DE2358585B2 - Funkpeiler und nach dem Reziprozitätsgesetz arbeitendes Funkfeuer - Google Patents

Funkpeiler und nach dem Reziprozitätsgesetz arbeitendes Funkfeuer

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Description

mΫ + m? -2ml ml cos (λ 1 - ,<) = /n32 + m4r - 2 /h3 m4 cos (λ 2 - //).
1. Funkpeiler, bei dem zur Ermittlung des Einfallswinkels einer durch Mehrfachempfang ge- r> störten elektromagnetischen Welle die an den Antennen auftretenden Phasen und Amplituden ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Gruppe mit zwei Antennenpaaren vorgesehen ist, diß die Einzelan- in
ex. ·= gemessener Phasenwinkel zwischen den
von den Einzelantennen eines Antennen- i'i paares empfangenen Signale,
β = Phasenwinkel der Nutzwelle,
m = gemessene Amplituden der empfangenen Signale bestimmt wird, woraus mit Hilfe der Gleichung
φ = arcsin -γ
der Peilwinkel (φ) ermittelt wird.
2. Funkpeiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelantennen (E) auf einer Zeile angeordnet sind und daß als Gruppen zwei auf der Zeile liegende Paare verwendet werden, deren Lage zueinander beliebig sein kann.
3. Funkpeiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelantennen (E)auf einem Kreis in angeordnet sind und daß als Gruppen zwei Paare verwendet werden, deren Einzelantennen sich auf dem Kreis gegenüberliegen.
4. Funkpeiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antenne tien beiden Paaren einer η Gruppe gemeinsam ist.
5. Funkpeiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreiergruppen der Einzelantennen (E) aus zwei auf einem Kreis diametral gegenüberliegenden Einzelantennen (E) und einer Mittelantenne (ME) bestehen.
6. Funkpeiler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen an allen Einzelantennen gleichzeitig erfolgen.
7. Funkpeiler nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Messung des Peilwinkels (φ) mit mehreren Gruppen der Peilwinkel als Mittelwert der Einzelergebnisse der Grippen gebildet ist.
8. Funkpeiler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelantenr.2 (ME) 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 5 und 7, wobei von den Einzelantennen (E) des Funkfeuers nacheinander Impulse abgestrahlt und bordseitig die Messungen vorgenommen werden.
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Funkpeiler, bei dem zur Ermittlung des Einfallswinkels einer durch Mehrfachempfang gestörten elektromagnetischen Welle die an den Antennen auftretenden Phasen und Amplituden ausgewertet werden.
In der DE-OS 20 07 048 ist erwähnt, daß es Peiler gibt, bei denen zur Bestimmung des Einfallswinkels Phasen und Amplituden der empfangenen Signale ausgewertet werden.
Bei Mehrwegausbreitung können bei diesen Peilern Störungen auftreten. Peiler, die gegen derartige Störungen relativ unempfindlich sind, sind aus dem Aufsatz von F. Steiner, »Großbasispeiler nach dem Dopplerprinzip«, Nachrichtentechnische Fachberichte 12 (1958) beschrieben. Großbasispeiler, bei denen zur Bestimmung des Einfallswinkels die Phasen der empfangenen Signale ausgewertet werden, haben den Nachteil, daß sie eine große räumliche Ausdehnung haben. Es sind Antennenkreise bzw. Antennenzeilen mit einem Durchmesser bzw. einer Länge von 5 λ (λ ist die Wellenlänge des empfangenen Signals) und mehr bekannt. Je kleiner jedoch die Basis gewählt wird, um so mehr wirken sich Störungen durch Mehrwegausbreitung, die einen Mehrfachempfang zur Folge haben, auf das Meßergebnis aus.
V) Aufgabe
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Peiler anzugeben, bei dem eine Phasen- und Amplitudenauswertung erfolgt und der gegen durch Mehrfachempfang verursachte Störungen weitgehendst unempfindlich ist.
Lösung
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Vortelhafie Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Y> Vorteile
Mit der Erfindung wird der Aufbau räumlich kleiner Antennensysteme für Peiler, die gegen durch Mehrwegausbreitung verursachte Störungen weitgehendst unempfindlich sind, 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 b5 noch größere Unempfindlichkeit gegen Störungen durch Mehrwegausbreitungen erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Lösung ist auch bei Funkfeuern anwendbar.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nun an Hand der Figuren beispielsweise näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 drei linear angeordnete Antennen einer Antennenanordnung, bei denen eine Vutzwelle und eine Störwelle eintrifft,
Fig.2 den zeitlichen Verlauf der an den Antennen nach Fig. 1 meßbaren HF-Spannungen und deren Nutz-und Störkomponenten,
F i g. 3 ein Zeigerdiagramm zu F i g. 2,
F i g. 4 ein normiertes Zeigerdiagramm, bei dem die Zeiger nach Fig.3 so gedreht sind, daß die Nutzzeiger aufeinanderfallen (im doppelten Maßstab wie F i g. 3),
Fig.5a) und 5b) zwei Beispiele für die Anordnung von Vierergruppen,
Fig.6 ein Fig.4 entsprechendes normiertes Zeigerdiagramm für die Anordnungen nach F i g. 5,
Fig.7 ein normiertes Zeigerdiagramm für den Fall von vier beliebigen Störwellen,
Fig. 8 ein Blockschaltbild eines FunkpeMers mit Kreisaniennenanordnung.
Das der erfindungsgemäßen Anordnung zugrunde 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 Elenvsnt vorhandenen Felds im Augenblick der Messung bestimmt und gespeichert werden, 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 ermitteil. Aus dem Feldverlauf längs der Apertur, der nicht lückenlos vermessen, sondern entsprechend der Zahl der Antcnneneiemente abgetastet wird, läßt sich die Richtung des Senders ermitteln.
Gelangt die von der Bordslation 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 eleklromagnetische Welle von einem derarl 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 F i g. 1 sind drei Antennen £2, E1, £3 dargestellt, die mit untereinander gleichem Abstand a auf einer
Geraden angeordnet sind. Mit w ist der Winkel, den eine Nutzwelle Wn und eine Senkrechte auf der Verbindungslinie der Antennen einschließen, angegeben. Ist β der Phasenwinkel zwischen den an den Antennen £2 und E 1 bzw. £ 1 und Ei gemessenen Signalen, dann gilt
2.-7« .
—r- sin ν ;
und hieraus (I)
= arcsin — · //
2 .τ α
(/. ~- Wellenlänge)
Tritt nun außer der Nutzwelle Wn noch eine gleichfrequente Störwelle Ws auf, — wobei angenommen wird, daß die Amplitude der Störwelle kleiner ist als die der Nutzwelle, dann addieren sich beide Wellen Wn und Ws vektoriell. Somit wird zwischen den Antennen £2 und £1 bzw. £1 und £3 nicht mehr der gleiche Phasenwinkel ß, sondern zwischen £2 und £1 ein Phasenwinkel λ;I und zwischen £1 und £3 ein Phasenwinkel «2 gemessen.
In Fig. 2 ist der zeilliche Verlauf der an den Antennen £1, £2 und £3 gemessenen Signale dargestellt. Mit in 1, /??2, «7 3 sind die Amplituden der vektoricllen Summe von Nutzwelle und Störwelle, mil η 1, /?2, π 3 die Amplituden der Nutzwelle und mil s 1, s 2, s3 die Amplituden der Störwelle bezeichnet, β ist der Phasenwinkel zwischen η i und η 2 bzw. π 3 und γ der Phasenwinkel zwischen s 1 und s2 bzw. .■; I und si. Es ist dabei β = 60° angenommen und /7 2 gegenüber /71 voreilend. Ferner ist angenommen, daß die Amplitude von Wn doppelt so groß ist wie die von VKs, und daß der Einfallswinkel von Wsgleich360° -c/nst.
Wie man sieht, liegen die Nulldurchgängc dor Nutzwelle Wobei A 1, A 2 und A3; β entspricht also der Strecke AiA2 bzw. A 1/4 3. Kommt die Störwelle Ws hinzu, dann verschiebt sich die Lage des Nulldurchgangs von A 1 auf Bi, von A 2auf B2und von A 3 auf B3. Die Strecke B \B2 entspricht jetzt dem Winkel λI und die Strecke B 1B 3 dem Winkel <x2.
Fig. 3 zeigt das Zeigerdiagramm der Kurven nach Fig. 2 in einem beliebigen Zeitpunkt. Die gemessenen Werte sind m i,m2,ni3,<x,\ und «2.
Mit Hilfe der F i g. 4 wird nun gezeigt, wie aus diesen gemessenen Werten die Nutzphase β ermittelt werden kann. Der besseren Übersicht wegen sind die Zeiger doppelt so lang wie in Fig.3 gezeichnet. Die Nutzzeiger η 2 und η 3 sind um den Winkel β so gedreht, daß sie mit dem Nutzzeiger η Ι zusammenfallen. Zwischen den Störzeigern si und s2 bzw. si und s3 treten jetzt gleiche Winkel γ—β auf und zwischen den gemessenen Zeigern in 1 und m 2 der Winkel al — β und zwischen m 1 und m 3 der Winkel oc2—ß. Die mit d 1 und £7"2 bezeichneten Strecken sind gleich lang. Durch Anwendung des Kosinussatzes für d 1 und für c/2, ergibt sich, da d 1 = c/2 ist.
m I2 + m22 - 2 m 1 ml cos (λ 1 - //) = m I2 + mir - 2ml mi cos (λ 2 - //).
Diese Gleichung enthält außer der gesuchten Größe β nur die gemessenen Größen in I,m2, /n3, <xl,a2, so daß β und damit aus Gleichung (1) der Einfallswinkel ψ berechnet werden kann
Der Abstand a zwischen den Antennen eines Paares bestimmt bei gegebenem Einfallswinkel φ die Größe der
gemessenen Phasenwinkel <x\ und x2. |e größer man a macht, desto größer wird die Auflösung und desto weniger wirken sich gerätetechnisch bedingte Phascnmeßfehler als Fehler des zu bestimmenden Einfallswinkels q 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 F i g. 5a und 5b. Dabei ist nicht erforderlich, daß alle vier Antennen auf einer Geraden liegen. Entscheidend ist lediglich, daß die Abstände ;; zwischen den Antennen jedes Paares gleich und die Verbindungslinien zwischen den geradzahligen und den ungeradzahligen Antennen der Paare parallel sind.
F i g. b zeigt das der F i g. 4 entsprechende Zeigerdiagramm für solche Anordnungen. Die beiden von den Slörzeigern 5 begrenzten Kreisausschnitte berühren sich nicht mehr wie bei der Anordnung nach Fig. 1. Die Lage der Kreisausschnitte wird von der Lage der Anlennenpaarc zueinander bestimmt.
Für diesen Fall wirdGlcichung(2)7.u
») I2 + ml1 - 2 m I ml cos {\ I — ,>') = w32 + ni4: - 2 m3 m4 cos I
Ί -
Die Anordnung mit vier Antennen und die Anordnung mit drei Antennen ermöglichen die exakte Bestimmung des Einfallswinkels der Nutzwelle, wenn nur eine Störwelle vorhanden ist. Dieser Fall tritt nur bei ebener, homogener Reflexionsfläche auf. In natürlicher Umgebung muß aber mit mehreren Störwellen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln, Phasen und Amplituden gerechnet werden.
F i g. 7 zeigt ein der F i g. 3 entsprechendes Zeigerdiagramm für eine der Antennen. Die Spitze des gemessenen Zeigers m bewegt sich auf einer Ortskurve N. Einem Nutzzeiger π überlagern sich die Störzeiger sa bis sd. die vektoriell zusammengesetzt den resultierenden Störzeiger sr ergeben. Für jede Antenne ergibt sich ein anderer resultierender Störzeiger sr. Deshalb liegen die Spitzen der Nutzzeiger nicht mehr auf einem Kreis um die Spitze von n. und damit ist d\ Φ d2.
Wenn man den Einfallswinkel der Nytzwelle für den Fall, daß mehrere Störwellen vorhanden sind, aus den Gleichungen (2) oder (3) ermittelt, so erhält man kein genauem Ergebnis. Ein j.'°naues Ergebnis erhält man durch Verwendung von ," ntennenanordnungen mit mehr als drei bzw. vier An'.ennen. Bei der Auswertung der Meßwerte bildet man jeweils Dreier- bzw. Vierer-Gruppen, ermittelt den Einfallswinkel der Nutzwelle aus den Meßwerten jeder Gruppe und bildet anschließend den arithmetrischen oder nach einem anderen geeigneten mathematischen Bildungsgesetz gedichteten Mittelwert der Einzelergebnisse.
Von den möglichen Antennenanordnungen mit mehreren Antennen sind die Antennenzeile und die Kreisgruppe besonders vorteilhaft einsetzbar.
Bei der Antennenzeile mit π Antennen können Gruppen dadurch gebildet werden, daß die erste, die zweite, die dritte Antenne, die zweite, die dritte und die vierte Antenne usw. und schließlich die η—21C, die n— 1lc und die n'c Antenne zusammengefaßt werden. Bei η = 30 kann man 29 Dreiergruppen bilden, die den kleinstmöglichen Ar tennenabstand 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 tc" Antenne, der Mittelantenne und der (n + ifc" Antenne bilden.
Es ist aber auch möglich Vierer-Gruppen zu bilden.
Für diesen Fall zeigt F i g. 8 ein Blockschaltbild eines vollständigen Funkpeilcrs. In dieser Figur ist eine Kreisgruppe, deren Antennen mit EX bis £2/7 bezeichnet sind, dargestellt. Mit jeder Antenne ist einer von Empfängern Ri bis R2n verbunden. An die Empfänger ist eine Amplituden- und Phasenmeßein-ichtung 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 q> ermittelt, wobei jeweils die Meßwerte von zwei gegenüberliegenden Antennenpaaren als Vierer-Gruppe zusammengefaßt werden und der Mittelwert der Einzelergebnissc gebildet wird.
In der Figur ist noch eine Mittelantenne ME dargestellt, die mit einem Prüfsender PS verbunden ist. Über die Mittelantenne werden in gleichbleibenden Abständen Eichimpulse für alle Empfänger R 1 bis R2n abgestrahlt. Während der Dauer der Eichimpulsc kann nicht gemessen werden.
Dieser Peiler läßt sich besonders günstig in Verbindung mit der Anordnung nach der DE-OS 20 38 982 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 erhielt man ein Summendiagramm), und es muß daher eine Information über die sendende Antenne zum Empfänger 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 Antennenanordnung 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 Seitenbandverfahrens auch im Video-Bereich gewinnen.
Hierzu 4 Bhitt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Palentansprüche:
    lennen eines jeden Paares (EX und £2, £3 und £4) den Abstand (a) voneinander haben, daß die Paare so angeordnet sind, daß die Verbindungslinien der Einzelantennen der Paare parallel zueinander liegen und daß die Phase (ß) der Nutzwelle mit Hilfe eines Rechners (C) aus der Gleichung
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