DE3938340A1 - Verfahren und einrichtung zur funkortung durch ueberwachungs-sekundaerradar - Google Patents
Verfahren und einrichtung zur funkortung durch ueberwachungs-sekundaerradarInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zur
Funkortung, z. B. von beweglichen Einrichtungen, wie Luft
und anderen Fahrzeugen, die mit Transpondern ausgerüstet
sind.
Die Erfindung geht aus von der US-PS 41 15 771, welche
ein Verfahren und eine Einrichtung beschreibt, die im wesent
lichen alle Information liefern, die mit einem realen,
tatsächlichen Überwachungs-Sekundärradar (SSR) erhältlich
ist, das am Ort des in dieser Patentschrift beschriebenen
virtuellen SSR angeordnet ist, ohne Signale zu senden und
mit einem Bruchteil der Kosten eines tatsächlichen SSR.
Weder das virtuelle SSR noch das tatsächliche SSR brauchen
an festen Positionen verbleiben, ihre derzeitigen Positionen
können fortlaufend auf bekannte Weise, z. B. durch Loran C,
bestimmt werden, so daß das System von mobilen Basen, wie
z. B. AWACS-Luftfahrzeugen aus arbeiten kann.
Unter bestimmten Bedingungen, die selten vorkommen und
gewöhnlich recht vorübergehend sind, kann die Information
bezüglich der Entfernung eines Zielfahrzeuges vom virtuellen
SSR ungenau oder unbestimmt werden. In dem außergewöhnlichen
Falle, daß diese Bedingungen für mehr als wenige Sekunden
andauern, kann die Situation problematisch werden, insbeson
dere wenn in die Situation zwei oder mehr Luftfahrzeuge,
die sich auf derselben Höhe befinden, verwickelt sind.
Die vorliegende Erfindung behebt dieses Problem dadurch,
daß der oben erwähnte Zustand bei der virtuellen SSR-Station
festgestellt wird und die Aussendung mehrerer Abfragen
im Luftfahrtkontroll-Funkbakensystem- (Air Traffic Control
Radio Beacon System; ATCRBS) Format mit schmaler, auf das
tatsächliche SSR gerichteter Verteilung ausgelöst wird.
Dies liefert der virtuellen SSR-Station aktive Entfernungs
information bezüglich jedes transponderbestückten Fahrzeuges
auf oder in der Nähe der Linie zwischen dem tatsächlichen
und dem virtuellen SSR. Die aktiv ermittelte Entfernung
wird am Ort der virtuellen SSR-Station zusammen mit anderer
Positionsinformation, die gemäß den Lehren des US-Patents
41 15 771 passiv ermittelt wurde, angezeigt.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer beispielsweisen Ausführungs
form der Erfindung und
Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der
Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält einen 1030 MHz-
Empfänger 1, einen PRC-Wähler 2, einen Hüllkurvendemodula
tor 3, einen Abfrage-Decodierer 4, einen 1090 MHz-Empfänger 5,
einen zweiten PRC-Wähler 6, einen zweiten Hüllkurvendemodu
lator 7, einen Antwort-Decodierer 8, einen Intervall-Zeit
geber 9, einen PRC-Generator 10, einen weiteren Intervall-Zeit
geber 12, ein Erweitertes-Azimut-Tor 13, einen Koordinaten-Kon
verter 14, einen Anzeige-Prozessor 15 sowie eine Anzeigevor
richtung 16, welche ebenso geschaltet sind und arbeiten,
wie die mit den gleichen Bezugszeichen bezeichneten Einheiten
in der US-PS 41 15 771. Da diese Teile der Einrichtung
keinen Teil der Erfindung darstellen, kann auf eine eingehende
re Beschreibung verzichtet werden.
Die vorliegende Einrichtung enthält ferner eine Antenne 30
mit Richtwirkung, die einen beispielsweise 30° breiten
Strahl in Richtung auf eine tatsächliche SSR-Station abzustrah
len vermag. Mit der Antenne 30 ist eine aktive Entfernungs
meßeinrichtung 31 gekoppelt. Die Einrichtung 31 enthält
einen 1030 MHz-Sender ähnlich wie der einer Überwachungs-Sekun
därradarstation (SSR), jedoch wesentlich kleinerer Leistung,
einen Abfragecodierer, einen 1090 MHz-Empfänger und einen
Antwortdecodierer, die alle ähnlich wie bei einem Standard-SSR
aufgebaut, jedoch für einen Betrieb mit einer wesentlich
kleineren Abfragerate ausgelegt sind, z. B. einem Zehntel
bis zu einem Hunderstel der eines Standard-SSR.
Die Antenne 30 ist ferner über einen Sende-Empfangsschalter
oder eine T-R-Box 32 mit dem 1030 MHz-Empfänger 1 gekoppelt,
um Mehrweg-Übertragungen zu unterdrücken und die Stärke
von Abfragen, die vom tatsächlichen SSR empfangen werden,
zu erhöhen.
Ein Ausgang t des Intervall-Zeitgebers 12 ist mit einem
Eingang eines Vergleichers 33 gekoppelt, der immer dann
ein Steuersignal an ein UND-Glied 37 liefert, wenn das
durch t dargestellte Zeitintervall kleiner als ein vorgege
bener Wert tmin, wie 10 Mikrosekunden, wird. Dieser Wert
kann einstellbar sein, wie durch einen gestrichelten Pfeil 35
angedeutet ist.
Vom Koordinaten-Konverter 14 wird einem zweiten Vergleicher 36
ein Ausgangssignal B zugeführt, welches die Peilung eines
Ziels vom virtuellen SSR darstellt. Der Vergleicher 36
liefert ein zweites Steuersignal an das UND-Glied 37 immer
dann, wenn sich B der Peilung des tatsächlichen SSR vom
virtuellen SSR bis beispielsweise 15° genähert hat. Jeder
Puls vom PRC-Generator 10 wird dem UND-Glied 37 über eine
Einrichtung 38 als Steuersignal zugeführt, welche für die
Einführung einer sich willkürlich ändernden Verzögerung
von beispielsweise 1000 bis 1500 Mikrosekunden ausgelegt
ist. Der Hüllkurvendetektor 3 liefert einen Impuls für
jeden Umlauf der Hauptkeule des SSR, wenn diese auf das
virtuelle SSR gerichtet ist. Diese Pulse werden einem SSR-Keu
lensektor-Sensor 39 zugeführt, welcher einen Intervall-Zeit
geber ähnlich dem Zeitgeber 9 und ein Flipflop enthält,
welches ein Ausgangssignal nur so lange liefert, wie die
Richtung der SSR-Keule um beispielsweise 90° und mehr vom
virtuellen SSR weg weist. Das Ausgangssignal vom Sensor 39
wird dem UND-Glied 37 ebenfalls als Steuersignal zugeführt.
Wenn alle erwähnten Steuersignale vorhanden sind, liefert
das UND-Glied 37 ein Ausgangssignal auf einer Leitung 34,
welches die aktive Entfernungsmeßeinrichtung 31 auslöst,
so daß diese mehrmals arbeitet und Darstellungen der Entfer
nung, der Identität und der Höhe von mit geeigneten Transpon
dern ausgerichteten Zielen innerhalb des Erfassungsbereichs
der Antenne liefert. Diese Darstellungen der Entfernung
und Höhe, die jeweils mit der Zielidentität (ID) koordiniert
oder markiert sind, werden dem Anzeigeprozessor 15 zusätzlich
zu den entsprechenden Darstellungen für andere Ziele, die
durch den Korrdinaten-Konverter 14 erzeugt werden, im gleichen
Format wie diese zugeführt.
In der schematischen kartographischen Darstellung gemäß
Fig. 2 befindet sich die Einrichtung gemäß Fig. 1 am Ort V,
beispielsweise an einem kleinen Verkehrsflughafen. Der
Abstand D und die Peilung (Azimutwinkel) Z des Ortes V
bezüglich einer entfernten, echten Überwachungs-Sekundär-
Radarstation SSR sind bekannt, z. B. aus einer Landkarte.
T stellt die Position eines mit einem Transponder ausgerüste
ten Luftfahrzeuges in der Nähe der Linie D zwischen der
SSR-Station und dem Ort V dar. R ist der Abstand und B
die Peilung von T bezüglich V. X ist die Entfernung von
T von der SSR-Station. A ist die Azimutdifferenz, also
der Winkelabstand der von der SSR-Station aus gesehenen
Richtungen nach V und T. X ist die Entfernung von T von
der SSR-Station. Die dargestellte Situation ist ganz anders
als die, welche in Fig. 2 der US-PS 41 15 771 dargestellt
ist, und es wird hier auch eine etwas andere Terminologie
verwendet, um die Erläuterung der Arbeitsweise der vorliegenden
Erfindung zu erleichtern.
Die Antworten, die am Ort V vom Transponder bei T empfangen
werden, folgen jeweils dem Empfang der Abfrage von der
SSR-Station, die die betreffende Antwort hervorgerufen
hat, im Abstand des Zeitintervalles t, das als Ankunftszeit
differenz bezeichnet werden kann. Mit Kompensation oder
Berücksichtigung von Systemverzogerungen ist
ct=R+X-D,
wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Hochfrequenz ist.
Da die Radarstrahlungskeule der SSR-Station in Uhrzeiger
richtung umläuft, bestrahlt sie zuerst den Ort V und dann
nach einer gewissen Zeitspanne den Transponder bei T. Das
Ausgangssignal des Intervallzeitgebers 9 (Fig. 1) ist ein
Maß für die Azimutdifferenz A.
Bei der Geometrie der Fig. 2 ist der Ort von T als Punkt
auf einer Ellipse E definiert, deren einer Brennpunkt sich
bei der SSR-Station und deren anderen Brennpunkt sich am
Ort V befinden. Die Hauptachse, deren Länge D+ct betragt,
bildet einen Winkel Z mit der Referenzrichtung N (Nord)
und die Exzentrizität ist D/(D+ct). Das Luftfahrzeug T
befindet sich auf der Ellipse E am Ende der Geraden X,
die sich von der SSR-Station radial in einem Winkel gleich
der Azimutdifferenz A bezüglich der Geraden D weg erstreckt.
In den meisten Fällen ist die Position von T durch die
bekannten Größen D und Z und die gemessenen Größen A und T
wie bei der US-PS 41 15 771 eindeutig bestimmt.
In seltenen Fällen kann sich jedoch ein mit einem Transponder
ausgerüstetes Fahrzeug T an irgendeiner Stelle zwischen V
und der SSR-Station auf der Geraden D befinden. Dann ist X+R
gleich D und t ist Null. Der Koordinaten-Konverter 14 der
Einrichtung gemäß Fig. 1 kann dann R nicht bestimmen, da
ihm ein endlicher Wert von t fehlt. Das Ziel wird erfaßt;
Information bezüglich der Identität, seiner Höhe und seinem
Azimut B werden wie üblich angezeigt, nicht jedoch die
Entfernung. Wenn T sich nicht auf der Geraden D befindet,
jedoch in deren Nähe, nähert t dem Wert 0 und die Genauigkeit
der Bestimmung von R wird um so schlechter je mehr sich
die Geraden X und R (Fig. 2) der parallelen Lage bezüglich D
nähern.
Gewöhnlich wird sich das Ziel mehr oder weniger quer zur
Geraden D bewegen und die Entfernungsinformation wird nur
vorübergehend fehlen. Ihr Fehlen wird sogar oft nicht einmal
bemerkbar sein, insbesondere wenn der Anzeigeprozessor
15 mit irgendeiner Art von Wegvoraussage- oder Extrapolations
einrichtung ausgerüstet ist, wie einem Kalman-Filter. In
dem seltenen Falle, daß ein Luftfahrzeug für längere Zeit
längs oder in nahem Abstand parallel zur Geraden D fliegt,
kann der Verlust der Entfernungsinformation jedoch gefährlich
werden, wenn sich ein anderes Luftfahrzeug oder irgendein
Hindernis in der Nähe der Linie D und auf der gleichen
Höhe befindet.
Ein Kriterium für das Fehlen der Entfernungsinformation
besteht darin, daß t unter tmin fällt; ein anderes Kriterium
besteht darin, daß sich der Azimutwinkel B des Zieles oder
Transponders, gesehen von V aus, einem Wert nähert, der
innerhalb von beispielsweise etwa 15° beidseits der Geraden D
liegt. Der Nutzen des ersten Kriteriums im Falle eines
sich am Punkt T befindenden Zieles geht aus der obigen
Erläuterung hervor. Der Nutzen des zweiten Kriteriums besteht
darin, daß aktive Entfernungsmessungsoperationen verhindert
werden können, wenn man sie nicht braucht, wodurch die
Möglichkeit von Störungen des Standard-ATCRBS minimal gehalten
werden.
Es sei ein Ziel am Punkt T1 in der Nähe von V betrachtet.
Obwohl t kleiner als tmin sein kann, ermöglicht die Winkel
relation zwischen X und R eine genaue Errechnung der Entfer
nung durch den Koordinaten-Konverter 14 auf passivem Wege,
wie bei der US-PS 41 15 711. In disem Falle ist also eine
aktive Entfernungsmessung durch die Einrichtung 31 nicht
erforderlich. Der B-Vergleicher 36 liefert in diesem Falle
kein Ausgangssignal, das UND-Glied 31 liefert daher auch
kein Auslöse-Steuersignal und die Einrichtung 31 bleibt
inaktiv.
Wenn die Kriterien t und B beide erfüllt sind, wie im Falle
eines Zieles am Punkt T in der Nähe der Geraden D, liefern
die Vergleicher 33 und 36 beide Eingangssignale an das
UND-Glied 37. Wenn die Situation länger als wenige Sekunden
andauert, liefert der Strahlsektorwähler 39 ein drittes
Eingangssignal an das UND-Glied 37 und die Verzögerungsein
richtung 38 liefert ein viertes Eingangssignal, so daß
das UND-Glied 37 ein Auslösesteuersignal erzeugt, das die
Entfernungsmeßeinrichtung 31 aktiviert.
Einer der Vorteile des Systems gemäß der US-PS 41 15 711
besteht darin, daß es zu keiner Zeit Signale sendet und
daher das bestehende ATCRBS nicht stören kann. Das vorliegende
System sendet zwar gelegentlich, jedoch nur kurz, nach
einer passiven Feststellung des Vorhandenseins eines Zieles,
mit sehr niedriger Wiederholungsfrequenz und mit niedrigem
Leistungspegel etwa gleich dem des Senders eines Standard-
Transponders und nur in einen etwa 30° großen Sektor. Etwa
auftretende Störungen werden von kurzer Dauer und im allgemei
nen nicht merkbar sein. Die Möglichkeit von Störungen wird
dadurch minimal gehalten, daß Sendungen verhindert werden
mit der Ausnahme bei relativ langen, willkürlich schwankenden
Intervallen nach den synthetischen P3-Pulsen vom PRC-Genera
tor 10, während die SSR-Strahlungskeule nicht auf das virtuel
le SSR gerichtet ist.
Wenn im Fassungsbereich der Antenne 30 zwei oder mehr Ziele
gleichzeitig vorhanden sind, so werden diese individuell
auf jede von der Einrichtung gesendete Abfrage antworten.
Wenn sie nahezu denselben Abstand von V haben, werden sich
ihre Antworten überlappen oder verstümmeln. Diesem Effekt
kann dadurch entgegnet werden, daß man die Einrichtung 31
mit einer Entwirrungsschaltung versieht, wie sie in Kapitel 38
des Radar Handbook, herausgegeben von Merrill I. Skolnik,
Verlag McGraw-Hill Book Company, New York, beschrieben
ist.
Um die Antworten von Zielen mit geringfügig verschiedenen
Peilungen zu trennen, kann die Antenne 30 in bekannter
Weise so konstruiert sein, daß sie alternierend mit zwei
überlappenden Keulen arbeitet, die in Bezug aufeinander
auf entgegengesetzten Seiten der Geraden D versetzt sind,
um zuerst mit der einen Keule und dann mit der anderen
Abfragen zu senden und ihre Antworten zu empfangen. Es
ist ferner möglich die Leistung des Abfragesenders gemäß
einem systematischen Programm zu ändern, um die geschilderten
Verwirrungseffekte zu verringern. Diese als "Whisper-Shout"
("Flüstern-Schreien") bekannte Technik ist in der RTCA Veröf
fentlichung No. 420-86/SC147-213, vom September 1986 der
Radio Technical Commission for Aeronautics, 1425 K Street,
Washington, DC, USA, beschrieben.
Claims (16)
1. Einrichtung zur Anzeige einer Position eines Transponders
bezüglich einer an einem bekannten Ort befindlichen Referenz
position in einem Dienstbereich eines Überwachungs-Sekundär
radars (SSR), bei welcher an der erwähnten Position (V)
Abfragen des Sekundärradars sowie Antworten vom Transpon
der empfangen werden und die Position (T) des Transponders
aus der zeitlichen Beziehung zwischen den empfangenen Abfragen
und Antworten bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
an der Referenzposition vorgesehen sind:
- a) eine Antenne (30);
- b) eine aktive Entfernungsmeß-Sender-Empfänger-Anordnung (31), die mit der Antenne (30) gekoppelt ist;
- c) eine Anordnung (33, 36, 37, 38, 39) zum Erzeugen eines Steuerausgangssignals als Reaktion auf die Anwesenheit des Transponders in einem Bereich auf oder nahe bei einer Linie (D) zwischen der Referenzposition (V) und der Überwachungs-Sekundärradarstation (SSR), der in geometrischer Hinsicht ungünstig für eine passive Ermitt lung der Entfernung des Transponders ist, und
- d) eine auf das Steuerausgangssignal ansprechende Anordnung zum kurzen und intermittierenden Einschalten der aktiven Entfernungsmeßanordnung (31).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Antenne (30) eine auf die SSR-Station gerichtete
Richtcharakteristik hat und außerdem mit einer Anordnung
(1) zum Empfang von Abfragen von der SSR-Station gekoppelt
ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anordnung zur Erzeugung des Steuerausgangssignal
eine Vergleicheranordnung (33) enthält, welche ein Ausgangssig
nal liefert, wenn die Differenz (t) der Signaleintreffzeiten
unter einen vorgegebenen Mindestwert (tmin) fällt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die das Steuerausgangssignal liefernde Anordnung außerdem
einen zweiten Vergleicher (36) enthält, der ein Ausgangssignal
liefert, wenn die von der Referenzposition (V) gesehene
Differenz zwischen den Azimutwinkeln des Transponders und
der SSR-Station unter einen vorgegebenen Mindestwert absinkt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die das Steuerausgangssignal liefernde Anordnung eine
Einrichtung (37) enthält, welche die Erzeugung des Steuer
ausgangssignales in Abwesenheit eines Ausgangssignales
von jeder der Vergleicheranordnungen (33, 36) verhindert.
6. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine
Vorrichtung zum alternierenden Schwenken der Strahlachse
der Antenne um einige Winkelgrade zuerst auf die eine und
dann auf die andere Seite der Linie (D) zwischen der Referenz-
Position (V) und der SSR-Station.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die aktive Entfernungsmeßanordnung (31) eine Vorrichtung
zur Antwortpulsentwirrung enthält.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine
Vorrichtung zur Anderung der Senderleistung der aktiven
Entfernungsmeßanordnung (31) bei aufeinanderfolgenden Abfragen.
9. Verfahren zum Bestimmen der Position eines Transponders
bezüglich einer sich an einem bekannten Ort befindenden
Referenzposition im Dienstbereich eines Überwachungs-Sekundär
radars (SSR), bei welchem an der erwähnten Position Abfragen
vom SSR sowie Antworten vom Transponder empfangen und die
Position des Transponders aus der zeitlichen Beziehung
zwischen den empfangenen Abfragen und Antworten bestimmt
wird,
dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin
- a) aus der erwähnten zeitlichen Beziehung die Anwesenheit eines Transponders in einem Bereich auf oder nahe bei einer Linie zwischen der Referenzposition und dem SSR festgestellt wird, welche in geometrischer Hinsicht ungünstig für eine passive Bestimmung seiner Entfernung ist, und
- b) als Reaktion auf diese Feststellung an der Referenzposition zur aktiven Messung der Entfernung des Transponders Abfragen gesendet und Antworten empfangen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verfahrensschritt (b) mit einer auf das SSR gerichteten
Richtungscharakteristik durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verfahrensschritt a) eine Feststellung des Absinkens
der Differenz (t) von Signaleintreffzeiten unter einen
vorgegebenen Mindestwert (tmin) einschließt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß außerdem ein Absinken der Differenz der von der Referenz
position aus gesehenen Azimuthwinkel des Transponders und
des SSR unter einen vorgegebenen Mindestwert festgestellt
wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sendung von Abfragen von der Referenzposition bei
der Feststellung verhindert wird, daß keiner der beiden
Mindestwerte unterschritten wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Sendung der Abfragen verhindert wird, wenn die
SSR-Strahlungskeule in einen vorgegebenen Sektor gerichtet
ist, der den Ort des virtuellen SSR enthält.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abfragen während eines Intervalles von 1000 bis
1500 Mikrosekunden anschließend an jeden P3-Puls verhindert
wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge des genannten Intervalles stochastisch geändert
wird.
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