DE4018980A1

DE4018980A1 - Vorrichtung und verfahren zum messen des azimuts und der hoehe eines objektes

Info

Publication number: DE4018980A1
Application number: DE4018980A
Authority: DE
Inventors: Lassi Hippelaeinen
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1991-01-03
Also published as: FI892928A0; FI85427B; FR2648570A1; GB2232843A; GB9012387D0; FR2648570B3; FI85427C; FI892928A; US5053784A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Azi muts und der Höhe eines Objektes, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfah ren zum Messen des Azimuts und der Höhe, nach dem Oberbe griff des Anspruchs 6. Insbesondere betrifft die Erfindung das hochauflösende Vermessen von Peilwinkeln (Azimut und Höhe) über einen großen Raumwinkel (typischerweise über eine Hemisphäre) eines Objektes, das Markiersignale emittiert, reflektiert oder verstärkt. Das Verfahren ermöglicht das kontinuierliche Beobachten des Objektes.

Peilempfänger, das heißt Vorrichtungen, die ein exaktes Pei len eines ausgewählten Objektes ermöglichen, werden seit langem entwickelt. Peilwinkel, welche durch einen Zwei-Koor dinaten-Peilempfänger angezeigt werden, werden im allgemei nen durch den Azimut (Peilwinkel über dem Horizont) und der Höhe (Peilwinkel oberhalb oder unterhalb des Horizontes) bezeichnet. Der Ort des "Horizontes" des Zwei-Koordinaten- Peilempfängers ist eine Frage der Konvention, die es erlaubt, eine andere als die horizontale Ebene zu wählen. Im Gegensatz zu richtungsempfindlichen Empfängern, welche dar auf hinzielen, ein möglichst geringfügig verfälschtes Signal zu empfangen, ist das charakteristische Merkmal eines Peil empfängers seine Fähigkeit, die exakte Peilung eines realen Objektes anzugeben. Ein richtungsempfindlicher Empfänger kann auch Signale verwenden, welche von der Umgebung reflek tiert werden, während derartige Signale für einen Peilemp fänger Fehlersignale darstellen.

Peilempfänger sind im allgemeinen für die Identifikation von entweder elektromagnetischen oder mechanischen Vibrationen ausgelegt. Von diesen beiden Anwendungsfeldern ist die, die mit den elektromagnetischen Emissionen verbunden ist, die bekanntere.

Ein Anwendungsfeld, welches oft in der Radiotechnik verwen det wird, ist eine Antenne, die eine hohe Richtungsverstär kung aufweist, und die in der Lage ist, in zwei Dimensionen gedreht zu werden, und die für die Ortung eines Objektes verwendet wird. Die richtungsabhängige Verstärkung wird gemeinhin durch einen parabolischen Reflektor erreicht.

Um die Peilung eines Objektes zu messen sowie das Beobachten eines mobilen Objektes zu ermöglichen, wird die Umgebung des Objektes in sowohl der Azimut- als auch der Höhenebene abge tastet. Wenn festgestellt wird, daß das einfallende Signal in einer Richtung stärker wird, wird der Sensor in diese Richtung ausgerichtet. Das Abtasten wird durchgeführt, indem der Hauptstrahl entweder elektrisch oder mechanisch abge lenkt wird. Beobachtungsverfahren sind in verschiedenen wohlbekannten Handbüchern beschrieben, zum Beispiel in "Antenna Engineering Handbook" by Richard C. Johnson and Henry Jasik, McGraw-Hill Co., New York (2nd Edition 1984), Chapter 40-4.

Ein rotierender Abtastsensor verlangt eine präzise mechani sche Ausführung. Da die gesamte Höhensteuervorrichtung mit der Änderung des Azimuts bewegt wird, wird die gesamte mechanische Konstruktion schwer, was die Verwendung von Hochleistungsmotoren sowie massiven Tragekonstruktionen nötig macht.

Die Zielgenauigkeit des Beobachtungssensors ist linear pro portional zu der Apertur des Sensors und umgekehrt propor tional zu der Wellenlänge der verwendeten Signale. Daher führt der Einsatz von Hochpräzisionssensoren zu einer hohen Windbelastung und daraus folgend zu schwereren mechanischen Konstruktionen. Die Zielgenauigkeit ist derartig ausschlag gebend für die Ausführung des gesamten restlichen Systems, daß diese Charakteristik bereits während des Entwurfstadiums des Systems festgelegt werden muß.

Sowohl die Azimut- als auch die Höhenbeobachtung wird mit tels identischer Oszillationsabtastverfahren des Hauptstrah les durchgeführt, was in der Praxis zu unveränderlichen Interferenzen zwischen den Signalen von verschiedenen Pei lungen führt. Selbstinterferenz ergibt sich zum Beispiel aus Zeitfehlern, Bewegungen des Objektes während der Messung, oder, alternativ (insbesondere in der Radiotechnik) aus Änderungen in der Polarisationsebene des Senders, was zu einer Fehlinterpretation der entsprechenden Spannungsdiffe rentiale durch den Beobachtungsalgoritmus führt.

Die Natur des Beobachtungsalgoritmusses legt fest, daß das Objekt nie mit der maximalen Verstärkungsachse des Abstast strahles koinzident ist. Das oszillierende Abtasten des Strahles bewirkt eine Amplitudenmodulation des empfangenden Signales bei der Oszillatorabtastfrequenz.

Ein Sensor mit einer hohen Verstärkung ist nicht in der Lage, plötzliche Bewegungen des Objektes zu beobachten, da das Strahlbündel der Antenne eng und das mechanische Steuer system schwer ist. Infolge des nicht idealen Verhaltens des Beobachtungsalgoritmusses kann eine große Steuerbewegung in eine Richtung zu einer unbeabsichtigten Änderung des anderen Beobachtungswinkels führen, was zu einem Verlieren des Ziels aus dem Strahl führen kann.

Der Peilempfänger kann auch ohne bewegliche Teile als ein Interferometer eingesetzt werden, das heißt, indem ein Sen sorarray verwendet wird, von dem das Signal eines jeden Sen sorelements separat verarbeitet wird. Die Peilung des Objek tes wird festgelegt, indem die Übergangszeitdifferentiale der Signale, welche durch die Sensoren empfangen wurden, mit den physikalischen Abmessungen des Sensors verglichen wer den. Interferometer sind in verschiedenen gut verständlichen Textbüchern beschrieben, zum Beispiel in S. Haykin (Ed.): Array Signal Processing, Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey (1985).

Da die Signale von jedem der Sensoren individuell verarbei tet werden, müssen die Sensoren eine ausreichend große Aper tur aufweisen, um den gesamten interessierenden Raumwinkel abzudecken. Ein typischer, in der Radiotechnik verwendeter Sensor ist eine gegengewichtete Viertelwellenantenne, die üblicherweise eine Hemisphäre abdeckt.

Aufgrund der fehlenden Richtungsverstärkung des Sensors eignet sich das Interferometer für eine Nahbereichsdetek tion. Dies liegt daran, daß Richtungssensoren ungeeignet sind, wenn ein einzelner Satz von Sensoren zum Beobachten eines weiten Raumwinkels verwendet werden muß. Auch kann die Verstärkung nicht verbessert werden, indem man die Anzahl der Sensoren erhöht, da Zeitdifferentiale nicht von Sensoren mit übermäßigem Rauschen gemessen werden können, was das kohärente Summieren der Sensorsignale unmöglich macht.

Wenn Richtungssensoren verwendet werden, um den Beobach tungsbereich zu vergrößern, müssen sie auf verschiedene Teile des in Betracht zu ziehenden Raumwinkels gerichtet sein, um den gesamten Raumwinkel zu bedecken. Die Breite des Sensorstrahles ist umgekehrt proportional zu seiner Verstär kung, was das Hinzufügen der Sensoren in linearem Verhältnis zu der gewünschten Verstärkung nötig macht.

Im allgemeinen sind die Strahlformen der Sensorelemente höhenabhängig. Eine gegengewichtete Viertelwellenantenne stellt bei geringen Höhenwinkeln und beim Zenit keine Ver stärkung bereit.

Ein Sensorarray weist immer eine Richtung auf, in der sein projizierter Bereich klein ist. Um ein gemeinsames Im-Schat ten-Liegen zu vermeiden, sind diese Sensoren typischerweise in einer einzelnen Ebene angeordnet, welche parallel mit der Plattform ist. Wenn sich das Ziel in der gleichen Ebene nähert, verliert das Sensorarray seine Richtungspeilfähig keit, da der projizierte Bereich (effektive Apertur) in dieser Richtung scheinbar Null ist.

Aufgrund des nicht richtungsabhängigen Charakters der Senso ren in einem Interferometer unterscheiden sie nicht zwischen Umgebungsinterferenzen, selbst wenn die Interferenzen von einer Richtung ausgehen, die von der des Ziels völlig ver schieden ist.

Flugzeuge und Tieffrequenzbodenstationen-Technologien ver wenden ebenfalls ein Verfahren, das auf einer Vielzahl von Sensoren mit verschiedenen Strahlformen basiert. Die gemein samen Größenverhältnisse der empfangenen Signale können zur Lösung des Peilproblems verwendet werden. (Johnson and Jasik, Chapter 40-3).

Amplitudenvergleiche werden prinzipiell verwendet, da die Sensorfelder in diesem Verfahren extrem kompakt konstruiert werden können. Die Sensoraperturen sind klein und die Rich tungsgenaugkeit der Sensoren ist gering.

Ein befriedigender Amplitudenvergleich verlangt ein gutes Signal-Zu-Rauschverhältnis. Anstelle der Richtungsverstär kung müssen die Strahlformen der Sensoren gemäß dem Peilver fahren ausgewählt werden, was es unmöglich macht, eine Sen sorverstärkung oder eine Richtungsunterscheidung der Inter ferenz in diesem Verfahren zu erhalten.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwin den und einen neuen Typ von Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des Azimuts und der Höhe eines Objektes bereitzu stellen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 bzw. 6.

Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt der Einsatz des Peilempfängers, der ein mechanisch rotierendes Interferome ter verwendet, nur in der Azimutebene. Die Messung der Höhe wird durchgeführt, indem nur das interferometrische Prizip verwendet wird, während der Azimut aus einer Kombination von interferometrischen und mechanischen Beobachtungsdaten erhalten wird.

Genauer gesagt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 charakterisiert.

Des weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 6 charakterisiert.

Die jeweiligen Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbil dungen der Erfindung zum Inhalt.

Die Erfindung stellt signifikante Vorteile bereit. Im Ver gleich zu einem beweglichen Richtungssensor verlangt der erfindungsgemäße Peilempfänger keine Bewegung in der Höhen ebene, was einen schweren Treibermotor verzichtbar macht. Aus diesen Gründen kann die mechanische Konstruktion des Azimutkoordinaten-Zielbereiches in einem erheblichen Umfang vom Gewicht her vermindert werden. Das Sensorarray kann ohne großen Reflektor arbeiten, was seine Windbelastung klein macht. Das Azimutzielen des Systems gemäß der Erfindung muß nicht genau auf das Objekt ausgerichtet sein, da eine exakte Abweichung der Azimutpeilung gemessen werden kann. Durch Hinzufügen der Abweichung zu dem tatsächlichen Azimut des Sensors kann die gewünschte genaue Peilung erhalten werden. Daher muß die mechanische Konstruktion keine hohe Präzision aufweisen.

Die Richtungsgenauigkeit ist abhängig von seiner Apertur. Da die Apertur nicht mit dem Reflektor sondern anstelle dessen mit der gemeinsamen Anordnung der Sensorelemente verbunden ist, kann die Auswahl der Apertur bis zur Installationsstufe hinausgeschoben werden.

Der Azimut und die Höhe haben unabhängige Steuerungen, wodurch jede Wechselwirkung verhindert wird. Dies liegt daran, daß die Höhensteuerung von der mechanischen Konstruk tion ausgenommen wurde, da sie mit Hilfe von numerischen Verfahren simuliert wird.

Der erfindungsgemäße Peilempfänger verliert das beobachtete Objekt nicht leicht, da die Sensoren einen Weitwinkelcharak ter in der Höhenebene aufweisen. Das Verlieren des beobach teten Objektes kann nur in der Azimutebene auftreten, in der das Wiederauffinden des Objektes leicht ist, da die Suche nur in der Ebene eines einzelnen Parameters stattfindet. Darüberhinaus ist auch eine automatische Suchroutine für das Objekt möglich.

Auf einer mobilen Plattform betrieben kann die einzige Pro blemquelle nur aus plötzlichem Bewegungen der Azimutebene auftreten. An Bord eines Schiffes indessen kann das durch Wellen veranlaßte Rollen hauptsächlich nur die Höhenebene beeinflussen.

Die vorliegende Erfindung stellt signifikante Vorteile im Vergleich zu einem Interferometer bereit, das aus statio nären identischen Sensoren besteht. Die Sensoren eines erfindungsgemäßen Systems sind gerichtet und stellen daher eine Verstärkung bereit. Ein System, welches eine vollstän dige Hemisphäre abdeckt, kann eingesetzt werden, indem Sen soren verwendet werden, die nur eine Hälfte der gesamten Höhenebene bedecken, was bereits eine Verstärkung von 3 dB ergibt. Der größte Verstärkungsgewinn kann aus der Azimut ebene erhalten werden, in der ein Strahl mit fast minimaler Breite verwendet werden kann.

Die Richtungsform der Sensoren kann so entworfen werden, daß sie ein Verstärkungsmaximum sowohl beim Horizont als auch beim Zenit haben. Mit den bekannten Vorrichtungen aus der Radiotechnik kann dieses Ziel leicht erreicht werden, indem man zum Beispiel eine geeignet verkippte Winkelreflektoran tenne verwendet. Ein kleiner tatsächlicher Höhenwinkel ist für das erfindungsgemäße System nicht klein. Der durch das Sensorarray abgetastete Horizont kann verkippt werden, da die hintere Seite des Sensorarrays die Installation einer Tragestuktur erlaubt. Daher muß der Höhenwinkel, der in einer Hemisphäre abgetastet wird, nicht unter 45° fallen.

Die Sensoren des Systems sind physikalisch richtungsabhän gig, so daß sie externe Interferenzen, die von einem Azimut winkel ausgehen, der von dem des Objektes verschieden ist, dämpfen können.

Im Gegensatz zu einem auf Amplitudenvergleiche basierenden Verfahren ist die Apertur eines erfindungsgemäßen Systems groß, was seine Auflösung erheblich besser macht, als durch Amplitudenvergleiche erreichbare. Die Rauschamplitude ist nicht länger für die Zielgenauigkeit ausschlaggebend, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung eine im hohem Umfang ver besserte Rauschtoleranz aufweist. Interferenzen werden durch den verbesserten Richtverstärkungsfaktor der Sensoren gedämpft.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Peilempfängervorrichtung in einer perspektivi schen Ansicht;

Fig. 2a die Sensoren einer zweiten Ausführungsform der Peilempfängervorrichtung in einer Seitenansicht;

Fig. 2b eine Vorderansicht des in Fig. 2a dargestellten Sensors;

Fig. 3a die Sensoren einer dritten Ausführungsform der Peilempfängervorrichtung in einer Seitenansicht;

Fig. 3b in einer Seitenansicht die Richtungsformen der in Fig. 3a dargestellten Sensoren und ihr Zie len;

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Peilempfänger in einem Blockdiagramm;

Fig. 5 in schematisierter Form einen konventionellen Interferometer;

Fig. 6a eine schematisierte Vorderansicht eines erfin dungsgemäßen Antennenarrays mit einer symmetri schen Konstruktion bezüglich des Azimuts;

Fig. 6b in einer Seitenansicht das in Fig. 6a darge stellte Antennenarray;

Fig. 7 das mit mathematischen Bezeichnugen vervollstän digte Antennenarray von Fig. 6b;

Fig. 8 den mit mathematischen Bezeichnungen vervoll ständigten Sensor, wie er in den Fig. 6a und 6b dargestellt ist, in Draufsicht;

Fig. 9 ein mathematisches Modell der Inklination des Antennenarrays;

Fig. 10 ein detailliertes Blockdiagramm des in Fig. 4 dargestellten Peilempfängers;

Fig. 11 eine perspektivische Sicht einer konventionellen Winkelreflektorantenne und ihr Koordinaten system, die in der Ausführungsform der Erfindung einsetzbar ist; und

Fig. 12 eine Tabelle der Richtungsformen der in Fig. 11 dargestellten Antenne.

Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht der erfindungsgemäße Peilempfänger aus einer Plattform 1, die in dem Prototyp system aus einem Transportcontainer bestand. Die Plattform 1 kann ebenso aus einer Konstruktion bestehen, die auf der Ladefläche eines Lastwagens oder einer Zugmaschine oder mög licherweise eines Wasserfahrzeuges aufgesetzt wird. Die Antennenstruktur wird auf einer rotierbaren Platte 2 mon tiert, die im wesentlichen horizontal rotiert. Die Antennen struktur weist einen V-förmigen Rahmen 3 auf. Der Rahmen 3 ist an seinem unteren Ende fest mit dem Zentrum der Platte 2 verbunden. Der Rahmen 3 ist des weiteren um ungefähr 45° nach hinten verkippt. Lange obere Antennen 5 sind am oberen Teil des Rahmens 3 an den Enden der V-Pole befestigt. Der Verbindungspunkt der V-Pole trägt eine kurze tiefere Antenne 6, während ein komplementierender Satz von tieferen Antennen 4 an beiden V-Polen befestigt ist. Die oberen Antennen 5 stellen einen höheren Richtverstärkungsfaktor als die tiefe ren Antennen 4 und 6 bereit, und sie sind ausgerichtet, um dichter auf den Horizont zu zielen als die tieferen Anten nen. Alle Antennen sind auf der Oberseite des Rahmens 3 angeordnet.

Messungen zum Anpeilen einer meteorologischen Sonde können unter der Verwendung von drei Antennen durchgeführt werden. Der Peilempfang ist nur dann möglich, wenn die Richtungsfor men jeder Antenne den zu untersuchenden Raumwinkel bedecken. Wenn die Antennen eines Interferometers stationär sind, ist die einzig verbleibende Alternative in diesem Fall eine gegengewichtete Viertelwellenantenne.

Sobald das Antennenarray rotierbar konstruierbar ist, kann es aufgebaut werden, um eine Richtungsempfindlichkeit aufzu weisen. Eine Richtungempfindlichkeit ist am besten geeignet, um Interferenzeffekte zu vermindern. Zusätzlich ist der Ein fangsquerschnitt einer gegengewichteten Viertelwellenantenne im 1680-MHz-Band, die in den Prototyptests verwendet wurde, zu gering, da das Verstärkungserfordernis über 10 dB hinaus geht.

Wenn die benötigten drei Antennenelemente in einem L-förmi gen Array zum Messen von horizontalen und vertikalen Phasen differenzen angeordnet sind, entsteht ein Problem aus der asymmetrischen Struktur. Das Array kann mit einer vierten Antenne (in einer invertierten T-Form) vervollständigt wer den, was die Konstruktion symmetrisch macht, indessen aber Kostenfolgen hat. Ein V-förmiges Array kommt ohne Extraele mente aus und stellt außerdem eine symmetrische Konstruktion bereit. Darüberhinaus sind die Antennen, die in der vertika len Ebene dieser Konstruktion messen, in verschieden Polari sationsebenen ausgerichtet, was eine geringere gemeinsame Koppelung als in der L-Form zur Folge hat. Die V-förmige Konstruktion kann auch invertiert werden.

Das Zielen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird durchgeführt, indem die Azimutebene nur mechanisch abgetastet wird, während das Abtasten der Höhenebene von den Messungen der gemeinsamen Phasenunterschiede der Antennen elemente ausgeht. Aus diesem Grunde ist die Befestigungs ebene der Antennenelemente zum Beispiel um 45° gekippt, wie in Fig. 2a dargestellt, was ein Abtasten des gesamten Höhen winkelbereiches möglich macht. Das Verteilen der Elemente kann in Übereinstimmung mit Fig. 2a größer als die halbe Wellenlänge sein, da die Phasenunbestimmtheit der Höhe durch Computervorrichtungen gelöst wird.

Das Antennenelement muß in der Lage sein, die Signale über einen Winkel von ±30° um die Zentrallinie des Strahls herum zu empfangen. Wenn im Zenit die Sonde so dicht ist, daß die Verstärkungsanforderungen minimal sind, und während die Sonde sich in dem Horizont befindet, tauchen andere Probleme auf, als die, die mit dem Detektionsbereich verbunden sind. Die Richtungsverstärkung sollte nicht mehr als 10 dB betra gen. Das vordere/hintere Verstärkungsverhältnis ist nicht kritisch, da die Antennen derartig verkippt sind, daß die hintere Seite auf den Boden zielt.

Diese Anforderungen können erfüllt werden, indem man zum Beipiel eine Yagiantenne mit 5 bis 7 Stabelementen verwen det. Darüberhinaus kann die Antenne an die 50 Ohm Standard impedanz angepaßt werden. Die Richtungsform des Sensors muß einen breiten Strahl in der elektrisch abgetasteten Ebene (Höhe) bereitstellen, so daß der Strahl die gesamte interes sierende Winkelspannweite bedeckt. Der Strahl kann in der mechanisch abgetasteten Ebene (Azimut) eng sein, in der nur die Präzision der Mechanik und die Winkelgeschwindigkeit des Objektes die begrenzenden Faktoren sind. Ein bevorzugtes Verfahren für die Einsatzmöglichkeit der Strahlformen in Radioantennen ist ein Winkelreflektor, dessen Struktur mit dem dazugehörigen Koordinatensystem in Fig. 11 dargestellt ist, das zusammen mit Fig. 12, aus dem Handbuch Johnson- Jasik: "Antenna Engineering Handbook" entnommen wurde. Eine derartige Antenne hat eine glatte Hauptkeule und nur gering fügige Seitenkeulen. In den in Fig. 12 dargestellten Strahl formen wird eine brauchbare Größe insbesondere durch den 60°-Winkelreflektor bereitgestellt, der das Antennenelement in einem Abstand von 0,8 Wellenlängen von dem Eckwinkel auf weist, wobei die Richtungsform ein Maximum bei sowohl klei nen Höhenwinkeln (Sonde in großer Entfernung) als auch bei großen Höhenwinkeln (Sonde in geringer Entfernung) aufweist. Diese Überlegungen berücksichtigen die Tatsache, daß die Antennenelemente um einen Winkel von 45° verkippt sind. Für ein vertikal polarisiertes einfallendes Signal ist das elek trische Feld (E-Feld) parallel mit der Höhenebene und das magnetische Feld (H-Feld) parallel mit der Azimutebene.

Die Genauigkeit bei Höhenmessungen ist von dem Signal-Zu- Rauschverhältnis (SNR) und der effektiven Länge der Anten nenarraybasis abhängig. Wenn das SNR = 20 dB (das heißt 1/100), kann der Phasenunterschied zwischen den Antennenele menten mit einer Genauigkeit von 360°/100 _* √= 5,1° gelöst werden. Wenn eine lange Wellenlängenbasis verwendet wird, wird die Winkelauflösung beim Beobachten 5,1°/360° = 0,014 rad, oder 0,81°.

Wenn eine minimale Auflösung von 0,1° für den Höhenwinkel benötigt wird, muß die Basis wenigstens eine Länge von 8,1 Wellenlängen aufweisen, oder von 1,45 m in dem beispielhaft darstellten Fall. Wenn die Antennen zu einer Neigung von 45° verkippt sind und in den Ecken eines Dreiecks angeordnet sind, müssen die Seiten des Dreiecks für einen Höhenwinkel von 15° wenigstens 1,45 m _* (4/3) = 1,93 m sein.

Verbesserungen im SNR sind möglich, indem Computerrechnungen für einen Satz von Messwerten durchgeführt werden, aus denen ein Mittelwert errechnet wird. Für ein SNR von 30 dB ist die Beobachtungsauflösung 0,01°, wenn V-Pole von 2 m Länge ver wendet werden.

In der Praxis ist das Anbringen von 2-Meter-Antennenelemen ten unpraktisch, da die Unbestimmtheit der Höhe unmöglich zu lösen ist. Demgegenüber ist das Anordnen von verschiedenen Antennen in Übereinstimmung mit Fig. 1 möglich, so daß drei Yagiantennen mit einer weiteren Strahlform an dem tieferen Ende des Antennendreiecks befestigt werden, während die Enden der V-Pole zwei Yagiantennen tragen, die eine engere Strahlform haben.

Die Verwendung von Yagiantennen mit einer engeren Strahlform stellt eine Anzahl von zusätzlichen Vorteilen bereit. Zunächst ist die Strahlform von diesen Antennen von den Strahlformen von Breitstrahlantennen verschieden, so daß das Verhältnis der Amplituden der Signale, durch die verschie dene Elemente empfangen werden, für eine Grobbestimmung der Höhe verwendet werden kann. Der Strahl B der oberen Yagian tennen 5 wird, zum Beispiel, in Übereinstimmung mit den Fig. 3a und 3b um 30° oberhalb des Horizontes gerichtet, wodurch die Amplitudenverhältnisse eindeutig werden. Der Strahl B der unteren Yagiantenne 6 ist höher ausgerichtet, um beispielsweise 45° oberhalb des Horizontes. Die tieferen Yagiantennen 4, 6 sind senkrecht an den Antennenarrayrahmen 3 befestigt.

Der zweite sich ergebende Vorteil ist die Verstärkungsver besserung. Die Yagiantennen mit dem engen Strahl können für eine Hauptkeule von ungefähr ±20° der Strahlbreite entwor fen sein, wozu eine Struktur von wenigstens 15 Elementen benötigt wird. Dann erreicht die Antennenverstärkung 20 dB.

Da die Länge der Antenne kürzer als 1 m bleibt, selbst wenn eine Struktur von 22 Elementen verwendet wird, ist die ein zige begrenzende Größe zum Richtverstärkungsfaktor, die durch das Hinzufügen von Elementen möglich wird, die benö tigte Bandbreite. Ein dritter Vorteil ist die Dämpfung von Bodenreflektionen.

Das Anpeilen der Sonde wird unter Zuhilfenahme der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung durch die folgende Sequenz festge legt:

Azimut:

- Die Antenne wird um einen vollen Kreis gedreht und die Feldstärke wird mittels einer Referenzantenne überwacht, die zum Beispiel die Antenne 6 sein kann.
- Das Antennenarray wird in die Richtung der größten Feld stärke ausgerichtet, um einen groben Azimutwinkel zu bestimmen.
- Das Antennenarray wird justiert, bis die Nahempfangsan tennen 4 ein Signal von identischer Phase empfangen.
- Die obige Sequenz wird für Fernempfangsantennen 5 wie derholt.

Höhe:

- Das Verhältnis der Feldstärken der Nahempfangs- 4 und Fernempfangsantennen 5 wird gemessen.
- Eine grobe Abschätzung des Höhenwinkels wird aus einer Nachschlagetabelle erhalten.
- Der Phasenunterschied in der Höhenebene wird von den Nahempfangsantennen 4, 6 gemessen und der entsprechende Höhenwinkel wird errechnet.
- Die obige Sequenz wird für die Fernempfangsantennen 5 wiederholt.

Ein Blockdiagramm des Verfahrens, das die oben beschriebenen Operationen durchführt, ist in Fig. 4 dargestellt. Das Blockdiagramm wird im einzelnen zusammen mit der Diskussion der Fig. 4 beschrieben werden.

Die Errechnung des Höhenwinkels unter Zuhilfenahme der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung findet wie folgt statt: Zunächst wird angenommen, daß sich das Objekt weit genug entfernt befindet, so daß die Wellenfronten, die von dem Objekt ausgehen, als eben angenommen werden, wenn sie die Antennen erreichen, wobei der minimale Abstand R dargestellt werden kann als

R < D²/L = 22,5 m (1)

Wenn der beispielhaft dargestellte Fall eine Antennenapertur von D = 2 m verwendet und die Signalwellenlänge L = 0,178 m ist. In der Praxis ist R in der Größenordnung von einigen Kilometern, so daß die Bedingung 1 sicher erfüllt wird.

Unter Bezugnahme auf die Antenne, welche als Referenzantenne bezeichnet wurde, kann die Phase Φ_m, die von jedem der Ele mente m gemessen wurde als

k(A,E) _* (z_m/L) = Φ_m/2 π + N_m (2a)

dargestellt werden, wobei k ein Einheitsvektor ist, der in Richtung der Sonde zielt, z_M der Ort der Antenne bezüglich der Referenzantenne ist, und N_m eine ganze Zahl ist. Der Einheitsvektor k kann unter Zuhilfenahme des Azimut und der Höhe als

k(A,E) = (cos E sin A, cos E cos A, sin E) (2b)

geschrieben werden. Die Koordinatenwinkel A und E können aus den Gleichungen 2 erhalten werden, sobald die Bestimmungs konstanten N_m bekannt sind, die Lösung macht allerdings die Verwendung von numerischen Verfahren nötig.

Die allgemeine Lösung (2) kann vereinfacht werden, wenn eine Anzahl von vereinfachenden Annahmen für das Antennenarray gemacht wird. Zunächst ist eine plausible Annahme, daß die Antennenstruktur in der Lage ist, zu der Sonde ausgerichtet zu werden und sie in der Höhenebene solche realen oder im Rechner erzeugten Antennen aufweist, in denen die Phase des empfangenden Signales im wesentlichen unabhängig von dem Azimutwinkel ist. Diese Annahme erlaubt die Bestimmung des Höhenwinkels ohne Kenntnis des Azimut.

Als eine weitere Annahme kann gemacht werden, daß die Anten nenstruktur symmetrisch bezüglich des Azimut ist, was eine vereinfachte Darstellung des Einflusses der Höhe auf den Azimut erlaubt. Zum Beispiel kann das Antennenarray wie in den Fig. 6a und 6b dargestellt eingesetzt werden.

Gemäß Fig. 7 kann der gemeinsame Phasenunterschied zwischen der Antenne 21 und dem gemittelten Signalwert der Antennen 22 und 23 zu

Φ_E = (sin Z D_E/L) 2 π - N _* 2 π (3)

erhalten werden, wobei der Zenitwinkel Z = 90° - E - K und N eine noch unbekannte ganze Zahl ist. Das Auflösen der Gleichung (3) für E ergibt

E = arccos (L/D_E(Φ_E/2 π + N)) - K (4)

In der Azimutrichtung wird die Antennenstruktur auf die Sonde ausgerichtet, was eine erste Näherung erlaubt, die aus den Antennensignalen erhalten wird. In der Realität ist das Zielen nicht genau, sondern weist eine kleine Abweichung wie in Fig. 8 dargestellt auf.

Der durch die Abweichung entstandene Phasenunterschied kann als

Φ_A = Φ₂ - Φ₃ + 2 π (N₂ - N₃) (5)

dargestellt werden. Wenn die Größe der Abweichung als klein angenommen werden kann, ist es erlaubt, N₂ = N₃ zu setzen, wobei die Abweichung A des Azimut dargestellt werden kann als

sin A = Φ_A/2 π L/D (6)

wobei D die Entfernung der Antennen 22 und 23 in der Azimut ebene ist. Unter Verwendung der Symmetrieannahme der Antenne in der Azimutebene kann die Entfernung D dargestellt werden als

D = D_A cos E cos Z (7)

Unter der Annahme, daß A einen kleinen Wert einnimmt, können die Gleichungen 6 und 7 durch die Näherung

cos A ≈ 1/(1 + A²/2) und sin A ≈ A (8)

vereinfacht werden, was ein Errechnen von A in zwei Stufen erlaubt.

A₁ = Φ_A/2 π L/D_A cos Z
A₂ = A₁ (1 + A₁²/2) (9)

Wenn der Wert von A mit einer Genauigkeit von ±0,01° = ± 0,000175 rad gelöst werden soll, ist die Nähe rung A = A₁ für die Annahme erlaubt, daß

|A₁³/2| < 0,000175 → |A₁| < 4° (10)

Die obige Ableitung der erhaltenen Formel 4 für den Höhen winkel basiert auf der Annahme, daß das Zielen in die Azi mutrichtung genau ist oder A = 0. Der Fehler, der in einem nicht idealen Fall entsteht für den Wert des Höhenwinkels kann in zwei Stufen errechnet werden.

Der Wert der Antennenbasis D, der in den Berechnungen der Höhe verwendet wird, ist indessen von dem korrekten Wert ver schieden, wenn der Wert des Azimutwinkels von 0 verschieden ist. Die tatsächliche projizierte Länge der Antennenbasis ist

D′ = D_E cos A (11)

Dementsprechend wird der Verkippungswinkel K des Antennen arrays in Übereinstimmung mit der Fig. 9 projiziert.

Der Fehler des Verkippungswinkels kann dargestellt werden als

tan (K′) = tan K/cos A (12)

Bei kleinen Werten für den Winkel A kann die Abweichung des Verkippungswinkels angenommen werden als

K′ - K = A²/4 (13)

Schließlich erhält man die korrigierte Gleichung für den Höhenwinkel als

E = arccos (L/D_E cos A (Φ_E/2 π + N)) - K - A²/4 (14)

Diese Korrektur beeinflußt den Wert des Azimutwinkels (9), aber die Korrektur ist geringfügig, so daß die iterative Näherung der Gleichungen 9 und 14 schnell konvergiert.

In Fig. 10 ist die Konstruktion des Empfangs- und Meßsystems auf einem Blockdiagrammniveau dargestellt. Das System ist an 1680-MHz-Radiosonden angepaßt, was ein Bedecken des Fre quenzbandes von 1660 bis 1700 MHz nötig macht. Die Ausrü stung umfaßt zwei nahezu identische duale Superheterodynemp fänger, welche als Empfänger 11 und 12 (vgl. Fig. 4) bezeichnet sind. Das Eingangssignal zu dem Empfänger 12 ist einer externen Referenzantenne 10 des Antennenarrays entnom men, während das Eingangssignal zu dem Empfänger 11 abwech selnd aus den Antennen des Antennenarrays AK unter der Steuerung eines Signalauswahl-Antennenschalters 10a.

Die Eingangsstufen 32 und 33 der Empfänger 12 und 11 beste hen aus einem 1680-MHz-Bandfilter, dessen Bandbreite den gesamten Frequenzbereich von 1660 bis 1700 MHz bedeckt sowie eine Verstärkerstufe. Das verstärkte und gefilterte RF- Signal wird in einem Diodenmischer 34 und 35 mit einem 1590- bis 1630-MHz-Signal eines ersten örtlichen Oszillators 66 gemischt, um eine erste Zwischenfrequenz von 70 MHz zu erhalten. Beide Empfänger 11 und 12 verwenden einen gemein samen örtlichen Oszillator 13a, dessen Signale mittels einer Verzweigungseinheit 67 geführt werden. Das erste Zwischen frequenzsignal wird in einer ersten "IF-Stufe" 36 und 37 gefiltert und verstärkt und dann zu einem zweiten Mischer 38 und 39 geführt. Der Empfänger 12 empfängt sein Signal von dem zweiten örtlichen Oszillator aus einem Kristalloszilla tor 50, welcher ein festes 59,3-MHz-Signal abgibt. Das zweite örtliche Oszillatorsignal des Empfängers 11 wird von einem spannungsgesteuerten Kristalloszillator 51 erhalten, der mit dem Signal des anderen Oszillators 50 phasengekop pelt ist, so daß seine Ausgangsfrequenz um exakt eine Fre quenz von Δf = 2,4 KHz, welche durch einen separaten Refe renzoszillator 52 festgelegt wurde, tiefer liegt. Das 10,7- MHz-Zwischenfrequenzsignal, das aus dem zweiten Mischer 38, 39 erhalten wird, wird in einer zweiten "IF-Stufe" 42 und 43 gefiltert und verstärkt.

Das zweite "IF-Signal" des Empfängers 12 transportiert auch Senderinformationen der Sonde 31 über den Umgebungsdruck,

Feuchtigkeit und Temperatur, und wird herkömmlicherweise das "PTU-Signal" genannt, welches zwecks weiterer Verarbeitung zu einem bestimmten Detektor geführt wird. Das zweite "IF- Signal" des Empfängers 11 wird zu einem Eingang eines Pro duktdetektors 46 geführt, dessen anderer Eingang das zweite "IF-Signal" des Empfängers 12 empfängt, was auf einen kon stanten Pegel mittels eines Begrenzers 44 gehalten wird. Der Produktdetektor 46 übergibt die Differenzfrequenz f₃ des zweiten "IF-Signals" der Empfänger gefiltert über einen Bandpassfilter.

Die in Fig. 10 verwendeten Frequenzbezeichnungen sind:

f₀ = Eingangssignalfrequenz
f₁ = erste Zwischenfrequenz
f₂₁ = zweite Zwischenfrequenz des Empfängers 11
f₂₂ = zweite Zwischenfrequenz des Empfängers 12
f₃ = Frequenz des detektierten Signals
f_L1 = Frequenz des ersten örtlichen Oszillators
f_L2 = Frequenz des zweiten örtlichen Oszillators
Δf = Referenzfrequenz

Unter Verwendung der oben gegebenen Bezeichnungen können die Frequenzen für Fig. 4 dargestellt werden als: f₃ = f₂₁-f₂₂, während andererseits f₂₂ = f₀-f_L1-f_L2 und f₂₁ = f₀-f_L1-(f_L2-Δf) ist.

Wenn die letzteren Ausdrücke in den ersten einge setzt werden, ergibt sich das Resultat zu f₃ = Δf. Demnach wird die Differenzfrequenz gleich der Referenzfrequenz f, und zwar unabhängig von der Eingangsignalfrequenz f₀ und den Frequenzen der örtlichen Oszillatorsignale f_L1 und f_L2. Indes sen beinhaltet die Differenzfrequenz die gleichen Amplitu deninformationen wie das Eingangssignal für den Empfänger 11 und seine Phasendifferenz zu dem Referenzfrequenzsignal Δf ist linearproportional zu der Phasendifferenz zwischen den Signalen der externen Referenzantenne und beliebigen Signa len, welche zu einer Zeit durch den Antennenwahlschalter 10a aus den Signalen der Antennen 1 bis n ausgewählt worden sind. Diese Näherung macht das Meßergebnis von Driften der örtlichen Oszillatorfrequenzen f_L1 und f_L2 unabhängig.

Die automatische Verstärkungssteuerung (AGC) des Empfängers 12 ist derartig eingesetzt, daß das zweite "IF-Signal" mit tels eines AGC-Detektors 45 abgetastet wird, dessen Aus gangsspannung die Verstärkung der Eingangsstufe 32 und der zweiten "IF-Stufe" 42 steuert, wodurch die "IF-Signal"- Amplitude auf einen konstanten Pegel gesteuert wird. Der Empfänger 11 unterscheidet sich von der oben beschriebenen Beschreibung für den Teil eines AGC-Detektors 47, der die Amplitude der detektierten Signale ertastet. Darüberhinaus wird der AGC-Detektor 47 mittels eines Steuersignales durch geschaltet, so daß die AGC-Probe nur genommen wird, wenn der Antennenwahlschalter 10a auf die nachfolgende Referenzan tenne n gesteuert wird, nachdem die AGC-Spannung auf einem konstanten Pegel gehalten wird, wenn die anderen Antennen ausgewählt werden. Diese Näherung verhindert, daß die Ampli tuden der Signale von den anderen Antennen die AGC-Spannung beeinflussen.

Ein Steuer- und Meßprozeß 60 überwacht die Zeitsteuerung der Funktionen und übergibt Entnahmesteuersignale zu den Phasen und Amplitudenmeßschaltkreisen 17 und 18, so daß diese Schaltkreise die Messung der detektierten Signale durchfüh ren können. Die Phasendifferenz wird gegen das 2,4-Khz-Refe renzsignal unter Verwendung eines Digitalschaltkreises gemessen, und die Amplitudenmessung wird unter Zuhilfenahme eines schnellen Spitzenwertgleichrichters durchgeführt.

Der Antennenauswahlschalter 10a wird derartig angesteuert, daß die Antennen 1 bis n des tatsächlichen Antennenarrays sequentiell ausgewählt werden, und daß zwischen den Messun gen von zwei aufeinanderfolgenden Antennen das Signal der internen Referenzantenne gemessen wird, um eine Probe aus dem Signal der Referenzantenne N so schnell wie möglich nach jeder Messung der anderen Antennen 1 bis n-1 zu erhalten. Eine derartige Näherung minimiert den Phasenfehler, der aus der Drift der Ausbreitungszeit und ähnlichen Faktoren ent steht. Daher folgt die Meßsequenz der Reihenfolge 1, n, 2, n, 3, n, ..., und die Messungen werden mehrmals in Aufeinan derfolge wiederholt. Die Meßsequenz wird zum Beispiel in Intervallen von einer Sekunde wiederholt, und das Ergebnis wird als ein Mittelwert von mehreren Meßzyklen erhalten. Die Messung einer einzelnen Antenne nimmt ungefähr 2,5 Millise kunden in Anspruch.

Der Steuer- und Meßprozeß 60 konvertiert die Phasen- und Amplitudenmeßergebnisse in digitale Daten und führt die Daten über einen seriellen Bus 62 zu einem Winkelrechnerpro zessor 61, der den Azimut und die Höhe aus den Daten errech net.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des Azimuts und der Höhe eines Objektes. Die Vorrichtung umfaßt eine Plattform 1; eine Grundplatte 2, welche in einer Ebene rotierbar an der Kon struktion der Plattform 1 befestigt ist, die im wesentlichen horizontal ist; einen Sensorrahmen 3, welcher an der Grund platte 2 befestigt ist; wenigstens drei Sensorelemente 4, 5, 6, welche an dem Sensorrahmen befestigt sind; und eine Elek tronikeinheit zum Steuern der Sensorelemente 4, 5, 6, welche geeignet ist, die durch die Sensoren empfangenen Signale zu verarbeiten. Erfindungsgemäß ist der Sensorrahmen 3 fest mit der Grundplatte 2 verbunden und die Richtungsform der Sen sorelemente 4, 5, 6 ist derartig, daß sie die gesamte inter essierende Winkelspannweite in der Höhenebene bedecken, wäh rend die Form einen erheblich schmaleren Winkel in der Azi mutebene bedeckt. Der erfindungsgemäße Peilempfänger ver liert das Bewegungen durchführende beobachtete Objekt insbe sondere in der Höhenebene nicht leicht.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen des Azimuts und der Höhe eines Objektes, wobei die Vorrichtung beinhaltet:
eine Plattform (1)
eine im wesentlichen horizontale Grundplatte (2), wel che an der Plattformkonstruktion (1) in einer Ebene rotierbar angeordnet ist,
einen Sensorrahmen (3), welcher auf der Grundplatte (2) angeordnet ist,
wenigstens drei Sensorelemente (4, 5, 6), welche an dem Sensorrahmen (3) angeordnet sind, und
eine Elektronikeinheit zum Steuern der Sensorelemente (4, 5, 6), die in der Lage ist, die durch die Sensoren empfangenen Signale zu verarbeiten, dadurch gekenn zeichnet, daß
der Sensorrahmen (3) fest mit der Grundplatte (2) ver bunden ist, und
die Richtungsform der Sensorelemente (4, 5, 6) derartig ist, daß sie die gesamte interessierende Winkelspann weite in der Höhenebene bedecken, während die Form einen erheblich engeren Bereich in der Azimutebene bedeckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorrahmen (3) nach hinten verkippt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorrahmen (3) nach hinten um 40° bis 50°, vorzugsweise um ungefähr 45° verkippt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (4, 5, 6) durch ihre Strahlformen in zwei grundsätzlich ver schiedene Typen klassifizierbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorrahmen (3) V-för mig ist und eine symmetrische Konstruktion bezüglich der Azimutkoordinate aufweist, und die Sensorelemente (5) mit der engsten Strahlform an dem oberen Teil des Sensorkörpers (3) befestigt sind, während die Sensor elemente mit der breitesten Strahlform an dem unteren Teil des Sensorrahmens (3) befestigt sind, so daß die Sensorelemente (5) mit der engeren Strahlform ausge richtet sind, um dichter an den Horizont zu zielen als die Sensorelemente (4, 6) mit der breiteren Strahl form.
6. Verfahren zum Messen des Azimuts und der Höhe eines Objektes mittels eines Peilempfängers, welcher wenig stens drei Sensorelemente (4, 5, 6) aufweist, wobei in dem Verfahren
die Sensorelemente (4, 5, 6) in der Azimutebene gedreht werden,
die Feldstärke mittels den Sensorelementen (4, 5, 6) gemessen wird, und
die Sensorelemente (4, 5, 6) in die Richtung der maxi malen Feldstärke gerichtet werden, um einen groben Wert für den Azimut des Objektes zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß der exakte Wert des Azimutwinkels mittels der Messung von Phasendifferenzmessungen festgelegt wird, wenigstens zwei Sensortypen (4, 6 und 5) mit grundsätz lich verschiedenen Strahlformen bei der Messung der Höhenkoordinate verwendet werden, das Verhältnis der Feldstärkensignale der verschiedenen Signale (4, 6 und 5) gemessen und verarbeitet wird, um einen groben Wert für den Höhenwinkel zu bestimmen, und der Phasenunterschied der Sensorsignale in der vertika len Ebene gemessen wird und rechnergestützt verarbeitet wird, um die Höhe mit einer höheren Auflösung festzule gen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung in der Höhenebene Sensorelemente (5) mit einer engen Strahlform verwendet, die an dem oberen Teil des Sensorrahmens (3) befestigt sind und Sensor elemente (4, 6) mit einer breiteren Strahlform, die an dem tieferen Teil des Sensorrahmens (3) befestigt sind, so daß die Sensorelemente (5) mit der engeren Strahl form derartig ausgerichtet sind, daß sie dichter an den Horizont zielen als die Sensorelemente (4, 6) mit der breiteren Strahlform.