DE3938340C2 - Verfahren und Einrichtung zur Funkortung durch Überwachungs-Sekundärradar - Google Patents

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 4 115 771, 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 nicht lange andauern, 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 liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 dahingehend weiterzubilden, daß Entfernungsmessungen zwischen dem virtuellen SSR und einem Transponder auch dann durchgeführt werden können, wenn sich der Transponder auf oder in der Nähe der Verbindungslinie zwischen dem realen SSR und dem virtuellen SSR befindet.

Diese Aufgabe wird durch das System gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des Systems sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7 bzw. 9 bis 13.

Das oben beschriebene Problem wird also dadurch behoben, daß der 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 4 115 771 passiv ermittelt wurde, angezeigt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

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(=Pseudo-Random-Code)-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 t_min, 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 Hüllkurvendemodulator 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 Koordinaten-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 Systemverzögerungen ist

ct=R+X-D,

wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Hochfrequenzwelle 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 beträgt, 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 t_min 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 t_min 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 4 115 711. In diesem 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 von relativ langen, willkürlich schwankenden Intervallen von 1000 bis 1500 µs nach den synthetischen P3-Pulsen vom PRC-Genera­ tor 10, während die SSR-Strahlungskeule nicht auf das virtuel­ le SSR gerichtet ist.

Wenn im Erfassungsbereich 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 Entstörschaltung 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-Dokument Do-197 v. 20.3.87 S. 19-22 der Radio Technical Commission for Aeronautics, 1425 K Street, Washington, DC, USA, beschrieben.

Claims (13)

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 Referenzposition (V) eine Antenne (30) zum Empfang von Abfragen des Sekundärradars sowie Antworten vom Transponder und eine Einrichtung zum Bestimmen der Position (T) des Transponders aus der zeitlichen Beziehung zwischen den empfangenen Abfragen und Antworten vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Referenzposition vorgesehen sind:

• a) eine aktive Entfernungsmeß-Sender-Empfänger-Anordnung (31), die mit der Antenne (30) gekoppelt ist;
• b) eine auf das Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestwertes der zeitlichen Differenz (t) zwischen dem Eintreffen einer Abfrage der SSR-Station und der zugehörigen Transponderantwort an der Referenzposition (V) und/oder eines Mindestwertes des Azimutwinkels (B) zwischen dem Transponder (T) und der SSR-Station ansprechende 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 Ermittlung der Entfernung des Transponders ist, und
• c) 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 zielende Richtcharakteristik hat.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung des Steuerausgangssignals eine Vergleicheranordnung (33) enthält, welche ein Ausgangssignal liefert, wenn die Differenz (t) der Signaleintreffzeiten unter einen vorgegebenen Mindestwert (t_min) 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 Steuerausgangssignales 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, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Änderung der Senderleistung der aktiven Entfernungsmeßanordnung (31) bei aufeinanderfolgenden Abfragen.

8. Verfahren zum Bestimmen der Position eines Transponders bezüglich einer sich an einem bekannten Ort befindenden Referenzposition im Dienstbereich eines Überwachungs-Sekundärradars (SSR), bei welchem an der Referenzposition Abfragen von der SSR-Station 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

• 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, indem ermittelt wird, ob ein Mindestwert der zeitlichen Differenz zwischen dem Eintreffen einer Abfrage der SSR-Station und dem Eintreffen der zugehörigen Transponderantwort an der Referenzposition und/oder ein Mindestwert des Azimutwinkels zwischen dem Transponder und der SSR-Station unterschritten wird, und
• b) als Reaktion auf diese Feststellung an der Referenzposition Abfragen zur aktiven Messung der Entfernung des Transponders gesendet und Antworten empfangen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (b) mit einer auf die SSR-Station gerichteten Hauptstrahlungskeule durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendung von Abfragen von der Referenzposition bei der Feststellung verhindert wird, daß keiner der beiden Mindestwerte unterschritten wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sendung der Abfragen verhindert wird, wenn die SSR-Strahlungskeule in einen vorgegebenen Sektor gerichtet ist, der den Ort der virtuellen SSR-Station enthält.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfragen während eines Intervalles von 1000 bis 1500 Mikrosekunden anschließend an jeden von einem PRC(=Pseudo-Random-Code)-Generator (10) erzeugten Impuls verhindert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des genannten Intervalles stochastisch geändert wird.