DE2941525C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Funkpeilanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei solchen Funkpeilanlagen wird der Einfallswinkel von Funksignalen allein aus Phasendifferenzwerten bestimmt. Eine Funkpeilanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-OS 21 33 000 bekannt.

In dieser Schrift ist eine Interferometer-Funkpeilanlage beschrieben, die es gestattet, eindeutige Einfallswinkel von breitbandigen Signalen zu bestimmen. Gemäß Fig. 2 dieser Schrift sind hierzu drei kolineare oder zumindest parallele Antennen vorgesehen, die jeweils mit nachgeschalteten Funkempfängeranordnungen fest verbunden sind, deren Ausgangssignale mit Hilfe von zwei Phasenmeßschaltungen gleichzeitig in der Phase verglichen werden. Durch das Prinzip der gleichzeitigen Durchführung der Phasenmessung unter Antennenpaaren mit verschiedenen Abständen ist die Bestimmung von eindeutigen Einfallswinkeln möglich, jedoch ist insbesondere bei Abdeckung weiterer Frequenzbänder der schaltungstechnische Aufwand hierfür beträchtlich.

Aus der DE-PS 12 48 754 ist eine Anlage bekannt, die nicht auf dem Interferometerprinzip beruht und das Interferenzfeld von N kohärenten Wellen bzw. Funksignalen bestimmt, indem mit Hilfe der Ausgangssignale von 2N in einem Adcock-System angeordneten gleichen Antennen durch Bilden von Amplitudenverhältnissen und Phasendifferenzen ein Gleichungssystem aus 4N-2 Gleichungen aufgestellt wird, aus dem die Größen der Wellenfunktionen einschließlich der Peilwinkel bestimmbar sind. Um die Ausgangssignale der 2N Antennen zu verarbeiten, sind zwei Empfängeranordnungen vorgesehen, die wahlweise sämtlich über einen Schalter zyklisch mit den beiden Empfängeranordnungen verbunden werden oder von denen irgendeine beliebige Antenne stets mit einer Empfängeranordnung verbunden bleibt, während die anderen zyklisch an die andere Empfängeranordnung angeschaltet werden. Die Ausgangssignale der Empfängeranordnungen werden mit Hilfe von 2N Amplitudenmessern und 2N-1 Phasenvergleichern verarbeitet, deren Signale nach Bildung der Amplitudenverhältnisse in 4N-2 Speichern gespeichert werden, bevor ein Rechner auf alle Werte zur Lösung des Gleichungssystems zugreift. Um Peilfehler zu vermeiden, werden ferner die Empfängeranordnungen periodisch vertauscht.

Mit dieser Anlage ist es möglich, kohärente elektromagnetische Wellen in einem Interferenzfeld durch Amplituden- und Phasenmessungen mit mindestens vier Antennen vollständig zu bestimmen, jedoch ist es nicht möglich, nur mittels der Phasendifferenzen den Einfallswinkel zu bestimmen, da hierzu das ganze Gleichungssystem zu lösen ist. Auch ist zu beachten, daß z. B. vier in einem Adcock-System angeordnete Antennen, von denen jeweils zwei kolinear sind, eine eindeutige Bestimmung des Einfallswinkels aus den Phasendifferenzen zwischen den Antennenpaaren nicht gestattetn.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Funkpeilanlage der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß bei Erhaltung der Breitbandigkeit und Unzweideutigkeit des Wertes für den Einfallswinkel der Funksignale der schaltungstechnische Aufwand verringert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Danach wird es durch eine einfache Anordnung mit nur zwei Funkempfängeranordnungen und nur einem einfachen Phasenvergleicher möglich, einen eindeutigen Einfallswinkel für breite Frequenzbänder zu bestimmen. Das Referenz-Antennenelement, das stets fest mit einer der beiden Funkempfängeranordnungen verbunden ist, zeichnet sich durch eine Anordnung in der gemeinsamen Grundebene der Antenne aus, die für ein im wesentlichen symmetrisches Strahlungsdiagramm sorgt, so daß die bezüglich der Signale der anderen Antennenelemente gebildeten Phadendifferenzen in gleicher Weise für die Auswertung heranziehbar sind. So können zur Steigerung der Genauigkeit z. B. auch fünf oder mehr Antennenelemente für ein Frequenzband verwendet werden, ohne daß sich der schaltungstechnische Aufwand erhöht.

Auch bei mehreren Frequenzbändern ist es möglich, mit einem einzigen Phasenvergleicher auszukommen.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorzugsweise werden die die Phasendifferenzen darstellenden Signale digital codiert und wenigstens zeitweise zwischengespeichert, wobei wiederum von Vorteil ist, daß im Anschluß an den Phasenvergleicher ein einziger Digitalumsetzer und eine einzige digitale Speichereinrichtung ausreichen. Mit Hilfe eines Prozessors, dem das digital codierte Phasensignal und ein die Frequenz darstellendes Signal zugeführt werden, lassen sich der Einfallswinkel bestimmen und die Frequenz analysieren, um gegebenenfalls gleichzeitig bestimmte Frequenzbereiche zu selektieren.

Es empfiehlt sich, als mit dem Referenzantennenelement verbundene Funkempfängeranordnung einen hochwertigen Empfänger einzusetzen, wohingegen an die andere Funkempfängeranordnung keine besonderen Anforderungen zu stellen sind.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer nach der Erfindung ausgebildeten Funkpeilanlage wird im folgenden an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die grundsätzliche Anordnung der Teile einer erfindungsgemäßen Funkpeilanlage in einem Flugzeug,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Gruppe von Antennenelementen, die in der Anlage Verwendung finden,

Fig. 3 und 4 Darstellungen zur Veranschaulichung des Auftreffens der Funksignale auf den Antennenelementen der Antennengruppe und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Empfängeranordnung der Funkpeilanlage.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Funkpeilanlage handelt es sich um eine an einem Flugzeug angebrachte oder Bordanlage, die auf einfallende Funksignale mit Frequenzen innerhalb eines Bereiches von beispielsweise 0,5 bis 18 GHz ansprechen muß, und zwar in jeder beliebigen Seiten- oder Azimutrichtung und in einem vorbestimmten Höhen- oder Elevationsrichtungsbereich. An einem in der Fig. 1 gezeigten Flugzeug 1 sind vier Antennengruppen angebracht. Die zugeordneten Empfangseinheiten befinden sich paarweise in hülsenartigen Behältern 2 an den Spitzen der Tragflächen. Dort sind die Empfangseinheiten so angeordnet, daß sie über den Bereich eines Bug- oder Vordersektors 3 bzw. eines Heck- oder Hintersektors 4 von jeweils etwas mehr als 90° Funksignale ermpfangen können. Jede Antennengruppe und jede zugeordnete Empfangseinheit muß in der Lage sein, irgendwelche empfangenen Signale oder "Aktivitäten" innerhalb des oben angegebenen Frequenzbereiches im zugehörigen Sektor oder Quadranten handhaben zu können.

Wie es in der Fig. 2 schematisch dargestellt ist, weist jede Antennengruppe eine Zeile oder Reihe aus fünf Antennen oder Antennenelementen 5 bis 9, die jeweils für einen Frequenzbereich von 0,5 bis 2,0 GHz optimiert sind, eine Zeile oder Reihe aus sechs Antennen 10 bis 15 für einen Frequenzbereich von 2,0 bis 6,0 GHz und eine Zeile oder Reihe aus sechs Antennen 16 bis 21 für einen Frequenzbereich von 6,0 bis 18 GHz auf. Die Grundebene 22, in der diese Antennen liegen, verläuft unter einem Winkel von etwa 45° gegenüber der Längsachse oder Bug-Heck-Achse des hülsenförmigen Behälters 2.

Die Antennen 7, 14 und 20 sind mit zugeordneten Funkempfängeranordnungen oder "Referenz"-Empfängern (in Fig. 2 nicht gezeigt) verbunden, wohingegen die übrigen Antennen jeder Antennenreihe so geschaltet sind, daß sie wahlweise der Reihe nach mit einem zugehörigen, ebenfalls eine Funkempfängeranordnung darstellenden "Phasen"-Empfänger (in Fig. 2 nicht gezeigt) verbunden werden. Die Positionen der Referenzantennen 7, 14 und 20 sind in den zugehörigen Antennenreihen in bezug auf die Grundebene 22 so gewählt, daß man für diese besonderen Antennen möglichst symmetrische Strahlungsdiagramme erhält. Bei den Antennen kann es sich um Spiralantennen handeln, die jeweils vor einem Resonator angeordnet sind.

In der Fig. 5 sind schematisch die Referenz- und Phasenempfängeranordnungen eines Quadranten für das Band von 0,5 bis 2,0 GHz und das Band von 2,0 bis 6,0 GHz dargestellt. Die Antenne 7 ist mit einer zugehörigen Referenzempfängeranordnung verbunden, die ein abstimmbares Bandpaßfilter 23, einen Amplitudenbegrenzer 24 und einen Mischer 25 enthält. Zwischenfrequenz- oder ZF-Signale mit Frequenzen zwischen beispielsweise 43 und 77 MHz vom Mischer 25 werden verstärkt und über einen Bandwählschalter 26 dem einen Eingang eines Phasenvergleichers 27 zugeführt. Die Antennen 5, 6, 8 und 9 werden über einen Wahlschalter 28 selektiv mit der Phasenempfängeranordnung verbunden, die ein abstimmbares Bandpaßfilter 29, einen Amplitudenbegrenzer 30 und einen Mischer 31 enthält. Zwischenfrequenz- oder ZF-Signale vom Mischer 31 werden verstärkt und über einen Bandwählschalter 32 dem anderen Eingang des Phasenvergleichers 27 zugeführt. Die beiden Schalter 26 und 32 werden in aufeinander abgestimmten Schritten betrieben.

Die Referenzempfängeranordnungen für die beiden höheren Frequenzbänder sind in ähnlicher Weise ausgebildet wie die erläuterte Referenzempfängeranordnung, allerdings mit der Ausnahme, daß das abstimmbare Filter 23 durch drei feste Bandpaßfilter 33, 34 und 35 ersetzt ist. Diese Filter sind im Falle des Bandes von 2,0 bis 6,0 GHz über Schalter 37 und 38 zwischen die Antenne 14 und einen Begrenzer 36 geschaltet. In ähnlicher Weise ist in den Phasenempfängeranordnungen höherer Freqeunz das abstimmbare Filter 29 durch feste Bandpaßfilter 39, 40 und 41 ersetzt. Im Falle des Bandes von 2,0 bis 6,0 GHz sind diese Filter über Schalter 44 und 45 zwischen einen Antennenwahlschalter 42 und einen Begrenzer 43 geschaltet.

Die Ortsoszillator- oder Empfangsoszillatorsignale für die Mischer 25 und 31 sowie für die Mischer in den Empfängeranordnungen der höheren Frequenzbänder werden von einem Normalfrequenzgenerator mit Frequenzsynthese abgeleitet. Dieser Generator oder Synthesizer ist nicht dargestellt. In den Empfangsoszillatorsignalwegen, die zu den Phasenempfängern führen, sind Phasenschieberanordnungen 46 bzw. 47 vorgesehen, die es ermöglichen, daß die Signale der örtlichen Oszillatoren oder Empfangsoszillatoren in der Phase um 90° selektiv verschoben werden können.

In der Fig. 3 sind zwei mit A und B bezeichnete Antennen dargestellt, die Signale von entfernten Quellen (nicht gezeigt) empfangen. Die Signalweglängen dieser Signale von den entfernten Quellen unterscheiden sich für die beiden Antennen um den Abstand AC bzw. AC′. Für empfangene Signale irgendeiner vorgegebenen Wellenlänge geben diese Signalwegunterschiede Anlaß zu Phasenunterschieden zwischen den Signalen, die an den Antennen A und B ankommen. Wenn der Abstand zwischen diesen beiden Antennen größer als die Wellenlänge des empfangenen Signals ist, gibt es mehr als einen möglichen Wegunterschied, der Anlaß zu einer besonderen Phasendifferenz gibt. Gleichermaßen gibt es besondere Empfangssignalfrequenzen, bei denen sich die Wegunterschiede AC und AC′ der Fig. 3 voneinander genau um eine Wellenlänge oder genau um ein Vielfaches einer Wellenlänge unterscheiden, so daß die Signale, die von den beiden eingezeichneten Richtungen ankommen, an den Antennen A und B dieselbe Phasendifferenz hervorrufen.

In der Fig. 4 sind beispielshalber die Richtungen gezeigt, in denen ein Signal mit einer Wellenlänge von ¹/₅ des Abstandes zwischen den Antennen A und B an den beiden Antennen in Antiphase ankommen kann (ausgezogene Linien). Es gibt insgesamt zehn Richtungen, die symmetrisch um die Normale 48 zu der Grundebene 49 angeordnet sind, in der die Antennen A und B liegen. Weiterhin sind die Richtungen eingezeichnet, aus denen ein Signal derselben Wellenlänge, das auf zwei Antennen A und B mit einem Abstand von ³/₅ des Abstandes der Antennen A und B auftrifft, Anlaß zu einer ähnlichen Phasendifferenz gibt. Wie man sieht, gibt es lediglich zwei Einfallsrichtungen, nämlich 30° zu beiden Seiten der Normalen 48, aus denen ein Signal Anlaß zu den obigen Phasendifferenzen bei zwei Antennenpaaren geben könnte. Obgleich die gemessene Phasendifferenz bei jedem dieser Antennenpaare Anlaß zu einer gewissen Zwei- oder Mehrdeutigkeit im Einfallswinkel des Signals geben kann, beseitigt die kombinierte Information von den beiden Antennenpaaren mit unterschiedlichen Abständen weitestgehend diese Zwei- oder Mehrdeutigkeit.

Ein Antennenpaar mit einem Abstand, der kleiner als die Wellenlänge der einfallenden Signale ist, liefert einen eindeutigen Wert für den Einfallswinkel, und zwar mit einer Genauigkeit, die durch die Auflösung des Phasenvergleichers 27 begrenzt ist. Bei den oben beschriebenen, größeren Antennenabständen führt derselbe Auflösungsgrad des Phasenvergleichers 27 zu einer höheren Genauigkeit, was auf den kleineren Bereich der Einfallwinkel für einen gegebenen Bereich der Phasendifferenz zurückzuführen ist. Im allgemeinen werden einige Antennenpaare mit verschiedenen Abständen verwendet, um unzweideutige Werte für den Einfallswinkel mit annehmbarer Genauigkeit miteinander zu vereinigen.

Das in der Fig. 5 gezeigte System ist normalerweise so angeordnet, daß es ein einfallendes Signal analysiert, das bereits von einem Suchempfänger (nicht dargestellt) erfaßt worden ist, oder daß es vorher erhaltene Werte auf den neuesten Stand bringt. Dabei werden die Schalter 26 und 32 so betätigt, daß sie die jeweils erforderliche Referenz- und Phasenempfängeranordnung mit dem Phasenvergleicher 27 verbinden. Der örtliche Oszillator oder Empfangsoszillator ist so ausgebildet, daß er die erforderliche Frequenz in Abhängigkeit von gespeicherter Information erzeugt, die auf das relevante Einfall- oder Empfangssignal bezogen ist. Wenn das ankommende oder einfallende Signal im Band von 0,5 bis 2,0 GHz liegt, befinden sich die Schalter 26 und 32 in dem in der Zeichnung dargestellten Zustand. Der Schalter 28 wird so angesteuert, daß er schrittweise weitergeschaltet werden kann, um die Antennen 5, 6, 8 und 9 der Reihe nach mit dem Eingang des abstimmbaren Filters 29 zu verbinden, wobei allerdings notwendigerweise nicht die genannte Reihenfolge eingehalten werden muß. Die vier Werte für die Phasendifferenz, die man von den vier Antennenpaaren erhält, werden in einem Digitalumsetzer 50 in ein digitales Format gebracht. Die digitalisierten Werte und die Frequenz des Empfangssignals werden an eine nicht dargestellte Verarbeiter- oder Prozessoreinheit weitergeleitet, die den Einfallswinkel des Empfangssignals bestimmt.

Die Phasenschieberanordnung 46 kann man verwenden, um unter Zwischensignalen in den beiden Seitenbändern zu unterscheiden, so daß man bestimmen kann, ob das Empfangssignal hinsichtlich seiner Frequenz oberhalb oder unterhalb des Signals vom örtlichen Oszillator oder Empfangsoszillator liegt.

Die dargestellte Anlage kann man auch dafür verwenden, um irgendeinen besonderen Frequenzbereich nach einer Aktivität abzusuchen, indem man den geeigneten Mischern eine Reihe von Empfangsoszillatorsignalen unterschiedlicher Frequenz zuführt, und zwar in einer solchen Weise, daß der Frequenzbereich nach Art einer Reihe von "Fenstern" abgedeckt wird. Irgendeine Aktivität in irgendeinem oder in mehreren benachbarten Fenstern könnte bei ihrer Erfassung oder im Anschluß an ihre Erfassung analysiert werden, um die Einfallsrichtung zu bestimmen und irgendwelche charakteristischen Signalveränderungen oder Signalschwankungen aufzuzeigen. So könnte man beispielsweise das Frequenzband von 0,5 bis 2,0 GHz mit einer Serie von 150 Fenstern abdecken, die jeweils 10 MHz breit sind. Dies würde durch Filter im Empfängerkanal definiert werden, wobei bei einer Suchzeit von 750 ms die Verweilzeit für jedes Fenster 5 ms wäre.

Falls es notwendig ist, könnte man besonderen beschränkten Frequenzbereichen einen Prioritätsgrad zuordnen, und zwar in einer solchen Weise, daß diese Frequenzbereiche in häufigeren Intervallen als andere Frequenzbereiche durchsucht werden.

Der nicht dargestellte Frequenzsynthesizer könnte Testsignale erzeugen, die man mit Hilfe von Kopplern 51 den betreffenden Empfängereingängen zuführen könnte.

Die Weg- oder Bahnlängen von den Antennen 5, 6, 8 und 9 durch den Schalter 28 zum Ausgang dieses Schalters sollten alle gleich sein, da irgendwelche Ungleichmäßigkeiten direkt die Genauigkeit der Phasenmessung beeinträchtigen.

Bei dem Referenzempfänger kann es sich um einen relativ hochwertigen Empfänger handeln, der im wesentlichen nicht auf Stör- oder Nebenfrequenzen anspricht. Mit Hilfe eines solchen Empfängers kann man die verschiedenartigen Eigenschaften der empfangenen Signale genau feststellen. Der Phasenempfänger kann hingegen von einer einfacheren Konstruktion sein, da er lediglich zur Phasenmessung herangezogen wird. Die Verwendung von nur zwei Empfängern vereinfacht den Phasennachlauf auf denjenigen der Antenne zu den Schaltwegen, während man das Verhalten der Anlage in ihrer Gesamtheit durch Hinzufügen oder Entfernen von Antennen sowie durch Ändern des Antennenschalters verändern kann.

Claims (6)

1. Funkpeilanlage mit mindestens drei in einer gemeinsamen Grundebene zum Empfang von Funksignalen aus einem vorbestimmten Sektor reihenartig ausgerichteten Breitband-Antennenelementen, mit den Antennenelementen nachgeschalteten Funkempfängeranordnungen und mit einer den Funkempfängeranordnungen nachgeschalteten Einrichtung zum Vergleich der Phase der von den Funkempfängeranordnungen gelieferten Signale und zum Bestimmen eines eindeutigen Wertes für den Einfallswinkel der Funksignale aus den gewonnenen Phasendifferenzwerten, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Funkempfängeranordnungen (23 bis 25; 29 bis 31) vorgesehen sind, daß eines der Antennenelemente (7) als Referenzantennenelement, dessen Anordnung in bezug auf die Grundebene (22) so gewählt ist, daß es im wesentlichen ein symmetrisches Strahlungsdiagramm aufweist, fest mit einer (23 bis 25) der beiden Funkempfängeranordnungen (23 bis 25; 29 bis 31) verbunden ist, während die übrigen Antennenelemente (5, 6, 8, 9) über einen Wahlschalter (28) aufeinanderfolgend selektiv mit der anderen Funkempfängeranordnung (29 bis 31) verbunden sind, und daß die nachgeschaltete Einrichtung einen einzigen Phasenvegleicher (27) aufweist, der nacheinander die Phasendifferenzen zwischen dem Refernz-Ausgangssignal dieser einen Funkempfängeranordnung (23 bis 25) und den Ausgangssignalen der anderen Funkempfängeranordnung (29 bis 31) bildet.

2. Funkpeilanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Phasenvergleicher (27) ein Digitalumsetzer (50) nachgeschaltet ist, dessen digital codierte Ausgangssignale einer digitalen Speichereinrichtung zugeführt sind.

3. Funkpeilanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens fünf Antennenelemente (5 bis 9; 10 bis 15; 16 bis 21) vorgesehen sind.

4. Funkpeilanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzsynthesizer vorgesehen ist, der Empfangsoszillatorsignale für die Funkempfängeranordnungen erzeugt.

5. Funkpeilanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgeschaltete Einrichtung weiterhin einen Prozessor aufweist, der den Einfallswinkel bestimmt und dem die Phasendifferenzen anzeigende digital codierte Signale und ein die Frequenz der Empfangssignale anzeigendes digital codiertes Signal zugeführt werden.

6. Funkpeilanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung weiterer Frequenzbänder für jedes Frequenzband ein Referenzantennenelement (7, 14, 20) und mindestens zwei weitere Antennenelemente (5 . . ., 10 . . ., 16 . . .) vorgesehen sind und daß die zugehörigen Funkempfängeranordnungen (23 bis 43) über je einen Bandwählschalter (26, 32) mit dem Phasenvergleicher (27) verbunden sind.