DE3639444A1 - Schnelle signalerfassungs-, peil- und ortungseinrichtung - Google Patents

Description

Bei der bisher üblichen Funkaufklärung sind die wesentlichen zeitbe­ stimmenden Parameter:

• - die Signalerfassung
• - die Kommandierung der Peiler
• - die Peilung selbst
• - die Auswertung bzw. Ortungsrechnung

Während für die Auswertung und Ortungsrechnung durchaus eine gewisse Zeitdauer zugestanden werden kann, da es sich im physikalischen Sinne um die Auswertung von "gemessenen" Daten handelt, besteht für die drei zuerst genannten Themenkreise insofern ein Zeitzwang, als das zu beobachtende Signal im allgemeinen zu einem unerwarteten Zeitpunkt, auf einer unbekannten Frequenz auftritt und möglicherweise nur von sehr kurzer Dauer ist (einmalige Burstsendungen, Frequency Hopper). Die "Messung" muß also, wenigstens als eine Roh-Messung, vorgenommen werden, wenn das Signal anliegt. Im Hinblick auf Genauigkeit und Zuverlässigkeit kann sie notfalls nachträglich durch einen vergleichenden Probelauf korrigiert werden.

Die Reaktionszeiten neuer Peilgeräte wurden im Vergleich zur Vorgänger­ generation auf etwa ¹/₅₀ der früher benötigten Zeit verkürzt. Sie liegen typisch beispielsweise im msec-Bereich und damit bei der gegebenen Geräte­ konzeption in etwa bei der theoretisch erreichbaren Grenze. Insofern wären die Geräte im Prinzip einigermaßen in der Lage, auch außerordentlich kurze Sendungen zu peilen.

Die Signalerfassung wird bisher durch eine größere Zahl eingesetzter Horchempfänger der unterschiedlichsten Bauarten in Verbindung mit möglichst schnell wirkenden Sucheinrichtungen durchgeführt. Trotz aller Einschränkungen, die bisher bei schnellen Analyseempfängern, deren Prinzip entweder auf der Bandkompression (compressive receiver) oder auf der Anwendung elektro-akustischer Wandler (Bragg cell receveir) beruht (hierbei ist an die vergleichsweise geringe Dynamik, oder die Fehlalarmrate gedacht), in Kauf genommen werden müssen, werden bereits jetzt, insbesondere für die höheren Frequenzbereiche, sehr gute Ergebnisse erzielt. Ähnliches gilt für Empfangsgeräte, die nach dem Prinzip der schnellen Fourier-Transformation arbeiten (FFT Receiver), wobei durch einen Mehrfachlauf mit verschobener Frequenzauflösung eine Erweiterung der Dynamik möglich ist.

Unbeschadet der Möglichkeiten, die in bezug auf eine schnelle Signaler­ fassung gegeben sind, besteht das zeitbestimmende Nadelöhr in der für die Kommandoübermittlung an die dislozierten Peilstellen erforderlichen Zeit, die bei Verwendung üblicher Fernsprechkanäle je nach Auslegung des Systems sehr leicht Zeiten von etwa 20-100 msec erreichen. Die häufig geforderte Verschlüsselung bringt zusätzliche Zeitverzögerung.

Eine Abhilfe ist nur dadurch möglich, daß Erfassung und Peilung im Peilge­ rätesatz zusammengefaßt werden. Für die Einzelstelle entfällt damit zwar die zwischen Erfassung und Peilung somit erforderliche Kommandierzeit. Trotzdem bleibt die Frage offen, wie die Zusammenarbeit derartiger Erfassungs- und Peilplätze untereinander (als Ersatz für die Kommandie­ rung) derart koordiniert werden kann, daß eine eindeutige Zuordnung der Ergebnisse für die Durchführung der Ortung sichergestellt werden kann.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, hier eine geeignete Lösung zu liefern. Sie basiert im wesentlichen darauf, daß die Erfassungs- und Peilstation autonomen jede für sich einen Such- und Peilbetrieb durchführen.

Dabei wird zunächst vorgeschlagen, einen noch schnelleren Peiler zu schaffen. Bisher wurde für die Peilwertermittlung bei Watson Watt-Peilern darauf Wert gelegt, das bekannte vom Watson Watt-Peiler dargestellte Peilbild im Prinzip beizubehalten und gegebenenfalls möglichst naturgetreu am Ende der Übertragungsstrecke derart zu rekonstruieren, daß für den Betrachter der Eindruck entsteht, den Originalschirm des Peilers zu beobachten.

Für die Digitalisierung wurden hierbei nach Ziehm im wesentlichen am ZF-Ausgang die Vektoren y + jx und y - jx gebildet (y: Vertikalkanal; x: Horizontalkanal). Der eingeschlossene Winkel zwischen diesen beiden Vektoren ist dem Betrag nach gleich dem halben Azimutwinkel. Im Hinblick auf die Ellipsendarstellung hat man sich vorzustellen, daß die beiden zuvor genannten Vektoren gegensinnig umlaufen. Ihre betragsmäßige Summe entspricht der großen Halbachse der Ellipe und ihre Differenz der kleinen. Damit ist die gewohnte Ellipsendarstellung (im Prinzip einer Lissajou-Figur), wie sie vom Watson Watt-Peiler her bekannt ist, ohne weiteres möglich.

Wenn nur der Azimutwinkel gefragt ist, sind die Beträge der Vektoren uninteressant. Die Peilwinkelbestimmung läuft auf nichts anderes hinaus, als auf eine Messung des Phasenunterschieds zwischen den beiden Vektoren. Dafür ist es zweckmäßig, die beiden den Vektoren entsprechenden Sinusschwingungen zu begrenzen, da sich der Phasenunterschied zwischen den dadurch entstehenden Rechteckschwingungen leicht messen läßt.

In einer Übertragung dieser Erkenntnisse kann (wie auch aus früheren Veröffentlichungen bekannt ist), die erforderliche Vektoraddition bzw. -substraktion gerade so gut am Eingang des Peilers vorgenommen werden. Um den Aufbau breitbandiger 90°-Phasenschieber, die zur Vermeidung von Peil­ fehlern recht anfwendig würden, zu umgeben, empfiehlt es sich, diese Vektoraddition bzw. -substration auf der Ebene der ersten Zwischenfrequenz vorzunehmen. Die nachfolgenden Verstärkerzüge für die beiden Kanäle sind im Prinzip als Begrenzerverstärker ausgeführt, die allerdings keine ampli­ tudenabhängigen Phasen-verschiebungen erzeugen dürfen.

Vorteilhafterweise werden die Verstärkerzüge als im wesentlichen loga­ rithmische Verstärker ausgeführt ("weiche" Begrenzung; soft limiting). Damit ist zusätzlich nicht nur eine allgemeine Aussage über die Feldstärke des empfangenen Signales möglich, sondern es kann auch eine zusätzliche Aussage über die Amplitudenverhältnisse zueinander gemacht werden, wodurch eine weitere Information abgeleitet werden kann.

Wenn die dem Einfallswinkel entsprechende Phasenverschiebung ohne Berücksichtigung der Amplitude (Begrenzerfall) in entsprechender Weise in eine Strichanzeige verwandelt wird, gibt die Lage des Striches, wie im Idealfall beim Watson Watt-Peiler, den Einfallswinkel wieder. Beim gleichzeitigen Einfall zweier Sender innerhalb der Durchlaßbandbreite tritt eine periodisch zeitliche Modulation der Nulldurchgänge, als eine Phasenmodulation auf, wodurch der zur Anzeige gebrachte Strich im Rhythmus der Schwingungsfrequenz hin und her pendelt. Auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre entsteht daher eine Figur zweier mit der Spitze aufeinander stehender Dreiecke, deren Hauptachsenrichtung die Peilrichtung des stärker einfallenden Signals richtig ausweist. Die Überlagerung durch das zweite Signal innerhalb der Kanalbandbreite ist jedoch aus der Anzeigefigur deutlich erkennbar.

Bei einer geringfügigen Frequenzverstimmung wird sich das Amplituden­ verhältnis zwischen beiden Signalen derart ändern, daß einmal das eine und später das andere Signal dominiert. Damit können beide Signale eindeutig gepeilt werden, insofern bleibt in diesem Punkt die Leistungsfähigkeit des Watson Watt-Peilers voll erhalten.

Bei einer zeitlich linearen Veränderung der Abstimmfrequenz bzw. der Frequenz des Überlagerungsoszillators läßt sich mit diesem Erfassungs­ empfänger und Peiler in sehr kurzer Zeit ein größerer Frequenzbereich überstreichen. Bei einer Selektionsbandbreite von 25 kHz sind beispielsweise etwa 5 MHz in 10 msec zu überstreichen. Hierzu wird erfindungsgemäß die zeitproportional den aufgedeckten Peilwinkeln entsprechende Phase über der Zeit (bzw. der Frequenz) aufgetragen. FH-Sender, soweit im Prinzip mehr oder weniger zufällig, aber aus dem Zeitverlauf heraus doch mit erheblicher Wahrscheinlichkeit erfaßt, die aus dem gleichen Azimut einfallen, werden in Form einer unregelmäßigen Perlenkette erkennbar. Der zuvor genannte Zwei-Sender-Fall wird hierbei übrigens automatisch gelöst.

Mit zwei oder mehreren derartigen örtlich getrennt aufgebauten Stationen, deren Zeit- und Frequenzverhalten im dynamischen Verlauf gleich sind, ist es nicht nur möglich, durch entsprechenden Aufzeichnungsvergleich fre­ quenzagile Sendungen zu erfassen, sondern auch zu orten. Dies ist auf jeden Fall dann möglich, wenn beide Gerätesätze auf z. B. weniger als 10 usec genau zur gleichen Zeit und bei der gleichen Frequenz loslaufen und wenn zusätzlich auch der Differenzialquotient der Frequenzänderung pro Zeiteinheit genau gleich ist.

Tatsächlich lassen sich nahezu ähnliche Ergebnisse allerdings auch dann erhalten, wenn diese Bedingungen nicht abslut präzis eingehalten werden. Mit der die in jedem Augenblick beobachteten über der Zeit aufgetragenen "Phase" für jeden Gerätesatz entsteht in jeder Station gewissermaßen ein "Film" des beobachteten Geschehens. Bei einer geringfügigen Verschiebung der absoluten Zeit zwischen den beiden Stationen werden diese "Filme" zunächst grundsätzlich ebenfalls eine Verschiebung aufweisen. Aufgrund des für länger sendende Stationen entstehenden Musters kann jedoch die zeitliche Verschiebung korrigiert bzw. die Zuordnung der "Filmstreifen" nachträglich wieder hergestellt werden.

In bezug auf die mehr oder weniger zufällig erfaßten Frequenzsprünge eines FH-Senders werden allerdings zunächst im zu vergleichenden "Film", wenn man den ersten als Referenz nimmt, einige Frequenzsprünge, die im ersten "Film" zu sehen sind, nicht enthalten sein. Dafür sind möglicherweise umgekehrt andere enthalten, die im ersten nicht zu sehen sind. In bezug auf die Ortung des Senders ist dies bei ausreichend kleinen Zeitunter­ schieden nicht von gravierender Bedeutung. Möglicherweise tritt sogar umgekehrt der Fall ein, daß sich durch geschickte Extrapolation ("was der eine nicht hat, hat der andere") sogar ein zusätzlicher Gewinn ergibt. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, ein entsprechendes Plausibilitätskriterium in die Auswertung einzubringen.

Bei exakt gleichzeitigem Start, jedoch leicht unterschiedlichem Differenzialquotient der Frequenzänderung wird der "Film" des einen Gerätesatzes kürzer sein als der andere. Zum Vergleich der beiden ist es dann erforderlich, den kürzeren "Film" entsprechend zu strecken, um die Frequenzzuordnung wieder herzustellen. Für die Zuordnung gilt dann im übrigen die gleiche Überlegung, wie sie gerade zuvor angestellt wurde.

Um die angesprochenen Unterschiede im möglichen Zeitversatz bzw. im Differentialquotient der Frequenzänderung pro Zeiteinheit zu eliminieren, sind in einer Weiterbildung der Erfindung Mittel vorgesehen, wodurch nach ein oder zwei Probeläufen der optimale Synchronismus automatisch hergestellt wird.

Hierzu wird in der Auswerteeinrichtung für die bewußten "Probeläufe" ein Mustervergleich vorgenommen. Als Kriterium dient die Maximierung des (Kreuz-)Korrelationskoeffizients, wobei sowohl Zeitversatz (-verschiebung) und Differentialquotient die Optimierung bestimmen. Bei mehr als zwei Signalerfassungs- und Peilstationen dient vorteilhaft eine Station als Bezugsfrequenz. Die aufgedeckten Korrekturparameter werden von der Bezugsstation den "Satelliten-"Stationen mitgeteilt. Dort werden die erforderlichen Korrekturen im Hinblick auf Zeitversatz sowie Frequenzänderungsgeschwindigkeit vorzugsweise automatisch vorgenommen.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird im folgenden an Hand der Bilder beschrieben.

Zunächst zeigt Fig. 1 Frequenzsprünge, die hier für die Darstellung extrem vereinfacht werden. Als Quelle wurde ein mit Hilfe eines Schieberegisters erzeugtes Pseudorauschen benutzt. In diesem stark vereinfachten Bild beträgt die Periodendauer 31 Frequenzsprünge. Eine weitere Vereinfachung besteht darin, daß die möglichen Frequenzkanäle benachbart sind, was im praktischen Anwendungsfall nicht üblich ist. Die sägezahnförmigen Spuren in dem genannten Bild beschreiben die mit einer zeitlinearen Frequenzände­ rung erfaßten Frequenzbereiche. Wie unmittelbar aus der Figur hervorgeht, werden die einzelnen Frequenzsprünge mehr oder weniger zufällig erfaßt. Die Erfassungswahrscheinlichkeit hängt unmittelbar proportional vom Verhältnis der Verweilzeit auf einer einzelnen Frequenz (dwell time) sowie der insgesamt erforderlichen Wobble-Dauer ab. die Erfassungswahrschein­ lichkeit nimmt also zu, je schneller das Frequenzband durchfahren wird.

Bei einer Frequenzänderungsgeschwindigkeit von ca. 5 MHz/10 msec würden also Frequenzsprungaussendungen mit einer Verweildauer von 10 msec theoretisch voll erfaßt, wenn die Gesamt-Streuung nicht mehr als 5 MHz beträgt. Bei einer Streuung über den Bereich von 50 MHz würden folgerichtig zwar nur etwa 10% aller Frequenzsprünge erfaßt, die Ortung der Sender wäre jedoch sichergestellt.

Fig. 2 zeigt im Blockschaltbild das Prinzip des vorgeschlagenen schnellen 2-Kanal-Peilers. Derartige Geräte sind an den territorial verteilten Erfassungs- und Peilstationen installiert und führen ihre Beobachtung im Prinzip jedes für sich autonom durch. In der dargestellten Schaltungsva­ riante entstehen durch das gezielte (jedoch um 90° phasenverschobene) Übersprechen zwischen den Kanälen an den Ausgängen der hart begrenzenden oder bei Anwendung einer nichtlinearen Kennlinie, z. B. eines logarithmi­ schen Amplitudenverlaufs, Signalspannungen, deren Phasenlage entsprechend dem azimulaten Einfallswinkel der Welle dem einen Kanal voreilend und dem anderen nachfolgend ist. Die in geeigneter Weise in einem Phasendetektor ermittelte Phasendifferenz ist proportional dem doppelten azimutalen Einfallswinkel. Bezüglich der Durchstimmung des Überlagerungsoszillators bzw. der für diese Steuerung maßgeblichen Zeitbasis werden, wie bereits zuvor ausgeführt, strenge Forderungen an die Reproduzierbarkeit gestellt. Das Verfahren basiert darauf, daß die Überlagerungsozillatorfrequenz und damit die Empfangsfrequenz in einem klar definierbaren Zusammenhang zur Zeitbasis steht. Vorzugsweise wird selbstverständlich ein absolut linearer Zeitverlauf angewendet. Die heutzutage zweckmäßigerweise in digitaler Form vorgenommene Aufzeichnung des Pfeilwinkels (nämlich des vom Phasendetektor gelieferten Phasenwinkels) über der Frequenz (der Zeit) wird in jeder einzelnen Erfassungs- und Peilstelle in geeigneter Weise protokolliert.

Am einzelnen Peiler ist es zusätzlich möglich, aus dem Phasenwinkel mit Hilfe eines entsprechend ausgelegten Anzeigegenerators, die im Idealfall strichförmige Anzeige auf dem Schirm einer Elektronenstrahlröhre zu regenieren, so daß hier unmittelbar die jeweilige momentane Peilanzeige beobachtet werden kann.

Fig. 3 zeigt eine typische Darstellung, wie sie sich prinzipiell bei der Aufzeichnung des Peilwinkels (der Phase) über der Frequenz ergibt. Frequenzspringer erscheinen als Perlenschnur.

Fig. 3b soll zur Veranschaulichung darstellen, wie das entsprechende Bild von einer zweiten Erfassungs- und Peilstelle aussieht.

Abschließend zeigt Fig. 4 ein komplettes Signalerfassungs- und Ortungssystem, in diesem Fall aus nur zwei Stationen bestehend. Die Stationen (A + B) sind in bezug auf ihre geografische Lage durch ihre Länge und Breite (LA, BA) und (LB, BB) bekannt.

Die von beiden Erfassungs- und Peilstationen gelieferten Daten werden einer Station für den Aufzeichnungsvergleich (die selbstverständlich einer der beiden Stationen zugeordnet werden kann oder auch separat aufgebaut ist) zugeführt und rechnergestützt verarbeitet. Von hier aus wird die erforderliche Auftragserteilung, die früher angesprochene Zeitsynchronisation der Erfassungsstellen und natürlich auch die Berechnung der Ergebniswerte durchgeführt. Die Ergebniswerte können somit für die verschiedenen Senderstandorte S 1-S 5 zusammen mit der zugehörigen Frequenz bzw. Zeit ermittelt werden.

Claims (5)

1. Schnelle Signalerfassungs-, Peil- und Ortungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungs- und Peilstation(en) jede für sich den interessierenden Frequenzbereich bzw. vorgegebene diskrete Frequenzen autonom fortlaufend überwachen durch die Kombination

• - eines mindestens zweikanaligen Peilers neuer Bauart mit Begrenzereigenschaften bzw. logarithmischem oder sonst beschreibbarem, nichtlinearem Amplitudenverhalten mit Phasen- und gegebenenfalls mit Amplitudenvergleichsmessung der in beiden Kanälen geführten Signale sowie selbsttätiger zeitbezogener reproduzierbarer Frequenzverstimmung,
• - einer den Zeitbezug zwischen den beteiligten Erfassungs- und Peilstationen detektierenden und für den Betrieb bzw. mindestens aber die Auswertung herstellenden Einrichtung,
• - sowie einer die Ergebnisdaten korrelierend verarbeitenden, im allgemeinen rechnergestützten Auswerteeinrichtung.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronismus zwischen zwei oder mehr beteiligten Stationen aufgrund von routinegemäßen oder besonders dafür vorgesehenen Probeläufen dadurch hergestellt wird, daß ein Algorithmus für die Bestimmung optimaler Korrelation durchgeführt wird, und daß die Unterstation(en) über eine entsprechende Steuerung in geeigneter Weise eingestellt werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtsystem derart gestaltet ist, daß es sich in sich selbst adaptierender Weise aufgrund vorangegangener Läufe immer wieder auf optimalen Synchronismus einstellt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Programmvorgabe lediglich besonders interessierende Frequenzbereiche und/oder gegebenenfalls interessierende, vorgebbare Zielgebiete erfaßt werden.

5. Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3 oder auch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund vorgegebener Bewertungsparameter nur nach bestimmten Signalen gesucht wird bzw. umgekehrt bestimmte Signale beim Durchlauf übergangen werden.