ES) eingetragen.
Diese Liste wird in periodischen Intervallen nach Homogenitäten bezüglich der
Richtung (Azimut + Elevation (falls vorhanden)) und nicht vorhandenen
zeitlichen Überlappungen
zur Erkennung von Frequenzsprungsendern durchsucht. Die ES 3 wird
nach dem Eintrag in diese Liste gelöscht (Übergang in den Zustand DELETED_ES 15)
und es wird eine Meldung SHORT_ES 20 erstellt. Ändert sich
ein Merkmal einer im Zustand ACTIVE_ES 13 befindlichen
ES 3 um mehr als eine vorgegebene Schwelle gegenüber der letzten
Meldung, so wird eine Meldung vom Typ ES_UPDATE 17 mit
den aktualisierten Merkmalen generiert. Eine ES 3 im Zustand
ACTIVE_ES 13 geht in den Zustand INACTIVE_ES 14 über, wenn
zu einem Messzeitpunkt kein ESMA 2 zur Fortfüh rung der ES 3 vorhanden
ist. Sobald zu einem Messzeitpunkt wieder ein ESMA 2 zur
Fortführung
der ES 3 gefunden wird, so geht die ES 3 aus dem
Zustand INACTIVE_ES 14 in den Zustand ACTIVE_ES 13 zurück. Wurden
für eine
im Zustand INACTIVE_ES 14 befindliche ES 3 für mehr als
eine vorgebbare Anzahl von aufeinanderfolgenden Messzeitpunkten
keine ESMA 2 zugeordnet, so wird die ES 3 gelöscht (Übergang
in den Zustand DELETED_ES 15) und es wird eine Meldung
ENDES 19 erstellt. In den Meldungen sind u. a. folgende
Merkmale der ES enthalten:
- – ein Kennzeichner der ES,
- – maximaler
Pegel,
- – mittlerer
Azimut,
- – mittlere
Azimutvarianz in Zeitrichtung,
- – mittlere
Azimutvarianz in Frequenzrichtung,
- – mittlere
Elevation,
- – mittlere
Elevationsvarianz in Zeitrichtung,
- – mittlere
Elevationsvarianz in Frequenzrichtung,
- – Frequenz,
- – Bandbreite,
- – Bandbreitenvarianz,
- – Qualität,
- – Zeitpunkt
des Ereignisses.
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Wegen
unzureichender Rechenleistung kann es notwendig sein, die Nachverarbeitung
der ES 3 auf mehrere Prozessoren zu verteilen. Dies wird dergestalt
getan, dass jeder Prozessor ein bestimmtes Subband aus dem zu analysierenden
Frequenzband bearbeitet. Die Ergebnisse der einzelnen Subbänder müssen anschließend zusammengefasst werden.
Insbesondere in den Randbereichen benachbarter Subbänder treten
ES-Meldungen auf, die sich auf ein und dieselbe ES 3 beziehen.
Aus solchen ES-Meldungen wird eine einzige ES 3 generiert,
deren Merkmale sich aus den Attributen der Einzelmeldungen zusammensetzt.
Die so zusammengefassten ES 3 werden anschließend nach
frequenzagilen Sendungen durchsucht. Dies sind insbesondere sogenannte ”Chirp-Sounder” (Sendungen
mit kontinuierlich veränderter
Frequenzlage). Zusätzlich
werden im Rahmen der Nachverarbeitung zeitliche Sequenzen von ES 3,
die sich auf eine einzelne frequenzagile Sendung beziehen, zu einer
ES 3 zusammengefasst.