DE4223652C2 - Verfahren und Anordnung für die Auswertung von Peilsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung für die Auswertung von Peilsignalen nach dem jeweiligen Oberbegriff der Ansprüche 1 und 4.

Bei einem solchen Verfahren werden im allgemeinen aus den Peilkomponenten U_x = A · sin α und U_y = A · cos α zweier Peilkanäle x und y (α = Peilwinkel) nach der Umsetzung aus der hochfrequenten in die zwischenfrequente Lage n Meßproben U_xi = A_i · sin α_i und U_yi = A_i · cos_{α i} (i = 1 bis n; α_i = Momentanpeilwinkel) entnommen und digitalisiert. Dazu werden die Meßproben von n-Peilkomponenten zunächst von ihren Amplituden befreit, d. h. normiert (x_i, y_i), und darauf wird ein Mittelwert nach folgenden Gleichungen berechnet:
Mittelwert der normierten x_i-Komponenten:

Mittelwert der normierten y_i-Komponenten:

Der Mittelwert des Peilwinkels ergibt sich daraus zu:

Der aus dieser Mittelwertbildung abgeleitete Peilwinkel ist bei einer gleichmäßigen Verteilung der Momentanpeilwin­ kel, z. B. bei nichtkorrelierten Signalen wie Empfängerrau­ schen, vollkommen unbestimmt, d. h. es ergeben sich in diesem Fall Peilwinkel, die gleichmäßig zwischen 0° und 360° ver­ teilt sind.

Zur eindeutigen automatischen Auswertung eines Peilsignals ist es daher erforderlich, daß zunächst festgestellt wird, ob es sich bei dem empfangenen Signal, das im allgemeinen ein Signalgemisch aus Nachrichten- und Störsignal bzw. Rauschsignal ist, um ein "peilwürdiges" Signal oder ledig­ lich um ein Störsignal handelt.

Es ist ein Verfahren (Squelch-Verfahren) bekannt, das ledig­ lich die Amplitude eines demodulierten Empfangssignals mit einer unteren Grenze, beispielsweise mit dem Eigenrauschen des Empfängers, vergleicht. Dieses Verfahren ist jedoch un­ zuverlässig, da als Nachrichten- oder Peilsignal jedes Signal ausgewiesen wird, dessen Amplitude die oben genannte Grenze überschreitet. Irrelevante Signale können somit die automatische Auswerteprozedur für die Peilwinkelermittlung verfälschen und unbrauchbare Peilergebnisse liefern.

Bekannt sind auch Verfahren zur Detektion von Signalen, die auf der Korrelationsanalyse beruhen (DE-A-32 11 104, DE-B-22 33 976). Diese Verfahren analysieren, wie prinzi­ piell auch das oben genannte Squelch-Verfahren, das vom Empfänger demodulierte NF-Signal. Sie untersuchen ein empfangenes Signal nach dem Vorhandensein einer Information. Dabei wird weißes Rauschen oder auf das Empfangsband ein­ geengtes Rauschen, aber auch ein periodisches Signal, bei­ spielsweise ein Dauerton oder ein Gemisch solcher Dauertöne, als nicht vorhandene Information ausgewiesen. Damit würden Signale, die mit einem Dauerton moduliert sind und durchaus "peilwürdig" sein können, unterdrückt werden.

Die DE-AS 26 53 969 betrifft ein Verfahren und Anordnungen zur automatischen Bestimmung von Peilwinkeln, insbesondere bei Zwei- Wellen-Einfall. Dabei soll auch bei einem Mehrwelleneinfall der Peilwinkel der Welle mit der größten Signalamplitude bestimmt werden. Das wird durch die Bestimmung des Mittelwertes der momentanen Peilwinkel über die Mittelwerte der normierten Peilkomponenten erreicht, da dieser Mittelwert mit dem Einfall­ winkel der Welle mit der größeren Amplitude übereinstimmt und die Einflüsse des Rauschens begrenzt werden. Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus.

Aus der DE-OS-22 50 305 ist eine Anordnung zur Digitalisierung der Peilspannungen eines mehrkanaligen Peilgeräts bekannt. Es sind Abtast- und Halteschaltungen vorgesehen, die in bestimmten Zeitbereichen Spannungen der Peilkanäle abfragen und über A/D- Wandler in digitale Werte umsetzen.

Die DE-A1-29 25 657 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Er­ mittlung des Tangenswerts eines Peilwinkels aus den Peilkompo­ nenten, die binär codiert vorliegen, wobei eine Größenver­ gleichsschaltung entscheidet, welche der beiden Peilkomponenten die betragsgrößere ist.

Die DE-AS-26 17 833 betrifft eine Einrichtung zur Fernübertra­ gung und -auswertung von Peildaten. Dabei sind Mittel vorgese­ hen, die Ellipsenscheitelwerte einer Peilellipse und einen einer Trübung proportionalen Spannungswert zu bestimmen.

Die DE-OS-22 02 517 betrifft ein Verfahren zur Peilung perio­ disch wiederkehrender impulsförmiger Signale. Die dort be­ schriebene Bildung eines Summenvektors bezieht sich auf die Antennenspannungen von auf einem Kreis angeordneten, gerichteten Einzelantennen und stellt in bezug auf eine Referenzrichtung die Peilrichtung dar. Ein Unterschied bei der Erfindung besteht je­ doch darin, daß diese momentane Peilanzeige nicht für die Pei­ lung selbst sondern für die weiteren Schritte zur Bestimmung der Peilwürdigkeit des empfangenen Signals herangezogen wird.

Die DE-C2-27 43 286 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Peilen. Dabei wird die Gültigkeit einer Pei­ lung durch einen vorgegebenen maximalen Wert der Peilschwankung festgelegt.

Die DE-AS-30 35 757 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Extrahieren von Zielsignalen. Bei diesem Verfahren werden Radarsignale zur Richtungsortung mit Hilfe einer Lei­ stungsmessung und einer Störleistungsschätzung extrahiert. Dabei wird eine bestimmte Methode der Normierung verwendet. Ein Nor­ mieren von Peilkomponenten, und die Bildung eines Summenvektors sind nicht vorgesehen.

Die DE-C2-34 28 726 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Funkpeilung bei kohärentem Mehrwellen­ empfang. Es wird eine Möglichkeit beschrieben, bei automatischen Peilauswertesystemen Fehler durch kohärenten Mehrwellenempfang auszuschließen oder zu minimieren, indem bestimmte Phasenfunk­ tionen des Antennensystems errechnet und mit zuvor ermittelten abgespeicherten Phasenfunktionen eines ebenen Welleneinfalls einer unbestimmten Peilung verglichen werden. Nach Maßgabe einer vorgegebenen Toleranzschwelle führt dieses Verfahren zu der Ent­ scheidung, ob ein Signal peilwürdig ist oder nicht.

Die DE-C2-31 18 767 betrifft ein Verfahren zur fehlerarmen Peil­ winkelermittlung. Dabei werden Fehler einer Peilwinkelermittlung dadurch vermindert, daß die zur Peilwinkelberechnung benutzte Mittelwertbildung zuvor auf die Zuverlässigkeit der Einzelpei­ lung überprüft wird. Das Zuverlässigkeitskriterium der Einzel­ peilungen wird davon abgeleitet, ob ihre Empfangssignalamplitu­ den in ein vorgegebenes Toleranzfeld um den aus einer bestimmten Anzahl von Einzelsignalamplituden gebildeten Mittelwert liegen. Die außerhalb des Toleranzfeldes liegenden Einzelsignalamplitu­ den bleiben bei der darauffolgenden Peilwinkelberechnung durch Mittelwertbildung unberücksichtigt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung für die Auswertung von Peilsignalen in der Navigation der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die ein verbessertes Entscheidungskriterium für eine gesicherte, automatische Bestimmung von Peilwinkeln liefern und verhindern, daß irrelevante Signale eine Peil­ winkelbestimmung verfälschen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen 1 und 4 dazu angegebenen Merkmale.

Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von folgen­ den Grundgedanken aus.

Bei der Signaldetektion werden die normierten Peilkomponen­ ten x_i, y_i herangezogen, um daraus ein Entscheidungskrite­ rium für die Peilwinkelbestimmung abzuleiten. Mit den nor­ mierten Peilkomponenten läßt sich ein Summenvektor wie folgt bilden:

oder der Betrag

Bei der Darstellung der normierten Peilkomponenten x_i, y_i in einem kartesischen Koordinatensystem erscheint der Summen­ vektor als momentane Peilung des empfangenen Signals und entspricht, angezeigt auf einer Braun′schen Röhre, dem mo­ mentanen Peilbild. In einem weiteren Schritt wird der Sum­ menvektor auf die maximal mögliche Länge L_max (im allge­ meinen der Radius der Anzeige) normiert. Der normierte Be­ trag des Summenvektors Q = L_Σ/L_max liefert dabei eine Aus­ sage über die Qualität der Peilung und kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen (Qualitätszahl). Als Entscheidungskriterium für die Bestimmung des Peilwinkels kann nunmehr diese Quali­ tätszahl herangezogen werden, indem eine untere Schwelle Q_min festgelegt wird. Wird diese untere Schwelle über­ schritten, so ist ein "peilwürdiges" Signal vorhanden, und die oben beschriebene Bestimmung des Mittelwertes des Peil­ winkels kann als unverfälschte Mittelwertberechnung betrach­ tet und gegebenenfalls einer Ortungsberechnung zugeführt werden.

Der Vorteil dieser Signaldetektion liegt darin, daß die Peilwinkelbestimmung von der Modulation eines empfangenen Signals unabhängig ist, da das Peilsignal selbst und nicht das durch Demodulation gewonnenen NF-Signal ausgewertet wird. Ein weiterer Vorteil gegenüber bekannten Signaldetek­ tionen besteht darin, daß durch die Bildung eines normierten Summenvektors eine Qualitätsaussage über das empfangene Signal gemacht werden kann, die dem bekannten Gütekriterium für Peilsignale entspricht. So kann die Peilgüte in Form einer Qualitätszahl oder Anzeige beispielsweise linear oder logarithmisch angegeben werden.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung des Summenvektors eines ungestört empfangenen Signals,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Summenvektors unter­ halb der Grenzempfindlichkeit des Empfängers,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Summenvektors empfangenen Signals mit einem Rauschanteil und

Fig. 4 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens.

Zunächst werden zwei Extremfälle dargestellt, nämlich das Peilergebnis eines ungestört empfangenen Signals, dessen Amplitude weit über dem Empfängerrauschen (Grenzempfindlich­ keit) liegt (Fig. 1) und das Peilergebnis, das sich ergibt, wenn kein Nutzsignal vorhanden ist bzw. das Nutzsignal unter der Grenzempfindlichkeit des Empfängers liegt (Fig. 2). Bei diesem Beispiel ist die Anzahl der Meßproben n = 7 und die Aufteilung des Koordinatensystems linear. Die Bestimmung des Quadranten und damit die seitenrichtige Peilanzeige erfolgt in bekannter Weise unabhängig von diesem Verfahren und braucht deshalb nicht weiter berücksichtigt zu werden.

Für jede Meßprobe i werden die Komponenten x_i und y_i ermit­ telt und daraus wie oben angegeben, der Summenvektor ge­ bildet.

Für den ungestörten idealen Fall nach Fig. 1 ergibt die Auf­ summierung der sieben, in gleiche Richtung weisenden Vekto­ ren einen Summenvektor mit maximaler Länge. Die Güte der Peilung wird durch die Qualitätszahl

bestimmt.

Der Summenvektor in Fig. 2 wird wie bei Fig. 1 ermittelt. Da die einzelnen Vektoren entsprechend den momentanen Peilungen keine Vorzugsrichtung besitzen, kann der berechnete Summen­ vektor nicht größer als der Radius des kleinsten Kreises werden. Die Qualitätszahl nimmt in diesem Fall höchstens den Wert

an.

Als untere Schwelle Q_min könnte beispielsweise dieser Wert (oder etwas darüber) festgelegt werden.

Fig. 3 zeigt eine verrauschte Peilung oberhalb der Grenz­ empfindlichkeit. Die Aufsummierung der Komponenten x_i, y_i bzw. der Einzelvektoren zum Summenvektor ergibt, je nach dem Signal-/Rauschverhältnis, eine Qualitätszahl zwischen 0,14 und 1. Im gewählten Beispiel ist die Qualitätszahl 0,74. Der Summenvektor hat einen Betrag von 5,15, der aus den Kompo­ nenten Σ y_i = 2,5 und Σ x_i = 4,5 gemäß Gleichungen (4) oder (5) gebildet wird. Daraus ergibt sich

Fig. 4 stellt eine mögliche Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die Peilkomponenten U_x und U_y zweier Peilkanäle 1 und 2 werden in ihre normierten Kom­ ponenten x_i und y_i umgesetzt. Liegen die Peilkomponenten nicht in kartesischer Form vor, so lassen sich die normier­ ten Peilkomponenten auch durch Koordinatentransformation in der Koordinatentransformationseinrichtung 3 aus der polaren Form gewinnen. In einem Summierer 4 wird aus den normierten Peilkomponenten ein Summenvektor gebildet, der auf eine bestimmte Länge L_max in einem Normierer 5 normiert wird. Der sich daraus ergebende normierte Wert stellt die Qualitäts­ zahl Q dar. Diese wird in einem Komparator 6 mit einem vor­ gegebenen Wert Q_min verglichen. Das Resultat des Vergleichs liefert eine Aussage, ob die gleichzeitig durchgeführte automatische Peilwinkelbestimmung als gesichert und unver­ fälscht angesehen werden kann oder ob sie unbrauchbar ist.

Durch eine geeignete Anzeige, z. B. mittels einer Braun′schen Röhre, wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt, können der gemittelte Peilwinkel und die Qualitätszahl gleichzeitig op­ tisch wahrgenommen werden, nämlich der gemittelte Peilwinkel als Richtung des Zeigers und die Qualitätszahl als Länge des Zeigers.

Claims (6)

1. Verfahren für die Auswertung von Peilsignalen in der Navigation und zur Ableitung eines Entscheidungskriteriums für eine gesi­ cherte, automatische Peilwinkelbestimmung, bei welchem das

• a) Ermitteln und Normieren der Peilkomponenten der Peilsignale hin­ sichtlich ihrer Amplitude als normierte Peilkompo­ nenten (x_i und y_i), durchgeführt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß anschließend das
• b) Bilden des Betrages eines Summenvektors aus den normierten Peilkomponenten (x_i, y_i),
• c) Normieren des Betrages des Summenvektors mit Bezug auf einen vorgegebenen Maximalwert des Betrages L_max zu einer Qualitätszahl Q = ||/L_max, und
• d) Vergleichen der Qualitätszahl (Q) mit einer vorgege­ benen Zahl (Q_min), die die untere Grenze der gesi­ cherten, automatischen Peilwinkelbestimmung dar­ stellt, erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die normierten Peilkomponenten (x_i und y_i) in Peilkanä­ len (1 und 2) aus in kartesischer Form vorliegenden Peilkomponenten (U_x und U_y) gewonnen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die normierten Peilkomponenten (x_i und y_i) durch Koordi­ natentransformation aus in polarer Form vorliegenden Peilkomponenten gewonnen werden.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Peilkanälen (1, 2), dadurch gekennzeichnet, daß ein Summie­ rer (4), der den Betrag des Summenvektors () bildet, ein Normierer (5), der den Betrag des Summenvektors () zu einer Qualitätszahl (Q) normiert, und ein Komparator (6), der die Qualitätszahl (Q) mit einer vorgegebenen Zahl (Q_min) vergleicht, vorgesehen sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch nur einen Peillkanal und eine Koordina­ tentransformationseinrichtung (3), die die in polarer Form vorliegenden Peilkomponenten in die normierten Peilkomponenten (x_i, y_i) umformt.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Anzeigeein­ richtung zur graphischen Darstellung des Summenvektors.