DE2133024C3 - Kennungsverfahren bei Abfrage-/ Antwort-Radarsystemen mit verschiedenen Frequenzbereichen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mittels Datenbitübertragung arbeitendes Kennungsverfahren für

a5 mobile Stationen mit einem Antwortgerät (»Transponder«) bei Radarsystemen, denen Abfragegeräte (»Interrogetoren«) zugeordnet sind, mit voneinander verschiedenen Abfrage- und Antwortfrequenzbereichen.

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 voi! einem Interrogator ausgesendete Abfrage emp-

fängt und anschließend eine Antwort aussendet. Mittels dieser Ant vort muß der Interrogator erkennen können, weiche Station sich in einer bestimmten Position befindet.

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 j>l~h innerhalb der Reichweite des betrachteten Interrogators 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. Die Wahrseinlichkeit, mit der eine Identifizierung innerhalb der zur Verfügung stehenden Zeit - z. B. bei Rundsuchradars eine Zielüberstreichungsdauei (»Scan«) - möglich ist, darf daher auch unter dem Einfluß systembedingter und fremder Störungen nichl zu klein werden.

Diese Forderung kann das bisher benutzte Kennungsverfahren prinzipiell nicht erfüllen, denn die bisher bekannten mit Radarsystemen zusammenarbeitenden Kennungsverfahren bieten erstens kein« Möglichkeit, systembedingte Störungen (sogenannte

6« »Fruits« und »Garbles«) wirksam zu unterdrücken sobald die Dichte der Interrogatoren und Transpon der ein gewisses Maß überschreitet.

Zum anderen läßt sich die Empfindlichkeit gegei alle möglichen Fremdstörungen mit dem verwendetet schmalbandigen Pulsmodulationsverfahren nicht be seitigen- Schließlich macht sich noch die geringe Si cherheit gegen Täuschungen unangenehm bemerkbar Dabei ist die leichte Täuschbarkeil besonders gefähr

lieh, denn ein militärisches Kennungsverfahren soll ja gerade verhindern, daß sich ein Feind als Freund ausgibt.

Unter Fremdstörungen werden d^:e Maßnahmer, 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.

Es ist bekannt, die Trägerfrequenz eines Primärradars sprungartig zu ändern. Damit können jedoch keine Gruppen von einzelnen Radarträgerfrequenzen erzeugt werden, aus denen die Trägerfrequenz ausgewählt wird, sondern mit der gepulsten Trägerfrequenz wird unmittelbar in einem bestimmten Frequenzbereich gesprungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kennungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das unempfindlich gegenüber systembedingten und gegnerischen Störungen ist und eine möglichst große Täuschsicherheit bietet. Dabei ist der schnelle, sichere Zugriff von besonderer Wichtigkeit.

Das Kennungsverfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander verschiedenen Abfrage- und Antwortfrequenzbereiche in Gruppen von Kanälen unterteilt sind, und daß innerhalb der Impulsfolgeperiode des Radargerätes eine der Zahl der Gruppen entsprechende Anzahl von hinsichtlich des Dateninhaits identischen Datenblöcken jeweils auf einer aus jeder Gruppe zufallsstatistisch ausgewählten Kanalfrequenz vom Abfragegerat ausgesendet wird, und zwar derart, daß innerhalb der Überdeckungsdauer des Ziels durch die Abfrageantenne (»Scandauer«) jede Kanalfrequenz jeder Gruppe genau einmal benutzt wird, und daß den Datenblöcken bei der Aussendung eine zufallsstatistisch ausgewählte Information über die von Impulsfolgeperiode zu Impulsfolgeperiode des Radargerätes wechselnde Antwortfrequenzfolge zugefügt wird, derart, daß während einer der Überdeckungsdauer entsprechenden Zeit alle Kanäle des Antwortfrequenzbereiches genau einmal belegt sind und innerhalb einer Impulsfolgeperiode aus jeder Antwortfrequenzgruppc jeweils ein Kanal belegt wird.

Einzelne dieser Merkmale sind bereits vorgeschlagen worden; für den Gegenstand des Anspruchs 1 wird daher nur in seiner Gesamtheit Patentschutz beansprucht.

Mit Hilfe dieses Frequenzsprungverfahrpns wird jedes Nachrichtenbit mehrfach nacheinander auf verschiedenen Frequenzkanälen übertragen. Die Frequenzkanäle werden dabei so ausgewählt, daß es dem Gegner nicht möglich ist, die Frequenz zukünftiger Aussendungen im voraus zu berechnen. Außerdem werden die Frequenzkanäle 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. Die Störunempfindlichkeit gegenüber Fremdstörungen beim Frequenzsprungverfahren beruht darauf, daß der Gegner seine Störleistung nicht auf den gerade vom Nutzsender belegten Kanal konzentrieren kann. Er benötigt daher zur Störung immer ein erhebliches Leistungsübergewicht, das es ihm möglich macht, alle oder zumindest 70 bis 80 % aller zur Verfügung stehenden Kanäle zu stören.

Die Unempfindlichkeit gegenüber Eigenstörungen 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 auf Grund der Mehrfachübertragung eine sehr geringe Reststörwahrscheinlichkeit ergibt.

Eine Sicherheit gegen Täuschungen resultiert unter anderem daraus, daß der Interrogator durch die Abfrage eine Folge von Antwortfrequenzen vereinbart, ίο 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 quasistatistische Auswahl der Abfrage- und Antwortkanäle und mehrkanalige Empfänger gelöst.

μ Das neue Kennungsverfahren läßt sich nicht nur auf Weitbereichs-Radarsysteme anwenden, sondern auch zwanglos 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.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel dar. Es zeigt
Fig. 1 die Frequenzaufteilung,

Fig. 2 das Frequenzwechselschema während der Radarantennenverweilzeit,

F i g. 3 ein Blockschaltbild für den Transponder, Fig. 4 ein Blockschaltbild für einen Interrogator. Der Abfragefrequenzbereich ist in m Gruppen i zu η Kanälen; unterteilt (Fig. 1). Pro »Scandauer« ( = Verweilzeit der Radarantenne auf dem Ziel bzw. Überdeckungsdauer des Ziels durch die Radarantenne) t_s werden alle m · η Kanäle jeweils einmal bcnutzt. Pro Impulsfolgeperiode t des Primärradars werden m Abfragen identischen Inhalts ausgesendet, die eine kodierte Abfragenummer enthalten, und zwar aus jeder Gruppe i auf einen anderen Frequenzkanal /, während alle m ■ η Frequenzen /^ / bereitgestellt werden.

Der Transponder, der auf eine bestimmte Abfrage hin antwortet, wiederholt in der Antwort diese codierte Nummer, so daß der Antwortempfänger auf Grund der Laufzeit in der Lage ist, die Antwort den richtigen Raumkoordinaten zuzuordnen. Die Periode dieser Numerierung muß mindestens m sein, vorteilhafter ist es, modulo am zu numerieren, wobei a§3 sein sollte, um Überreichweiten-(»second-timearound«-)Antworten sicher unterdrücken zu können. 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 t_s wird das Frequenzwechselschema zufallsstatistisch geändert.

Eine hohe Störfestigkeit und gleichzeitig kurze Zugriffszeit wird erreicht, wenn der Transponder soviel Empfangskanäle hat, wie es Gruppen gibt und jeweils

auf die beliebig ausgewählten Frequenzen innerhalb dieser Gruppen abstimmbar ist.

Fäüt der wirkliche »Scan« der Radarantenne mit einem der oben beschriebenen Frequcnzwechselzyklen zusammen, dann wird im ungestörten Fall ein Frequenztreff mit der Wahrscheinlichkeit 1 erreicht.

Durch gezielte Störungen und die unvermeidlichen Eigenstörungen wird die Zugriffswahrscheinlichkeit unter Umständen verringert. Fremdstörungen - auch breitbandige — machen sich nicht bemerkbar, solange über einen ZeiUaum der Dauer t_s mindestens eine Gruppe von Kanälen ständig ungestört bleibt. »Springende« Störer, die in raschem Wechsel immer andere Kanäle stören, reduzieren erst dann die Zugriff«wahrscheinlichkeit merklich, wenn sie gleichzeii'o mehr als ¹S 50% aller Kanük störtn.

Da die Interrogatoren alle nach verschiedenen Frequenzsprungprogrammen arbeiten, wird die Wahrscheinlichkeit für »Garbling« am Transponder durch die Erfindung ebenfalls verringert. a°

Auch die Mehrfachübertragung der Antwort auf verschiedenen Frequenzen dient zur Verbesserung der Störfestigkeit. Eine Vereinbarung dieser Frequenzfolge durch eine Information in der Abfrage erlaubt eine gezielte Abstimmung des Antwortempfän- *5 gcrs und eine Verminderung der »Fruits«.

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 Antworifrequenzen (je eine aus einer Gruppe) kennzeichnend ist. Dieses Frequenzwechselscb^rnawirdin nile-*s möglichen Ant worten auf Abtragen ^n^crhalb eines Rahmens beibehalten. Beim nächsten Rahmen wird "^:r. neues Frequenrwechselschema für die möglichen Antworten vereinbart. Die Auswahl der dieses Frcquenzwechselsehema kennzeichnenden Bitfoigc geschieht zufallsstatistisch, jedoch mit der Einschränkung, daß alle r ■ s Antwortfrequenzen einmal pro »Scan« (also pro Verweildauer) ausgewählt wcrder Cine Numerierung der Antworten ist nicht erfordewich, die Antwortfrequenz liefert eine eindeutige Bestimmung des Zeitpunktes der Aussendung.

Um die Transpondertotzeit gering zu halten, sollten die r Antwortsignale, die von einer erkannten Abfrage ausgelöst werden, möglichst schnell hintereinander ausgesendet werden. Da ohnehin im Transponder ein Frequenzeinsteller in m -fächer 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 Antworiempfänger auf jeweils 2 m Kanälen mithören.

Bezüglich der erreichbaren Unempfindlichkeit gegenüber Fremdstörern bei der Arbeit gelten die bei der Abfrage gemachten Angaben. Dadurch, daß die Interrogatoren die Antwortkanäle jeweils unabhängig voneinander wählen, erreicht man automatisch ein gutes vdefruiting«. Die Wahrscheinlichkeit, mil der »Garbles« (am Interrogator) auftreten, wird um den Faktor Ms verringert (s ist die Zahl der Frequenzkanäle pro Antworlkanalgruppe).

Selbst bei starken Fremd- und Eigenstörungen (z.B. 50% der Antwortkanäle durch »springende« Störcr gestört, sowie 30 % »Garblcw-Wahrscheiniic'i keil) beträgt die Wahrscheinlichkeit, mit der eine Antwort empfangen wird, im allgemeinen noch übei 80 % (bei nur einem Antwortversuch).

Außer dieser erheblichen Unempfindlichkeit ge ge η über Störungen erhält man dadurch, daß die stati stische Folge der Antwortfrequenzen erst durch da! Abfragetelegramm festgelegt wird, eine gute Tausch sicherheit. Denn ein Gegner wird diese Folge nich ermitteln können.

An Hand der F i g. 3 und 4 erfolgt nunmehr die Beschreibung eines Ausführungsbcispiels eines Trans ponders und eines Interrogators, an Hand derer dk Funktion des Kennungsverfahrens erläutert wird.

Der Empfangsteil des Transponders arbeitet als m-dimensionalcr Superheterodynempfänger EM Die von der Antenne A von den Aussendungen de· Interrogators empfangene Energie wird über eine Weichenschaltung WS und den Bandpaß BP einem TrennversiaikiM TV₁ zugeführt. Damit werden die Anpassungsverluste an die m parallelen Empfangsmischer Mi-Em₁ bis Mi-Em_1n ausgeglichen sowie die notwendige Entkopplung der Mischer erreicht. Die m Überlagerungsfrequenzen wurden parallel von dem Empfangsfrequenzeinsteller EX-E abgegeben. Die digitale Steuerung der Einstellfrequenzen erfolgl durrh die Frequenzsteuerstufe FS. Die frequen/-transponierten m Empfangssignalc werden in m ZF-Vcrstärkcrn ZF verstärk» und in m Detektoren Dei dctekticrt. Die m Fehlererkennungsprozessoren klassifizieren fehlererkennend die Empfangsldegrammc und leiten die akzeptierte Information an das Arbeitsregister AR weiter. Sie wird von dort über den Datendekodierer Dek-D einem Eigenkennungsteil EK zugeführt und gelangt im Erkennungsfail über die Datenausgabe DA ?ur Ausgabe an periphere Gerate. Teile der erkannten information gelangen über den Dekodierer für die Frequenzinformation DEK-F an die Frequcnzsleuerstufe FS, die die digitale Frequenzsteuerung der Frequenzeinsteller für Aussendung EX-S und Empfang EX-E bewirkt.

Eine Synchronisationsabtrennung SA sichert die zeitliche Kohärenz der Aussendungen des Transponders mit den erkannten Empfangssignalen. Sie wird von dem Eigenkennungsteil EK vorbereitet und setzt die Ausgangsposition des Frequenzteilers FT in Koinzidenz mit dem der Synchronisation dienenden Abschnitt des Empiangssignals (z.B. Rückflanke). Der Quarzoszillator 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.

Die Aussendungen des Transponders werden über 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 peripheren Geräten (z. B. Höhenmesser) über die Dateneingabe DE eingegebenen Daten, der restliche Teil des Rückantworttelegramms dient der Fehlererkennung und Freundidentifikation im Interrogator und wird von der Telegramm-Kontrolle TK und den bereits im Puffer-

register PR stehenden Informationsbits zugefügt. Die charakteristische Frequenz der Aussendungen wird über den Senderfrequenzeinsteller für jeden Sendetakt durch die digitale Frequenzsteuerung FS nach einem bestimmten Frequenzwechsdschema umgesteuert.

Über die Schlüsseleingabe SE kann kurzfristig die Codierung der Codierer und Decodierer eingeschränkt verändert werden.

Beim Interrogator (Fig. 4) wirken die Empfänger E_r und E_x. analog zu dem des Transponders EM (nach Fiß. 3). Sie erhallen über den Trennverstarkcr TV₁ die Empfangssignale des Antennensystems AJ A₂. Eine Nebenzipferunterdriickung SLS-I bzw. SLS-2 steuert die Antennenweiche WS sowie die Empfangsempfindlichkeil der Empfänger E_r und E,.. Durch Vergleich der so über die Richtantenne A₁ und über die Rundstrahlantenne A₂ empfangenen Signale werden die über Nebenzipfel empfangenen unterdrückt. Der Bandpaß BP-E verbessert die Weitabselektion der Empfänger E, und E_r. und erhöht die Entkopplung zum Sender S.

Von den Empfangsgeräten E_r und E_r. werden die Rückmeldungen des Transponders, z. U. Kennung und Flugdaten, in den Pufferregistern PRl und PR2 zwischengespeichert und mit der über die variable Laufzeitkorrektur VLK-X bzw. VLK-I korrigierten Abstandsinformation versehen. Damit werden die durch das Frequenzwechselschema bedingten Systemtotzeiten ausgeglichen. 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 Fre- »° quenzen der Aussendungen des Senders S, der über einen Bandpaß BP-S an die Antennenweiche WS angekoppelt ist, werden ebenfalls von dem statistischen Generator SG gesteuert. Gleichzeitig kann der Sender 5 mit der Kennung eines bestimmten Transponders moduliert werden, der von der elektronischen Datenverarbeitungsanlage ED V selektiert worden ist. Damit kann nur maximal ein Transponder antworten. Die von dem vorstehend beschriebenen Interiogator ermittelten Daten werden von der Datenverar- »° beitungsanlage EDV zusammen mit den von einem Primärradar PRD ermittelten abgerufen und auf einem Anzeigegerät DiSP dargestellt.

Durch das Frequenzsprungverfahren wird der Störer gezwungen, mindestens die Hälfte aller Abfrage'S und Antwortkanäle zu stören, um eine spürbare Wir kung zu erzielen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Mittels Datenbit übertragung arbeitendes Kennungsverfahren für bewegliche Stationen mit einem Antwortgerät (»Transponder«) bei Radarsystemen, denen Abfragegeräte (»Interrogatoren«) zugeordnet sind, mit voneinander verschiedenen Abfrage- und Antwortfrequenzbereichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrage- und Antwortfrequenzbereiche in (m; r) Gruppen (i) von (n; s) Kanälen (/) unterteilt sind, und daß innerhalb der Impulsfclgeperiode (^) des Radargerätes eine der Zahl (m) der Gruppen entsprechende Anzahl von hinsichtlich des Datenir«- halts identischen Datenblöcken jeweils auf einer aus jeder Gruppe zufallsstatistisch ausgewählten Kanalfrequenz (/_y) vom Abfragegerät ausgesendet wird, und zwar derart, daß innerhalb der Überdeckungsdauer (r.) des Ziels durch die Abfrageantenne (»Scandauer«) jede Kanalfrequenz jeder Gruppe genau einmal benutzt wird, und daß den Datenblöcken bei der Aussendung eine zufallsstatistisch ausgewählte Information über die von Impulsfolgeperiode zu Impulsfolgeperiode des Radargerätes wechselnde Antwortfrequenzfolge zugefügt wird, derart, daß während einer der Überdeckungsdauer entsprechenden Zeit alle Kanäle des Antwortfrequenzbereiches genau einmal belegt und innerhalb einer Impulsfolgeperiode aus jeder Antwortfrequenzgruppe jeweils ein Kanal belegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrage- und Antwortfrequenzfolgen von einem statistischen Generator (5G) im Abfragegerät (Fig. 4) abgeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Empfänger (EM) des Antwortgerätes (Fig. 3) abgeleiteten, dekodierten Daten und gegebenenfalls von der mobilen Station zusätzlich gegebene Daten einer Transpondersendermischstufe (MiS) für die Antwort-Sequenz aufmoduliert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sender (S) des Abfragegerätes (Fig. 4) Daten aus einem Primärradargerät (PRD) und einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage (EDV) aufmoduliert werden.

5. Antwortgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in seinem (Fig. 3) Empfänger (EJVf) eine den Gruppen entsprechende Anzahl von parallelgeschalteten Eingangsmischstufen (Mi-Em₁ bis Mi-Em_n) vorgesehen ist, die von einem digitalen Frequenzeinsteller (EX-E) ansteuerbar sind.

6. Antwortgerät nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Frequenzeinsteller (EX-E) von einer Frequenzsteuerstufe (FS) angesteuert wird, die au zh einen digitalen Frequenzeinsteller (EX-S) für die Transponder-Sendefrequenzen ansteuert.

7. Antwortgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzsteuerstufe (FS) Steuerkommandos über einen Dekodierer (DEK-F) erhält, der über ein Arbeitsregister (AR) an den Empfänger (EM) angeschlossen ist.

8. Abfragegerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß es (Fig. 4) eine Richtantenne (A₁) und eine Rundstrahlantenne (A₂) hat.

9. Abfragegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei gleich aufgebaute Empfänger (Er, Er") enthält, deren Eingangsmischstufen jeweils in einer Gruppe parallel geschaltet sind.

10. Abfragegerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der statistische Generator (SG) den Sender (S) des Interrogators für die Abfragefrequenzen und einen Einsteller für die Antwortfrevjuenzfolgen in den Empfängern (Er, Er') des Interrogators steuert.