DE2358585A1

DE2358585A1 - Funkpeiler

Info

Publication number: DE2358585A1
Application number: DE2358585A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Boehm
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1973-11-24
Filing date: 1973-11-24
Publication date: 1975-06-05
Also published as: DE2358585C3; FR2252578A1; US3973262A; DE2358585B2; CH578739A5; GB1455929A; IT1025844B; FR2252578B1

Description

STANDARD ELEKTRIK LORENZ AG
STUTTGART ■

M.Böhm-21

Funkpeiler

Stand der Technik:

Die Erfindung betrifft einen Funkpeiler mit mehreren Antennen, bei dem der Einfallswinkel einer elektromagnetischen Welle aus den an den Antennen auftretenden Phasen bestimmt wird.

Ein derartiger Peiler ist beispielsweise in dem Aufsatz von . F.Steiner: "Großbasispeiler nach dem Dopplerprinzip",Nachrichtentechnische Fächberichte 12 (1958), beschrieben.

Großbasispeiler sind relativ unempfindlich gegen Störungen durch Mehrwegausbreitung. Sie haben den Nachteil, daß sie eine große räumliche. Ausdehnung haben. Es sind Antennenkreise bzw. Antennenzeilen mit einem Durchmesser bzw. einer Länge von 5λ und mehr bekannt. Je kleiner jedoch die Basis gewählt wird, umso mehr wirken sich Störungen durch Mehrv/egausbreitung auf das Meßergebnis aus.

Ne/Schο
20.11.1973

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Aufgabe:

Es ist die Aufgabe· der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung, einen Peiler oder ein Punkfeuer mit kleiner Basis anzugeben, mit dem die gleiche Unempfindlichkeit gegen Störungen durch Mehrwegausbreitungaiwie bei Peilern mit großer Basis erzielt werden kann.

Vorteil:

Mit der Erfindung wird der Aufbau räumlich kleiner Antennensysteme für Peiler und Funkpeiler ermöglicht. Für mobile Anlagen können die Antennensysteme "so klein gemacht werden, daß sie sich auf Kraftfahrzeugen fest montieren oder mit Kraftfahrzeugen transportieren lassen.

Mit der Erfindung kann bei Großbasisanlagen, eine noch größere Unempfindlichkeit gegen Störungen durch Mehrwegausbreitungen erreicht werden.

Beschreibung der. Erfindung:

Die Erfindung wird nun an Hand der Figuren beispielsweise näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig.l drei linear angeordnete Antennen einer Antennenanordnung, bei denen eine Nutzwelle und eine Störwelle eintrifft;

Fig,2 den zeitlichen Verlauf der an den Antennen nach Fig.l messbaren HF-Spannungen und deren Nutz- und Störkomponenten:!

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Fig.3 ein Zeigerdiagramm zu Fig.2;

Fig.4 ein normiertes Zeigerdiagramm, bei dem die Zeiger nach Fig.3 so gedreht sind, daß die Nutzzeiger aufeinanderfallen (i_m doppelten Massstab wie Fig.3)J

Fig.5a) und 5) .

zwei Beispiele für die Anordnung von Vierergruppen;

Fig.6 ' ein Fig.4 entsprechendes normiertes Zeigerdiagramm für die Anordnungen nach Fig.5;

Fig.7 ein normiertes Zeigerdiagramm für den Fall vonvier belie* bigen Störwellen;

Fig.8 ein Blockschaltbild eines Funkpeilers mit Kreisantennenanördnung.

Das der erfindungsgemäßen Anordnung zu Grunde liegende Prinzip soll zunächst am Beispiel eines Peilers erläutert werden. Am Boden befindet sich eine lineare oder kreisförmige'Antennenanordnung, deren einzelne Antennen die von der zu peilenden Bordstation abgestrahlte elektromagnetische Welle empfangen»

Die Antennen werden entweder nacheinander an einen einzigen Empfänger angeschlossen, mit dessen Hilfe Amplitude und Phase des an jedem Element vorhandene Felds im Augenblick der Messung be- stimmt und gespeichertwerden, oder jede Antenne speist einen eigenen Empfänger. Es wird jeweils über mehrere Perioden der Wellen gemessen. Auf diese Weise wird der Feldverlauf längs der verwendeten Antennenanordnung ermittelt, Aus dem Feldverlauf längs der Apertur der nicht lückenlos vermessen, sondern.entsprechend der Zahl der Antennenelemente abgetastet wird,"läßt sich

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die Richtung des Senders ermitteln.

Gelangt die von der Bordstation abgestrahlte elektromagnetische Welle nur auf dem direkten Wege (Nutzwelle) zu den Antennen der Antennenanordnung der Bodenstation, dann liefern bereits die Phasenmessungen allein innerhalb ihrer Messgenauigkeit den Einfallswinkel hinreichend genau. Kann die von der Bordstation abgestrahlte elektromagnetische Welle aber auch noch auf einem anderen Weg die Antennen der Bodenstation erreichen, z.B. durch Reflexion am Boden oder an Objekten (Störwelle) dann addieren sich an den Antennen die direkte und die reflektierte Welle vektoriell. Dies führt zu einer Verfälschung des Meßergebnisses .

Wenn man annimmt, daß die empfangene elektromagnetische Welle von einem derart weit entfernten Punkt abgestrahlt bzw. reflektiert wird, daß die einfallenden Wellen ebene Wellenfronten aufweisen, dann ermöglicht die Erfindung die Bestimmung des Einfallswinkels der Nutzwelle..

In Figur 1 sind drei gleiche Antennen E2, El, E3 dargestellt, die mit untereinander gleichem Abstand a auf einer Geraden angeordnet sind. Mit ¹^ ist der Winkel, den eine Nutzwelle Wn und eine Senkrechte auf der Verbindungslinie der Antennen einschließe^ angegeben. Ist £ der Phasenwinkel zwischen den an den Antennen E2 und El bzw. El und E3 gemessenen Signalen, dann gilt

g = 2T[a _sin y>. _{und hieraus} y? _{= arc} Si_n _L . $ (i) ( X=Wellenlänge)

Tritt nun außer der Nutzwelle Wn noch eine gleichfrequente Störwelle Ws auf, - wobei angenommen wird, daß die Amplitude der

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Störwelle kleiner ist als die der Nutzwelle, dann addieren sich beide Wellen Wn und Ws vektoriell. Somit wird zwischen den Antennen E2 und El bzw. El und E3 nicht mehr der gleiche Phasenwinkel 3, sondern zwischen E2 und El ein Phasenwinkel al und zwischen El. und E3 ein Phasenwinkel a2 gemessen.

In Pig.2 ist der zeitliche Verlauf der an den Antennen El, E2 und E3 gemessenen Signale dargestellt. Mit ml, m2> m3 sind die Amplituden der vektoriellen Summe von Nutzwelle und-Störwelle, mit nl, n2.,. n3 die Amplituden der Nutzwelle und mit si, s2, s3 die Amplituden der Störwelle bezeichnet. 3 ist der Phasenwinkel zwischen nl und n2 bzw. n3 und γ der Phasenwinkel zwischen si und s2 bzw. si und s3. Es ist dabei ß=60 angenommen und n2 gegenüber nl voreilend. Ferner ist angenommen, daß die Amplitude von Wn doppelt so groß ist wie die von Ws, und daß der Einfallswinkel von Ws gleich 3'βΌ° -l| ist.

Wie man· sieht·, liegen die Nulldurchgänge der Nutzwelle Wn bei V Al, A2 und A3; 3 entspricht also der Strecke. Ä1Ä2 bzw. A1A3*, Kommt die Störwelle Ws hinzu, dann verschiebt sich die Lage des Nulldurchgangs von Al auf Bl, vonA2 auf B2 und von A3 auf B3. Die Strecke B1B2 entspricht jetzt dem Winkel al und die Strecke B1B3 dem Winkel a2. .

Figur 3 zeigt das Zeigerdiagramm der Kurven nach;Fig.2 in einem beliebigen Zeitpunkt. Die gemessenen Werte sind ml _y_ m2, m3, al und a2.

Mit Hilfe der Figur 4 wird nun gezeigt, wie aus diesen gemessenen Werten die Nutzphase 3 ermittelt werden kann.- Der besseren Übersicht wegen sind die Zeiger doppelt so lang..wie in Fig.3 gezeichnet. Die Nutzzeiger n2 und n3 sind um den Winkel. 8 so gedreht, daß sie mit dem Nutzzeiger nl zusammenfallen. Zwischen den Nutz-

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zeigern si und s2 bzw. si und s3 treten jetzt gleiche Winkel Y - β auf und zwischen den gemessenen Zeigern ml und m2 der Winkel al - 3 und zwischen ml und m3" der Winkel a2 - ,ß. Die mit dl und d2 bezeichneten Strecken sind gleich lang. Durch Anwendung des Kosinussatzes für dl und für d2, ergibt sich, da dl=d2 ist,

ml + m2² - 2mlm2cos(al-ß)=ml² + m3² - 2mlm3cos(a2-ß) (2)

Diese Gleichung enthält außer der gesuchten Größe 3 nur die gemessenen Größen ml, m2, m3, al, a2, sodaß 3 und damit aus Gleichung (1) der Einfallswinkel ψ> berechnet werden kann.

Der Abstand a zwischen den Antennen eines Paares bestimmt bei gegebenem Einfallswinkel */ die Größe der gemessenen Phasenwinkel al und a2. Je größer man a macht, desto größer wird die Auflösung und desto weniger wirken sich gerätetechnisch bedingte Phasenmeßfehler als Fehler des zu bestimmenden Einfallswinkels"¹/ aus. Umgekehrt kann man a desto kleiner machen, je größer die gerätetechnische Meßgenauigkeit für Phase und Amplitude gemacht werden· kann.

Das heißt mit anderen Worten, auch mit einer kleinen Apertur läßt sich so genau messen, wie es der Stand der Meßgerätetechnik jeweils zuläßt, sofern nur ein Störer vorhanden ist. Wie vorzugehen ist, wenn mehrere Störer vorhanden sind, ist weiter unten erläutert. . '

Die bisher beschriebene Anordnung mit drei Antennen ist ein Sonderfall der allgemeineren Anordnung mit vier Antennen. Zwei Beispiele für die letztgenannte Anordnung zeigen die Figuren 5a und 5b. Dabei ist nicht erforderlich, daß alle vier Antennen auf einer Geraden liegen. Entscheidend ist lediglich, daß die Abstände a zwischen den Antennen jedes Paares gleich und die Verbindungslinien zwischen den geradzahligen und den ungeradzahligen

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Antennen der Paare parallel sind. Fig.6 zeigt das der Fig.H entsprechende Zeigerdiagramm für solche Anordnungen, Die beiden von den Störzeigern s begrenzten Kreisausschnitteberühren, sich nicht mehr wie bei der Anordnung nach Fig.1. Die Lage-der Kreisausschnit te wird von der Lage, der Antennehpaare zueinander bestimmt.

Für diesen Fall wird Gleichung (2) zu

ml² + m2² - 2mlm2cos(al-ß). = m3² + m4² - 2m3m*lcos (ά2-β) (3)

Die Anordnung mit vier Antennen und die Anordnung mit drei An- ' tennen ermöglichen die exakte Bestimmung des Einfallswinkels der Nutzwelle, wenn nur eine Störwelle vorhanden istJ Dieser Fall
tritt nur bei ebener, homogener Reflexionsfläche auf. In natürlicher 'Umgebung muß · aber mit mehreren Störwelleh mit unterschiedlichen Einfallswinkeln, Phasen und Amplituden gerechnet werden. Fig.7 zeigt einder Fig.3 entsprechendes Zeigerdiagramm für eine der Antennen. Die Spitze des gemessenen Zeigers m bewegt sich auf einer Ortskurve N. Einem Nutzzeiger η überlagern sich die Störzeiger sa bis -adj die vektoriell zusammengesetzt
den resultierenden -Störzeiger sr ergeben. Für jede Antenne ergibt sich ein anderer resultierender Störzeiger sr. Deshalb liegen die Spitzen der Nützzeiger nicht mehr auf einem Kreis um
die Spitze von n, und· damit ist dl i d2. -" ^;

Wenn man den Einfallswinkel der Nutzwelle für den Fall, daß mehrere Störwellen vorhanden sind, aus den Gleichungen (2) oder (3) ermittelt, so erhält man kein genaues Ergebnis. Ein genaues Ergebnis erhält man durch Verwendung von Antennenanordnungen mit
mehr als drei bzw. vier Antennen. Bei der Auswertung der Meßwerte bildet man jeweils Dreier- bzw. Vierer-Gruppen, ermittelt den Einfallswinkel der Nutzwelle aus den Meßwerten jeder Gruppe und

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bildet anschließend den arithmetrisehen oder nach einem anderen geeigneten mathematischen Bildungsgesetz gewichteten Mittelwert der Einzelergebnisse.

Von -den möglichen Antennenanordnungen mit mehreren Antennen sind die Antennenzeile und die Kreisgruppe besonders vorteilhaft einsetzbar.

Bei der Antennenzeile mit η Antennen können Gruppen dadurch gebildet werden, daß die erste, die zweite, die dritte Antenne, die zweite, die dritte und die vierte Antenne usw. und schließlieh die n-2 , die n-1 und die η Antenne zusammengefasst werden. Bei n=30 kann man 29 Dreiergruppen bilden, die den kleinstmöglichen Antennenabstand a haben. Es lassen sich aber auch Dreiergruppen mit einem Antennenabstand bilden, der ein Mehrfaches von a beträgt.

Bei der Kreisgruppe mit 2n Antennen gibt es mehrere Möglichkeiten zur Gruppenbildung. Ist eine Mittelantenne vorhanden, dann kann man Dreiergruppen jeweils aus der i Antenne, der Mittelantenne und der (n+i) ^en Antenne bilden.

Es ist aber'auch möglich Vierer-Gruppen zu bilden. Für diesen Fall zeigt Fig.8 ein Blockschaltbild eines vollständigen Funkpeilers. In dieser Figur ist eine Kreisgruppe, deren Antennen mit El bis E2n bezeichnet sind, dargestellt. Mit jeder Antenne ist einer von Empfängern Rl bis R2n verbunden. An die Empfänger ist eine Amplituden- und Phasenmesseinrichtung AP angeschlossen, die die Meßwerte für jede Antenne getrennt an einen Rechner C ausgibt. Im Rechner C wird nach den Gleichungen

(3) und (1) der Winkel γ ermittelt, wobei jeweils die Meßwerte

-paaren

von zwei gegenüberliegenden Antennen als Vierer-Gruppe zusammengefasst werden und der Mittelwert der Einzelergebnisse gebildet wird.

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In der Figur ist noch eine Mittelantenne ME dargestellt, die mit einem Prüfsender PS verbunden: ist. über die Mittelantenne werden in gleichbleibenden Äbst'äTraelFVxür'alle Empfänger Rl bis R2n abgestrahlt.' Während der Dauer der Eichimpulse kann nicht gemessen werden.

Dieser Peiler läßt sich besonders günstig in Verbindung mit der Anordnung nach der DT-OS 2 O38 982 einsetzen. " - :

Die Erfindung ist nicht .nur'für Funkpeiler,sondern auch für Funkfeuer verwendbar. Beim Peiler ist'für-jede Antenne ein Empfänger ' vorhanden; daher ist ein gleichzeitiger Empfang und eine gleichzeitige Auswertung der Signale möglich. Beim Funkfeuer ist dagegen nur eine aufeinanderfolgende Abstrahlung der Signale von den einzelnen Antennen möglich (bei gleichzeitiger Sendung erhielte man· ein Summendiagramm),. und es muß- daher eine Information über die sendende Antenne zum^vEmpfänger übertragen werden. Zusätzlich muß auch ein Bezugssignal mit übertragen werden. Im übrigen können die Reflexionsfehler jedoch in der gleichen Weise reduziert werden wie beim Peiler. Wie beim, Peiler werden aus. den Antennen einer Äntennenanordnung Gruppen von jeweils drei · zueinander äquidistanten Antennen gebildet. Die drei Antennen werden nacheinander von einem Sender mit gleicher Amplitude und Phase gespeist. Die im Funkfeld-durch Reflexionen verfälschten Signale werden empfangen, Amplitude und Phase^gemessen und die Meßwerte wie beschrieben verarbeitet. Ist die direkte Messung der HF-Signale (auch im ZF-Bereich) zu schwierig, dann lassen sich die interessierenden Größen durch .Verwendung eines Seitenband Verfahrens auch im Video-Bereich ^gewinnen. ■ -. ·

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Claims

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Patentansprüche

Funkpeiler mit mehreren Antennen, bei dem der Einfallswinkel einer elektromagnetischen Welle aus den an den Antennen auftretenden Phasen bestimmt wird,' dadurch' gekenrizeichriet, daß mindestens eine Gruppe mit zwei Antennenpaaren vorgesehen ist, daß die Antennen jedes Paares (El, E2; E3, E4) gleichen Abstand (a) voneinander haben und die Paare so angeordnet sind, daß die Verbindungslinie der Antennen mit geradzahliger Ordnungszahl parallel zur Verbindungslinie der Antennen mit ungeradzahliger Ordnungszahl ist, daß einzeln die Amplituden (ml, m2, m3, mh) und die Phasen (al,a2) der von jeder Antenne.aufgenommenen HP-Spannung gemessen werden und daß bei Störungen, d.h. bei ungleichen Amplituden und/oder Phasenmesswerten die 'Phase (ß) der Nutzwelle mit Hilfe eines Rechners aus der Gleichung

ml + m2² - 2mlm2 cos (al-3) = m3² + m4² - 2m3m4 (a2-ß) bestimmt wird.

2. Peiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen auf einem Kreis angeordnet sind, daß als Gruppe zwei sich gegenüberliegende Paare verwendet werden, deren Einzelelemente sich auf dem Umfang gegenüberliegen.

-t_>% Peiler nach Anspruch 1,2 o*der 3,' dadureh gekennzeichnet, daß die Gruppe anstelle der beiden Antennenpaare drei Antennen enthält, deren Antennen den Abstand (a) haben und auf einer Geraden liegen

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§· Peiler nach Anspruch 1 _Λ _ dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen auf einer Zeile angeordnet sind und daß als Gruppe zwei auf der Zeile liegende Paare verwendet werden, deren Lage zueinander beliebig sein kann. . ·

5. Peiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen an allen Antennen gleichzeitig erfolgen.

6. Peiler nach einem der Ansprüche 1 bis 5.,'dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Gruppen die Phasendifferenz (3) durch Mittel- ' wertbildung aus den Gruppenmeßwerten gewonnen wird.

7. Peiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzei chnet , daß bei Anordnung der Antenren auf einem Kreis eine Mittelantenne vorgesehen ist und daß die einzelnen Dreiergruppen aus zwei auf den Kreisumfang diametral gegenüberliegenden Antennen und der Mittelantenne bestehen. , '

8. Peiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Mittel-

(3.1Θ

antenne vorgesehen ist, zur Aussendung von periodischen Eichsignalen für die an die Außenantennen angeschlossenen Empfänger dient.

9. Funkfeuer, gekennzeichnet durch die sinngemäße Anwendung' des Reziprozitätssatzes auf die Merkmale von einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 8, wobei.das Punkfeuer nacheinander Impulse abstrahlt und bordseitig die Messungen vorgenommen werden* -