DE4317242A1 - Peil- und Ortungsanlage für Kurzzeitsendungen und zugehöriges Verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrkanalpeiler und ein Verfahren zur Erfassung und Peilung von Kurzzeitsignalen, insbesondere von in einem größeren Frequenzteil­ bereich auftretenden Frequenzsprungsendungen. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist vom Peilverfahren weitgehend unabhängig und kann daher prinzipiell immer angewandt werden.

Bekanntlich sind Kurzzeitsendungen, wie beispielsweise Frequenzsprung­ verfahren oder Burstsendungen mit diskret abstimmbaren Empfangsein­ richtungen so gut wie nicht erfaß- und damit auch nicht peilbar.

Die Erfassungswahrscheinlichkeit läßt sich steigern, wenn man den interessierenden Frequenzbereich immer wieder erneut mit einer sich stetig ändernden Frequenzabstimmung periodisch absucht (Scan-Verfah­ ren) [1]. Sie wird für die Entdeckung frequenzspringender Sendungen umso größer, je schneller der Suchlauf durchgeführt wird. Dabei besteht aus physikalischen Gründen die zwingende Forderung, daß die Verweilzeit innerhalb der Filterbandbreite größer oder gleich der sich aus der Filterbandbreite ergebenden Einschwingzeit sein muß. Diese Einschwingzeit entspricht etwa dem Reziprokwert der Selektionsband­ breite. Bei einer Selektionsbandbreite von 10 kHz muß somit die Geschwindigkeit der Frequenzänderung geringer als 100 MHz/sec sein.

(10 kHz/100 µsec = < 100 MHz/1 sec)

Da die Wahrscheinlichkeit der Erfassung vom Verhältnis der jeweils kurzen Sendedauer (dwell time) zur Dauer des Gesamtsuchlaufs abhängt, wird ein einzelner Sprung nur dann mit Sicherheit erfaßt, wenn die Verweilzeit (auf einer Frequenz) größer als die Suchdauer ist, wenn also während der jeweiligen Verweilzeit alle in Frage kommenden Frequenzen überprüft werden. Andernfalls muß eben mehrfach gesucht werden. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, daß der gerä­ temäßige Aufwand vergleichsweise gering ist.

Außerordentlich hohe Erfassungswahrscheinlichkeiten lassen sich dage­ gen mit Breitbandempfangsgeräten erzielen, die auf der Basis der schnellen Fourier-Transformation (FFT) oder der Wellendigitalfilter arbeiten. Wenn der Empfänger das gesamte zu beobachtende Band gleich­ zeitig verarbeiten würde, wäre sie bereits für einen Einzelsprung 100%. Die Signalverarbeitung erfolgt also zeitlich parallel. Vor­ schläge hierzu finden sich in [3], [4] und [5].

Die Problematik derartiger Einrichtungen liegt darin, daß einerseits die Abtastgeschwindigkeit des zu verarbeitenden Signals mindestens etwa 2 bis 3 mal so hoch wie die gewünschte Gesamtbandbreite sein muß (für 100 kHz Bandbreite also 200 bis 300 kHz Abtastrate), und daß andererseits die Auflösung bei der Quantisierung einen ausreichenden Dynamik-Bereich gestattet. Da sich bei der Quantisierung für jedes Bit eine Amplitudenstufung von 6 dB ergibt, müßten für einen Dynamikbe­ reich von 80 dB bei der Analogdigitalwandlung mindestens 14 Bit Auflö­ sung vorgesehen werden.

Die Anforderungen an die Leistung des eingesetzten Rechenwerks steigen überproportional mit dem Produkt aus Abtastrate und Auflösung bei der Quantisierung. Das Verfahren ist also einerseits außerordentlich effi­ zient, erfordert aber andererseits hohen technischen Aufwand.

Beim vorher erwähnten Scan-Betrieb erfolgt die Signalverarbeitung sequentiell. Die erforderliche Verarbeitungszeit nimmt dabei umgekehrt proportional mit dem Quadrat der Breite des zu beobachtenden Frequenz­ bereichs zu. Die Darstellung in Fig. 1 zeigt den für Scan- und FFT- Verfahren mindestens erforderlichen Zeitbedarf in Abhängigkeit von der Auflösungsbandbreite. Wie man sieht, ist der Unterschied im Zeitbedarf beider Verfahren umso geringer, je höher die Selektionsbandbreite angesetzt sein darf. Daraus kann zunächst der Schluß gezogen werden, daß das Scan-Verfahren im VHF-/UHF-Bereich, wo üblicherweise mit größerer Selektionsbandbreite gearbeitet wird, durchaus interessant ist, wie ja auch aus [1] abgeleitet werden kann.

Aus der Patentschrift DE 34 32 357 [2] ist ein weiteres Verfahren bekannt. Hierbei wird dem Empfangssignal ein Kammspektrum aufgemischt, wobei das dadurch erzeugte Zwischenfrequenzsignal dem Peilempfänger zugeführt wird. Bei diesem Verfahren ist ein äquidistanter Frequenzabstand zwischen jeweils benachbarten Spektrallinien vorgesehen. Das Spektrum soll dabei auf den erwarteten Kanalabstand von z. B. 25 kHz einge­ stellt werden. Gegebenenfalls ist allerdings auch vorgesehen, das Linienspektrum dem Frequenzraster des frequenzspringenden Senders anzupassen. Es wird auch vorgeschlagen, gegebenenfalls versuchsweise nacheinander mit unterschiedlichen Frequenzrastern zu arbeiten. Fest­ sender sollen dabei, um einwandfreie Peilungen von frequenzspringenden Sendern zu erhalten, unterdrückt werden. Offensichtlich ist bei diesem Verfahren die Wahrscheinlichkeit, eine Peilung zu erhalten, in der Tat erhöht. Es ist kein Hinweis erkennbar, wie etwa eine frequenz- oder senderorientierte Zuordnung, beispielsweise in der Zusammenarbeit meh­ rerer Peilstationen, vorgenommen werden soll. Es darf durchaus in Frage gestellt werden, ob sich bei dieser Vorgehensweise beim gleich­ zeitigen Auftreten mehrerer frequenzspringender Sender einigermaßen sinnvolle Ortungsergebnisse erreichen lassen.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen peilenden Empfänger und ein Verfahren zu schaffen, das im Vergleich zu konven­ tionellen Geräten bzw. das im Vergleich zu bekannten Verfah­ ren eine erheblich höhere Erfassungswahrscheinlichkeit auf­ weist, dabei gleichzeitig gegenüber FFT-Lösungen bei deut­ lich geringerem technischen Aufwand die volle Dynamik, wie sonst üblich, gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Pa­ tentansprüche.

Dabei wird der Suchbetrieb nach dem Scan-Verfahren ausgenutzt, wobei jedoch der mehrkanalige Überlagerungsempfänger entgegen der sonst üblichen Konzeption bewußt auf Mehrempfangsstellen ausgelegt ist. Da­ bei wird zunächst gewollt und ausdrücklich zugunsten einer deutlich schnelleren Signalerfassungsgeschwindigkeit und Peilwinkelbestimmung auf eine eindeutige Frequenzzuordnung verzichtet.

Die Bestimmung der Sendefrequenz, die in der einzelnen Peilstelle nur mit einer gewissen Mehrdeutigkeit möglich ist, wird vorzugsweise aus dem Ergebnisvergleich der zwei oder mehr beteiligten Peilstellen vorgenommen. Bei der Zusammenarbeit mehrerer Peilstationen wird eine frequenz- oder senderorientierte Zuordnung vorgenommen.

Bei Empfängern mit tiefliegender Zwischenfrequenz, wenn diese also niedriger als die höchste Empfangsfrequenz ist, werden bisher bekannt­ lich Maßnahmen unternommen, um die sogenannte Spiegelfrequenz zu un­ terdrücken. In diesem Sinne hätte also ein Empfänger mit tiefliegender ZF, bei dem die Spiegelfrequenzunterdrückung ausdrücklich nicht vorge­ nommen wird, bereits die doppelte Erfassungswahrscheinlichkeit. Ein auf 80 MHz sendendes Signal würde bei den Oszillatorfrequenzen 80 + ZF und 80 - Zf empfangen werden (Fig. 2a).

Besonders bevorzugt werden mindestens zwei Zwischenfrequen­ zen verwendet.

Wenn man, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, insgesamt beispielsweise drei unterschiedliche gleichzeitig wirkende Zwischenfrequenzen von beispielsweise 0,5, 2 und 5 MHz vorsieht, ergibt sich für einen einzi­ gen Suchlauf im Vergleich zum konventionellen Suchempfänger eine 6fach vergrößerte Erfassungswahrscheinlichkeit (Fig. 2b).

Mit einer Anzeigeeinrichtung, die den Einfallswinkel des Signals über der (Oszillator-)Frequenz anzeigt, werden bei einem einzigen Suchlauf bei einem Dauersignal (konstanter Träger; CW) von einem Sender, in diesem Fall 6, auf einer Winkellinie liegende Punkte in Form einer Perlenschnur ange­ zeigt, deren Abstände untereinander sich entsprechend der gewählten Zwischenfrequenzen ergeben.

Fig. 3 zeigt die Darstellung, die sich für diesen Fall ergibt. Der Einfachheit halber wurde angenommen, daß nur eine einfache Frequenzum­ setzung stattfindet und beispielsweise drei Zwischenfrequenzen, näm­ lich 0,5, 2,0 und 5,0 MHz vorgesehen sind. Ein bei 80 MHz arbeitender Sender würde dabei jeweils eine Anzeige erzeugen, wenn bei wobbelnder Oszillatorfrequenz die Frequenzen 75, 78, 79,5, 80,5, 82 und 85 MHz durchfahren werden.

Bei einem Kurzzeitsignal, das zufällig erfaßt worden war, wird mögli­ cherweise nur ein einziger Punkt mit zugeordnetem Peilwinkel ausgewie­ sen, aus dem allerdings zunächst nicht abgeleitet werden kann, auf welcher Nominalfrequenz das erfaßte Signal gesendet wurde. Allerdings können die aufgrund der ZF-Lagen möglichen Sendefrequenzen angegeben werden. Diese Gruppe der möglichen Sendefrequenzen wird für jedes erfaßte Signal bestimmt und gespeichert.

Eine zweite Peilstation, die ebenfalls diesen frequenzspringenden Sen­ der zufällig einmal erfaßt hat, würde ebenfalls einen Peilwinkel aus­ weisen. Auch hier wird die Gruppe der möglichen Sendefre­ quenzen bestimmt und gespeichert. Im allgemeinen Fall werden die von den beiden Peilern ange­ zeigten Punkte nicht bei der gleichen Frequenz auftreten, da ja die Suchläufe bei beiden Peilgeräten nicht in jedem Augenblick auf die gleiche Frequenz eingestellt sind. Wenn man der Einfachheit halber unterstellt, daß zunächst nur ein einziger frequenzspringender Sender vorhanden ist, ist die Position ohne weiteres durch Triangulation be­ stimmbar. Und da die möglichen Zwischenfrequenzen, wie auch die Dop­ peldeutigkeiten, bekannt sind, kann mindestens nach einigen Suchläufen durch Ergebnisvergleich auch die aktuelle Sendefrequenz angegeben wer­ den. Sie muß, um im Beispiel zu bleiben, entweder 5 oder 2 oder 0,5 MHz über oder unter der Oszillatorfrequenz liegen. Für das Beispiel wurden, entsprechend dem erfindungsgemäßen Vorschlag bewußt, ungleich­ mäßige Frequenzabstände zwischen den Zwischenfrequenzen gewählt. Wenn man die gleichen Überlegungen für alle beteiligten Peiler anstellt, läßt sich die eigentliche Sendefrequenz durch Vergleich der Ergebnisse bzw. der Gruppen der möglichen Sendefrequenzen immer heraus­ finden, wie am folgenden Beispiel dargestellt werden soll.

Für Fig. 4 wurde angenommen, daß ein frequenzspringender Sender von zwei Peilstationen erfaßt wird. In jeder einzelnen Peilstation werden sich üblicherweise (wenn die Sendestelle nicht zufällig auf der Linie liegt, die durch beide Peilstationen geht), in jeder der beteiligten Stationen ein anderer Peilwinkel ergeben. In Anlehnung an Fig. 3 hat man sich vorzustellen, daß in Fig. 4 beide "Peilbilder" überlagert sind.

Weil die Suchoszillatoren in beiden Peilstationen unterschiedlich lau­ fen, tritt der hier beispielsweise gezeichnete Fall ein, daß nämlich das auf einer Frequenz von 80 MHz gesendete Signal in der einen Station bei der Oszillatorfrequenz von 79,5 MHz und in der anderen bei 82 MHz beobachtet wird.

Wegen der (gewollten) Mehrdeutigkeit in der Frequenzerfassung ergibt sich dabei eine Situation, wie sie in der in Fig. 5 gezeigten Tabelle dargestellt ist. Für die festgestellten Oszillatorfrequenzen wurden dabei die möglichen Empfangsfrequenzen berechnet. Station A hatte das Signal bei einer Oszillatorfrequenz von 82 MHz erfaßt. Wegen der bekannten Mehrdeutigkeiten kann das Sendesignal nur auf einer der sechs angegebenen Frequenzen aufgetreten sein. Eine entsprechende Situation ergibt sich auch für die Peilstelle B. Wie aus der Tabelle zu ersehen ist, haben beide Peilstationen nur für die Frequenz von 80 MHz eine Übereinstimmung. Also kann nur das die tatsächliche Sendefre­ quenz sein.

Ohne weitere Erklärung ist aus der Tabelle abzuleiten, warum eine äquidistante Frequenzdifferenz zwischen den zur Anwendung gebrachten Zwischenfrequenzen unzweckmäßig ist.

Der Einfachheit halber wurde für dieses Beispiel die Einfachüberlage­ rung zur Erklärung des Verfahrens herangezogen. Sie bietet sich als einfache und besonders wirtschaftliche Lösung an. Es ist selbstverständlich, daß auch bei Mehrfachüberlagerung in entsprechen­ der Weise vorgegangen werden kann.

Statt mehrere Zwischenfrequenzen vorzusehen, läßt sich eine derartige ausdrücklich gewollte Mehrfachempfangsmöglichkeit auch dadurch errei­ chen, daß man zwar nur eine ZF vorsieht, dem Überlagerungsoszillator aber ein Spektrum mit entsprechenden Nebenlinien aufprägt, so daß man zu vergleichbaren Ergebnissen kommt (Fig. 6).

Bei einer entsprechenden Abstufung dieser Nebenlinien ergeben sich dann für Dauerträger Anzeigebilder wie beispielsweise in Fig. 7 darge­ stellt. Die mit einem schmalen Rechteck markierten Frequenzen sind die eigentlichen Sendefrequenzen. Wegen des Oszillatorspektrums würden sie allerdings (mehrfach) bei den rechteckig gekennzeichneten Oszillator­ frequenzen am Überlagerungsempfänger auftreten.

Schließlich ist es, um ein größeres Ensemble von Eingangsdaten zu er­ halten, auch denkbar, die beiden Verfahren zu kombinieren, um eine im Hinblick auf Aufwand und Auswertung optimale Einrichtung zu erhalten.

Die Peilung wird vorzugsweise mit einem Mehrkanalempfänger mit mindestens 2, besser 3 oder 4 parallel laufenden Empfangskanälen durchgeführt, bei dem der Gleichlauf bezüg­ lich Amplitude und Phase bereits aufgrund der einhaltbaren Fertigungstoleranzen sichergestellt ist, oder vorzugsweise durch eine vorherige Eichphase oder aber eine nach der Signalaufnahme durchgeführte Korrektur vorgenommen wird.

Da unterstellt wird, daß die kennzeichnenden Signalgrößen für die vor­ handenen Kanäle nach Amplitude und Phase bzw. nach Real- und Imaginär­ teil in digitaler Form am Ausgang der Empfangskanäle vorliegen, erüb­ rigt sich die Diskussion über das zur Peilwertbestimmung führende Ver­ fahren. So können beispielsweise Peil-Algorithmen für Watson Watt- oder Interferometerfahren oder auch Spektralschätzmethoden angewandt werden.

Bei Horchstellen ist häufig der Aufbau eines eigentlichen Peilanten­ nensystems nicht möglich. Da die Erfindung im wesentlichen darauf ba­ siert, als zusätzlichen "Sortier-"Parameter die Einfallsrichtung der Welle vorteilhaft auszunutzen, kann das Verfahren dennoch entsprechend auch auf Horchstellen angewandt werden.

Bei diesen kommt es lediglich darauf an, den Mehrkanalempfänger zum "sehenden" Empfänger zu machen, bei dem die Einfallsrichtung zwar mit guter Winkelauflösung und auf jeden Fall reproduzierbar, aber sonst sehr ungenau sein darf. Die Laufzeitunterschiede zwischen zwei oder drei Antennen in Verbindung mit dem zwei- oder dreikanalig aufgebauten Empfänger tragen dabei zur Lösung der erfindungsgemäß aufgegriffenen Aufgaben bei.

Angezogene Literaturstellen

[1] Deane, P. "Interception and Location of Frequency Hopping Radios", 1987 Febr. 53-56, Journ. Electronic Defence
[2] Mankopf, M., Prof. Dr.-Ing. "Verfahren und Vorrichtung zum Empfang und zur Peilung von nach dem Frequenzsprungverfahren ar­ beitenden Sendern", 1984 Patentschrift DE 34 32 357 C1
[3] Hißen, H. Dr. Ing. et al., "Digitaler Peilempfänger mit Spek­ trumsauswertung", 1972 Auslegeschrift 22 42 790
[4] Moll, H., Dr.-Ing. et al., "Digitaler Such- und Aufklärungs­ empfänger", 1985 Patentschrift DE 35 22 838 C2
[5] Jondral, F., Prof. et al., "Verfahren zur Bestimmung des Peil­ winkels von Empfangssignalen eines mehrkanaligen Peilempfängers und Anordnung zur Ausführung des Verfahrens", 1991 Offenlegungs­ schrift DE 41 30 699 A1

Claims (17)

1. Vorrichtung mit mindestens einem einen Frequenzbereich absuchenden Mehrkanalpeiler vorzugsweise für die Erfassung von Kurzzeitsignalen unter an sich bekannter Ausnut­ zung von Algorithmen für die Peilwertermittlung, beispielsweise für Interferometer-, Watson Watt-, Spektralschätz-, Feldsonden- oder vergleichbare Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß entge­ gen der bisher landläufig üblichen Vorgehensweise bei dem erfin­ dungsgemäß vorgeschlagenen Peiler ausdrücklich Maßnahmen ergrif­ fen werden, einen in der Frequenzzuordnung mehrdeutigen Peiler zu erstellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Mehrdeutigkeiten in einer bestimmten Gesetzmäßig­ keit vorgenommen und in solcher Weise dargestellt werden, daß sie in Zusammenwirkung von vorzugsweise zwei oder mehr Peilstellen durch ent­ sprechende Auswertung aufgehoben werden können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mehrdeutigkeiten durch eine tiefliegende Zwi­ schenfrequenz, bei der zunächst ausdrücklich die Spiegelfrequen­ zunterdrückung nicht vorhanden ist, sichergestellt werden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ausdrücklich mehrere Zwischenfre­ quenzen vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eigentlichen Über­ lagerungsoszillatorfrequenz ein entsprechendes Spektrum aufgeprägt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgenannten Verfahren in Kombi­ nation angewandt werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für dauernd auf einer Festfrequenz arbeitende Sender die möglichen Anzeigen insgesamt oder teilweise unterdrückt werden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage in Verbindung mit den verwendeten Antennen zwar keine geeichte Peilanzeige aufweist, jedoch aufgrund der Laufzeit- oder Phasenun­ terschiede der von den Kanälen gelieferten Signale eine einfallswinkelselektive Zuordnung ermöglicht.

9. Verfahren zum Erfassen und/oder Peilen von Kurzzeit­ signalen mit folgenden Schritten:

• a) Absuchen eines Frequenzbereiches mittels mindestens eines in der Frequenzzuordnung mehrdeutigen Mehrka­ nalpeilers,
• b) Erfassen und Speichern der Frequenzen von beim Absu­ chen gefundenen Signalen,
• c) Bestimmen einer Gruppe von möglichen Sendefrequenzen für jeweils eine der gespeicherten Frequenzen unter Berücksichtigung der Mehrdeutigkeit des Mehrka­ nalpeilers,
• d) Vergleichen von mindestens zwei Gruppen von möglichen Sendefrequenzen, und
• e) Ausgeben der miteinander übereinstimmenden Frequenz der mindestens zwei Gruppen von möglichen Empfangsfre­ quenzen als die Frequenz des zu erfassenden und/oder zu peilenden Kurzzeitsignals.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Bestimmen und Speichern der Einfallswinkel der beim Ab­ suchen gefundenen Signale und Auswählen von mindestens zwei miteinander zu vergleichenden Gruppen von möglichen Empfangsfrequenzen aufgrund der gespeicherten Einfallswin­ kel.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mehrdeutigkeiten in der Frequenzzuordnung entsprechend einem bekannten Frequenzraster festgelegt werden, wobei vorzugsweise die Linien des Frequenzra­ sters unterschiedliche Abstände zueinander haben.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mehrdeutigkeit in der Frequenzzu­ ordnung durch eine tiefliegende Zwischenfrequenz sicher­ gestellt werden, wobei der Mehrkanalpeiler die Spiegel­ frequenzen nicht unterdrückt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens zwei Zwischenfrequenzen vorgesehen sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der eigentlichen Überlagerungsoszilla­ torfrequenz des Mehrkanalpeilers ein Spektrum aufgeprägt ist, das vorzugsweise Frequenzlinien mit voneinander verschiedenen Abständen aufweist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für dauernd auf einer Festfrequenz ar­ beitende Sender die möglichen Anzeigen insgesamt oder teilweise unterdrückt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens zwei mehrdeutige Mehrkanal­ peiler an verschiedenen Orten einen Frequenzbereich ab­ suchen, Frequenzen und Einfallswinkel der beim Absuchen gefundenen Signale speichern und diese an mindestens eine gemeinsame Auswerteeinrichtung liefern, wobei in der Auswerteeinrichtung unter Berücksichtigung der Standorte der Mehrkanalpeiler mindestens zwei miteinan­ der zu vergleichende Gruppen von möglichen Empfangsfre­ quenzen aufgrund der gespeicherten Einfallswinkel ausge­ wählt werden.

17. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 16.