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- Kennungsverfahren für mobile Stationen bei Radarsystemen Die Erfindung
bezieht sich auf ein mittels Dftenbitübertragung arbeitendes Kennungsverfahren für
mobile Stationen mit einem Transponder bei Radarsystemen, denen :iQterrogatoren
zugeordnet sind.
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Ein Kennungssystem dient dazu, unbekannte mobile Stationen wie Flugzeuge,
Schiffe oder Landfahrzeuge zu identifizieren. Die mobilen Stationen besitzen zu
diesem Zweck einen Transponder, welcher die von einem Interrogator ausgesendete
Abfrage empfängt und anschließend eine Antwort aussendet. Mittels dieser Alitwort
muß der Interrogator erkennen können, welche Station sich in einer bestimmten Position
befindet.
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Ein Kennungsverfahren, das sich für militärische Zwecke eignen soll,
muß auch unter ungünstigsten Verhältnissen eine schnelle, sichere Identifizierung
garantieren, d.h. Jeder autorisierte Transponder, der sich innerhalb der Reichweite
des betrachteten
Interogators befindet, muß in kurzer Zeit zu einer
Antwort angeregt werden können, die mit hoher Wahrscheinlichkeit vom Interrogator
empfangen werden kann und aus der mit großer Sicherheit hervorgeht, ob das zu identifizierende
Objekt ein Freund oder Feind ist.
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Die Wahrscheinlichkeit, mit der'eine Identifizierung innerhalb der
zur Verfügung stehenden Zeit - z.B. bei Rundsuchradars ein Scan - möglich ist, darf
daher auch unter dem Einfluß systembedingter und fremder Störungen nicht zu klein
werden.
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Diese Forderung kann das bisher benutzte KenmDngsverfahren prinzipiell
nicht erfüllen, denn die bisher bekannten mit Radarsystemen zusammenarbeitenden
Kennungsverfahren bieten erstens keine Möglichkeit, systembedingte Störungen (sogenannte
Fruits und Garbles) wirksam zu uiiterdrücken, sobald die Dichte der Interrogatoren
und Transponder ein gewisses Maß überschreitet.
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Zum anderen läßt sich die Empfindlichkeit gegen alle möglichen Fremdstörungen
mit dem verwendeten schmalbandigen Pulsmodulationsverfahren nicht beseitigen. Schließlich
macht sich noch die geringe Sicherheit gegen Täuschungen unangenehm bemerkbar. Dabei
ist die leichte Täuschbarkeit besonders gefährlich, denn ein militäris-ches Kennungsverfahren
soll ja gerade verhindern, daß sich ein Feind als Freund ausgibt.
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Unter Fremdstörungen werden die Maßnahmen verstanden, die ein Gegner
ergreift, um den Empfang von Abfragen und Antworten unmöglich zu machen. Als Täuschungen
werden die von einem Gegner ausgesendeten Antworten bezeichnet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kennungsverfahren zu schaffen, das
unempfindlich gegenüber systembedingten und gegnerischen Störungen ist und eine
möglichst große Täuschsicherheit-bietet.
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Dabei ist der schnelle, sichere Zugriff von besonderer Wichtigkeit.
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Das Kennungsverfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die voneinander verschiedenen Abfrage und Antwortfrequenzbereiche in Gruppen
von Kanälen unterteilt sind und für die während der Impulsfolgeperiode des Radargerätes
ausgendeten, identischen Datenblöcken zugeordneten Gruppen während der Dauer eines
Scans des Radargeätes eine Kanalfrequenz pro Gruppe zufallsstatistisch ausgewählt
wird, während den Datenblöcken eine Information über die von Impulsfolgeperiode
zu Impulsfolgeperiode des Radargerätes wechselnde Antwortfrequenzfolge zugefügt
wird, so daß während der Dauer eines Scans jeder einzelne Kanal aus allen Gruppen
einmal belegt wird, wobei im Scan die Verweilzeit der Hauptkeule der Interrogatorantenne
auf einem Transponder ist.
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Mit hilfe des Frequenzsprungverfahrens wird jedes Nachrichtenbit mehrfach
nacheinander auf verschiedenen Frequenzkanälen übertragen. Die Frequenzkanäle werden
dabei so ausgewählt, daß es
dem Gegner nicht möglich ist, die Frequenz
zuldinftiger Aussendungen im voraus -zu berechnen. Außerdem werden die FrequenzEanäle
so schnell gewechselt, daß im wesentlichen bedingt durch Laufzeitdifferenzen - auch
ein Störsystem, das in der Lage ist, die benutzte Frequenz sehr schnell zu messen
und sich auf die gemessene Frequenz abstimmt, ohne Wirkung bleibt.
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Die Störunempfindlichkeit gegenüber Premdstörungen beim Frequenz sprungverfahren
beruht darauf, daß der Gegner seine Störleistung nicht auf den gerade vom N'utzsender
belegten Kanal konzentrieren kanne Er benötigt daher zur Störung immer ein erhebliches
Leistungsübergewicht, das es ihm möglich macht, alle oder zumindest 70 - 80 % aller
zur Verfügung'stehenden Kanäle zu stören.
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Die Unempfindlichkeit gegenüber Bigenstörungen resultiert daraus,
daß jeder Sender zur Zeit nur einen Kanal belegt. Die Wahrscheinlichkeit, daß zwei
Sender gleichzeitig auf demselben Kanal arbeiten - d.h. die Störwahrscheinlichkeit
- ist im allgemeinen so klein gegen eins, daß sich aufgrund der Mehrfachübertragung
eine sehr geringe Reststörwahrscheinlichkeit ergibt.
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Eine Sicherheit gegen Täuschungen resultiert unter anderem daraus,
daß der Interrogator durch die Abfrage eine Folge von Antwort frequenzen vereinbart.
Bei geeigneter Kodierung kann der Gegner diese Folge nicht kennen. Dadurch verringern
sich seine Möglichkeiten, eine Antwort vorzutäuschen, erheblich
Das
Problem, bei dem nach dem Frequenzsprungverfahren arbeitenden störunempfindlichen
Kennungsverfahren den schnellen, sicheren Zugriff zu realisieren, wird durch eine
quasistatistlsche Auswahl der Abfrage und Antwortkanäle und mehrkanalige Empfänger
gelöst.
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Das neue Kennungsverfahren läßt sich nicht nur auf Weitbereichs-Radarsysteme
anwenden, sondern auch zwangslos in das Konzept eines Nahbereichs-Sekundärradars
einfügen, bei dem die Abfrageantenne von den Primärradardaten gesteuert wird und
bei dem infolge der geringeren Zieldichte gleichgroße Verweildauern der Antenne
auf dem Ziel wie bei einer Weitbereichsanlage möglich sind.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel dar.
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Es zeigen: Fig. 1 die Frequenzaufteilung Fig. 2 das Frequenzwechselschema
Fig. 3 ein Blockschaltbild für den Transponder Fig. 4 ein Blockschaltbild für einen
Interrogator.
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Der Abfragefrequenzbereich ist in m Gruppen zu n Kanälen unterteilt
(Fig. 1). Pro Scandauer (= Verweilzeit) t5 werden alle m.n Kanäle jeweils einmal
benutzt. Pro Impulsfolgeperiode tp des Primärradars werden m Abfragen identischen
Inhaltes ausgesendet, die eine codierte Abfragenummer enthalten.
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Der Transponder, der auf eine bestimmte Abfrage hin antwortet,
wiederholt
in der Antwort diese codierte Nummer, so daß der Antwortempfänger aufgrund der Laufzeit
in der Lage ist, die Antwort den richtigenRaumkoordinat,en zuzuordnen. Die Periode
dieser Numerierung muß mindestens m sein, vorteilhafter ist es, modulo a.m zu numerieren,
wobei a>3 sein sollte, um 11second-time-around11 Antworten sicher unterdrücken
zu können.
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Während der Dauer eines Scans ist jeder Abfrage innerhalb eines Rahmens
von jeweils m Abfragen eine Frequenzgruppe zugeordnet, innerhalb eines Scans wird
jeder Kanal einmal benutzt. Das Frequenzwechselschema ist regellos bis auf die Einschränkung,
daß jeder Kanal nur einmal verwendet wird und daß für eine bestimmte Stelle innerhalb
eines Rahmens nur ein Kanal aus einer bestimmten, im übrigen aber zufällig gewählten
Gruppe ausgewählt wird. Jeweils nach einer Zeit t5 wird das Frequenzwechselschema
zufallsstatistisch geändert.
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Eine hohe Störfestigkeit und gleichzeitig kurze Zugriffszeit wird
erreicht, wenn der Transponder soviel Empfang5iranäle hat, wie es Gruppen gibt und
jeweils auf die beliebig ausgewählten Frequenzen innerhalb dieser Gruppen abstimmbar
ist.
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Fällt der wirkliche Scan der Radarantenne mit einem der obenbeschriebenen
Frequenzwechselzyklen zusammen, dann wird im ungestörten Fall ein Frequenztreff
mit der Wahrscheinlichkeit 1 erreicht.
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Durch gezielte Störungen und die unvermeidlichen Eigenstörungen
wird
die Zugriffswahrscheinlichkeit unter Umständen verringert.
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Fremdstörungen - auch breitbandige! - machen sich nicht bemerkbar,
solange über einen Zeitraum der Dauer t5 mindestens eine Gruppe von Kanälen ständig
ungestört bleibt. ''Springendelt Störer, di in raschem Wechsel immer andere Kanäle
stören, reduzieren erst dann die Zugriffswahrscheinlichkeit merklich, wenn sie gleichzeitig
mehr als 50 % aller Kanäle stören.
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Da die Interrogatoren alle nach verschiedenen Frequenz sprungprogrammen
arbeiten, wird die Wahrscheinlichkeit für Garbling am Transponder durch die Erfindung
ebenfalls verringert.
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Auch die MehrfachUbertragung der Antwort auf verschiedenen Frequenzen
dient zur Verbesserung der Störfestigkeit. Eine Vereinbarung dieser Frequenzfolge
durch eine Information in der Ab frage erlaubt eine gezielte Abstimmung des Antwortempfängers
und eine Verminderung der t'fruits".
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Der Antwortfrequenzbereich ist ebenfalls, jedoch in r Gruppen zu je
s Kanälen unterteilt, so daß sich das gleiche Schema wie in Fig. 1 ergibt, jedoch
mit anderen Endfrequenzen. Pro Rahmen sendet der Abfragesender in jeder Abfrage
eine Bitfolge aus, die für eine bestimmte Auswahl von r Antwortfrequenzen (je eine
aus einer Gruppe) kennzeichnend ist. Dieses Frequenzwechselschema wird in allen
möglichen Antworten auf Abfragen innerhalb eines Rahmens beibehalten. Beim nächsten
Rahmen wird ein neues Frequenz
wechselschema für die möglichen Antworten
vereinbart. Die Auswahl der dieses Frequenzwechselschema kennzeichnenden Bitfolge
geschieht zufallsstatistisch, jedoch mit der Einschränkung, daß alle r.s Antwortfrequenzen
einmal pro Scan (also pro Verweildauer) ausgewählt werden. Eine Numerierung der
Antworten ist nicht erforderlich, die Antwortfrequenz liefert eine eindeutige Bestimmung
des Zeitpunktes der Aussendung.
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Um die Transpondertotzeit gering zu halten, sollten die r Antyortsignale,
die von einer erkannten Abfrage ausgelöst werden, möglichst schnell hintereinander
ausgesendet werden. Da ohnehin im Transponder ein Frequenzeinsteller in m-facher
Ausführung vorgesehen ist, bereitet diese Forderung (für m = r) keine Schwierigkeit,
da für den Empfang die Einsteller beliebig eingestellt sein können. Da mit höherer
Abfragefrequenz gearbeitet wird, als der maximalen Reichweite entspricht, muß der
Antwortempfänger auf jeweils 2 m Kanälen mithören.
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Bezüglich der erreichbaren Unempfindlichkeit gegenüber Fremdstörern
bei der Arbeit gleiten die bei der Abfrage gemachten Angaben.
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Dadurch, daß die Interrogatoren die Antwortkanäle jeweils- unabhängig
voneinander wählen, erreicht man automatisch ein gutes "defruiting". Die Wahrscheinlichkeit
mit der Garbles (am Interrogator) auftreten wird um den Faktor 1/s verringert (s
ist die Zahl der Frequenzkanäle pro Antwortkanålgruppe).
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Selbst bei starken Fremd- und Eigenstörungen (z.B. 50 % der Antwortkanäle
durch "springende" Störer gestört, sowie 30 % Garblewahrscheinlichkeit) beträgt
die Wahrscheinlichkeit,mit der eine Antwort empfangen wird, im allgemeinen noch
über 80 % (bei nur einem Antwortversuch).
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Außer dieser erheblichen Unempfindlichkeit gegenüber Störungen erhält
man dadurch, daß die statistische Folge der Antwortfrequenzen erst durch das Abfragetelegramm
festgelegt wird, eine gute Täuschsicherheit. Denn ein Gegner wird diese Folge nicht
ermitteln können.
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Anhand der Figuren 3 und 4 erfolgt nunmehr die Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels eines Transponders und eines Interrogators, anhand derer die
Funktion des Kennungsverfahrens erläutert wird.
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Der Empfangsteil des Transponders arbeitet als m-dimensionaler Superheterodynempfänger
Em. Die von der Antenne A von den Aussendungen des Interrogators empfangene Energie
wird über eine Weichenschaltung WS und den Bandpaß BP einem Trennverstärker TVT
zugeführt. Damit werden die Anpassungsverluste an die m parallelen Empfangsmischer
Mi-Em1 bis Mi-Mmm ausgeglichen, sowie die notwendige Entkopplung der Mischer erreicht.
Die m Uberlagerungs frequenzen wurden parallel von dem Empfangsfrequenzeinsteller
EX-E abgegeben. Die digitale Steuerung der Einstellfrequenzen erfolgt durch die
Frequenzsteuerstufe FS. Die frequenztranspo
nierten m Empfangssignale
werden in m ZF-Verstärkern ZF verstärkb und in m Detektoren Det detektiert. Die
m Fehlererkennungsltjrozessoren klassifizieren fehlererkennend die Empfangstelegramme
und leiten die akzeptierte Information an das Arbeitsregister AR wei-ter. Sie wird
von dort über den Datendekodierer DEK-D einem Eigenkennungsteil EK zugeführt und
gelangt im Erkennungsfall über die Datenausgabe DA zur Ausgabe an periphere Geräte.
Teile der erkannten Information gelangen über den Dekodierer für die Frequenzinformation
Dek-F an die Frequenzsteuerstufe FS, die die digitale Frequenzsteuerung der Frequenzeinsteller
für Aussendung EX-S und Empfang EX-E bewirkt.
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Eine Synchronisationsabtrennung SA sichert die zeitliche Kohärenz
der Aussendungen des Transponders mit den erkannten Empfang signalen. Sie wird von
dem Eigenkennungsteil EK vorbereitet und setzt die Ausgangsposition des Frequenzteilers
FT in Koinzldenz mit dem der Synchronisation dienenden Abschnitt des EmpSangssignals
(z.B. Rtokflanke). Der Quarzoszilla-tor QO taktet mit großer Frequenzstabilität
den Frequenzteiler, der die äquidistanten Taktimpulse für die AbLaufsteuerung der
digitalen Schaltungen des Transponders liefert sowie über die Taktsteuerung TS die
Aussendungen definiert zum Empfangszeitpunkt der Eigenkennung erfolgen läßt.
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Die Aussendungen des Transponders werden iiber den Modulator Mod binär
moduliert mit der in einem Pufferregister PR stehenden Rückantwort an den Interrogator,
die über die Taktsteuerung
TS ausgelesen wird. Ein Teil der Rückantwort
ist über den Dekodierer Dek-F der empfangenen Frequenzinformation entnommen, sowie
mit der Kennungs- und Abfragenummer versehen und dient Kontrollzwecken. Ein weiterer
Teil enthält die von den periprleren Geräten (z.B. Höhenmesser) über die Dateneingabe
DE eingegebenen Daten, der restliche Teil des Rückantworttelegramms dient der Fehlererkennung
und Freundidentiflkation im Int£rrogator und wird von der Telegramm-Kontrolle TK
den bereits im Pufferregister PR stehenden Informationsbits zugefügt. Die charakteristische
Frequenz der Aussendungen wird über den Senderfrequenzeinsteller für jeden SendetaRt
dursh die digitale Frequenzsteuerung FS nach einem bestimmten Frequenzeechsel schema
umgesteuert.
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über die Schlüsseleingabe SE kann kurzfristig die Codierung der Codierer
und Decodierer eingeschränkt verändert werden.
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Beim Interrogator (Fig. 4) wirken die Empfänger Er und Er' analog
zu den des Transponders EM. Sie erhal-ten über den Trennverstärker TVI die Empfangssignale
des Antennensystems Al/A2. Eine Nebenzipferunterdrückung SLS-1 bzw. SLS-2 steuert
die Antennenweiche WS sowie die Empfangsempfindlichkeit der Empfänger Er und Er'.
Durch Vergleich der so über die Richtantenne I.1 und über die Rundstrahlantenne
A2 empfangenen Signale werden die über Nebenzipfel empfangenen unterdrückt. Der
Bandpaß BP-E
verbessert die Weitabselektion der Empfänger Er und
Ert und erhöht die Entkopplung zum Sender S.
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Von den Empfangsgeräten EI und E2 werden die RUclTneldungen des Transponders,
z.B. Kennung und Flugdaten, in den Pufferregistern PR1 und PR2 zwischengespeichert
und mit der über die variable Laufzeitkorrektur VJJK-1 bzw. VLK-2 korrigierten Ab
stands information versehen. Damit werden die durch das Frequenzwechselschema bedingten
Systentotzeiten ausgeglichen.
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Die Doppelung der Empfänger gestattet es, unabhängig von der jeweiligen
Zielentfernung die von dem statistischen Generator SG durch einen Zufallsprozeß
gegebenen Änderungen des Frequenzwechselschemas mit äquidistantem Takt erfolgen
zu lassen. Die charakteristischen Frequenzen der Aussendungen dec Senders S werden
ebenfalls von dem statistischen Generator SG gesteuert.
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Gleichzeitig kann der Sender 5 mit der Kemaung eines bestimmten Transponders
moduliert werden, der von der elektronischen Datenverarbeitungsanlage EDV selektiert
worden ist.
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Damit kann nur maximal ein Transponder antworten. Die von dem vorstehend
beschriebenen Interrogator ermittelten Daten werden von der Datenverarbeitungsanlage
EDV zusammen mit denen von einem Primärradar PRD ermittelten abgerufen und auf einem
Display DiSP dargestellt.
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Durch das Frequenzsprungverfahren wird der Störer gezemgen,
mindestens
die Hälfte aller Abfrage- und Antwortkanäle zu stören, um eine spürbare Wirkung
zu erzielen.
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Eine einfachere Version für die zivile Verwendung (z.B mit einer Frequenz
für Abfrage und Antwort n = 1, s = 1) wäre ohne weiteres kompatibel mit der militärischen
Version.
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Patentansprüche: