DE4327614A1 - Hyperbelortungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hyperbelortungssystem laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Hyperbelortungssysteme sind besonders genau, weil sich Zeiten und Zeitdifferenzen bei gleicher Präzision mit geringerem Aufwand messen lassen als Eintreffwinkel. Fig. 1 zeigt die Prinzipanordnung eines Hyperbelortungs­ systems bestehend aus drei an verschiedenen Stellen positionierten Meßstellen 1, 2, 3, die über ein Fern­ meldesystem, beispielsweise Fernmeldeleitungen 4, mit einer Auswertzentrale 5 verbunden sind. In den einzelnen Meßstellen wird die Zeitdifferenz gemessen, mit der ein von einem Funksender 6 ausgesendetes Hochfrequenzsignal an den einzelnen Meßstellen einfällt. Aus der Differenz der Eintreffzeiten lassen sich drei Hyperbeln errechnen, in deren Schnittpunkt der Funksender stationiert ist. Dieses auch als TDOA (Time Differenz Of Arrival)-Verfahren bezeichnete Hyperbelortungssystem ist für die Ortung von nicht-kooperativen Funksendern mit beliebigen unbekannten Modulationen nur bedingt geeignet, da die Messung unterschiedlicher Eintreffzeiten eines beliebig modulierten Signals nur durch eine Kreuzkorrelation möglich ist, für die das zu ortende modulierte Signal in seiner ganzen Bandbreite und mit hoher Qualität von den einzelnen Meßstellen zur Auswertzentrale übertragen werden muß. Der hierfür notwendige Aufwand des Fernmelde­ systems wird damit zu groß und kann Dimensionen erreichen, die nicht mehr vertretbar sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Hyperbelortungs­ verfahren der bezeichneten Art zu schaffen, das bei geringst möglichem Aufwand an den Meßstellen und dem Fernmeldesystem auch die genaue Ortung von modulierten Signalen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Hyperbelortungs­ system laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbil­ dungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen System werden die zu ortenden Signale von den einzelnen Meßstellen zur Auswertzentrale nicht mehr vollständig übertragen, sondern in jeder einzelnen Meßstelle erfolgt mittels einer Modulations­ erkennungseinrichtung eine Auswahl von nur wenigen charakteristischen Merkmalen der zu vergleichenden Signale, die dann mit geringer Bandbreite und trotzdem hoher Qualität beispielsweise über übliche Telefonlei­ tungen von den einzelnen Meßstellen zur Auswertzentrale übertragen werden können. Die Einsparung am Aufwand für das zu verwendende Fernmeldesystem ist dabei erheblich. Soll beispielsweise ein VHF-Sender geortet werden, dessen Träger durch ein Digitalsignal mit einer Datenrate von 19,2 kBaud frequenzmoduliert ist, so wäre für eine Kreuzkorrelation nach dem bekannten System zur Übertragung des gesamten modulierten Signals eine Fernmeldeleitung mit einer Bandbreite von mehr als 20 kHz nötig. Eine übliche Telefonleitung wäre hierfür nicht mehr geeignet. Bei dem erfindungsgemäßen System ist der Bandbreitebedarf erheblich geringer, weil sich alle Meßstellen unabhängig voneinander identisch entscheiden würden, bei diesem Signal die Frequenz und die Phase des Datentaktes 19,2 kBaud zu messen und lediglich diese Meßwerte zu über­ mitteln. Die für die Übertragung der Meßwerte benötigte Bandbreite hängt vom Umfang der Meßwerte und von der Meßrate ab. In diesem Beispiel genügen für die Übermittlung der Frequenz in Fließdarstellung 32 Bit, für die Er­ mittlung der Phase bei einer Auflösung von 1/255 genügen 8 Bit, zusammen sind also nur 40 Bit zu übertragen. Wird jede Sekunde nur einmal gemessen, beträgt der Umfang der zur Ortung zu übermittelnden Meßwerte nur 40 Bit/s. Zu diesen eigentlichen Meßdaten kommen zwar noch weitere Daten zum Betrieb der einzelnen Meßstellen hinzu, die jedoch vernachlässigbar sind, die Einsparung gegenüber der bisher erforderlichen breitbandigen Fernmeldeleitung ist jedenfalls erheblich.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß es aus­ reichend ist, nur diejenigen Merkmale von modulierten Signalen, wie sie in der Tabelle nach Fig. 3 für einige spezielle Modulationsarten zusammengestellt sind, von den einzelnen Meßstellen zur Auswertzentrale zu über­ tragen, um daraus eine präzise Beschreibung der Eintreff­ zeit der jeweiligen Signale an den Meßstellen abzuleiten. Dazu ist es nur erforderlich, über eine Modulationser­ kennungseinrichtung jeweils den Typ von Kommunikations­ signal, das zu orten ist, in den einzelnen Meßstellen festzustellen und davon dann im Sinne der Tabelle nach Fig. 3 die für diese Modulationsarten jeweils charakteri­ stischen Signalmerkmale für die Messung der Zeitdifferenz zu bestimmen.

Das erfindungsgemäße Prinzip ist sowohl anwendbar bei reinen Hyperbelortungsverfahren mit mindestens drei an verschiedenen Standorten positionierten Meßstellen, bei denen also in der Auswertzentrale drei Hyperbeln berechnet werden, in deren Schnittpunkt der gesuchte Funksender stationiert ist. Das erfindungsgemäße Prinzip kann jedoch auch bei gemischten Hyperbelortungssystemen angewendet werden, bei denen beispielsweise nur zwei Meßstellen vorgesehen sind, aus deren Meßwerten in der Auswertzen­ trale nur eine einzige Hyperbel als erster geometrischer Ort des Funksenders berechnet wird, die genaue Lage des Funksenders auf dieser einzigen Hyperbel wird durch einen zusätzlichen Hochfrequenzpeiler, beispielsweise eine Dopplerpeiler, bestimmt. Diese Kombination von beliebig vielen Meßstellen eines Hyperbelortungssystems und beliebig vielen zusätzlichen Peilern sind bekannt und auch hierbei kann das erfindungsgemäße Prinzip angewendet werden, wobei es in machen Fällen zweckmäßig sein kann, auch dem Peiler eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Auswahl bestimmter charakteristischer Signalmerkmale zuzuordnen, so daß auch im Peiler nur solche Signale ausgewertet werden, die jeweils die ausgewählten charak­ teristischen Signalmerkmale aufweisen. Auch hierdurch wird eine Reduktion der vom Peiler zur Auswertzentrale zu übertragenden Datenmenge möglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 2 zeigt den Aufbau der einzelnen Meßstellen 1, 2 und 3 des Hyperbelortungssystems nach Fig. 1. Danach besteht jede einzelne Meßstelle aus einem üblichen Empfänger 10 mit Antenne 11, einer Meßeinrichtung 12 zur Bestimmung der Eigenschaften von Funksignalen, einem Klassifikator 13 und einem Speicher 15 zur Speicherung der Angaben im Sinne der Tabelle nach Fig. 3 zur Auswahl der je nach Signaltyp zu messenden und zu meldenden Signalmerkmale und zur Zwischenspeicherung der von der Meßeinrichtung 12 digitalisierten Wellenformen. Die Meßeinrichtung 12 ist an einem oder mehreren Signalaus­ gängen des Empfängers 10 angeschlossen wie z. B. am Zwischenfrequenzausgang, AM-Video oder ZF-Video. Daneben ist in jeder Meßstelle noch ein zusätzlicher GPS (Global Positioning System)-Empfänger 14, (beispielsweise beschrieben in Rudolf Grabau, Technische Aufklärung, Frankh′sche Verlagshandlung, Stuttgart 1989, S. 337 ff. vorgesehen, der als Zeit- und Frequenznormal für jede Meßstelle dient. Die GPS-Empfänger 14 aller Meß­ stellen 1, 2 und 3 empfangen gemeinsam von einem Satel­ liten ausgestrahlte Zeit- und Frequenzsignale, aus denen sie Normalzeit- und Normalfrequenzsignale für den Empfänger 10 und die Einrichtungen 12 und 13 ableiten. Jede Meßstelle ist über eine einfache Fernmeldeleitung 4 mit der Zentrale 5 verbunden, die aus einem Rechner mit einem entsprechenden Hyperbelortungsprogramm besteht.

Für die Ortung eines Funksenders 6, der ein nach einem üblichen Verfahren moduliertes Kommunikationssignal aussendet, werden die Empfänger 10 alle Meßstellen 1, 2 und 3 auf die Trägerfrequenz dieses Funksenders abge­ stimmt. In allen Meßstellen wird dann ein nachfolgend näher beschriebenes Meßprogramm abgearbeitet, das in allen Meßstellen identisch ist, zumindest aber unter vergleichbaren Umständen zu vergleichbaren Ergebnissen führt. Die mit dem Empfängerausgang verbundene Meßein­ richtung 12 digitalisiert die Wellenformen des Signals, speichert diese im Speicher 15 ab und übergibt dem Klassifikator 13 die ermittelten Meßwerte, worauf der Klassifikator 13 auf eine an sich bekannte Art und Weise (siehe F. Jondral: Funksignalanalyse, Teubner Studien­ bücher, Stuttgart 1991, Seite 175 ff) die entsprechende Modulationsart aus der Tabelle gem. Fig. 3 bestimmt und der Tabelle entnimmt, welche Parameter zur Auswertezen­ trale 5 zu senden sind. Unter Umständen wird der Klassi­ fikator 13 die Meßeinrichtung 12 anweisen, das Signal zur Bestimmung des speziellen Parameters noch einmal zu messen und es dazu aus dem Speicher 15 abzurufen. Der Beginn der Speicherung erfolgt für alle Meßstellen gleichzeitig, auch die Digitalisierungsrate ist in allen Meßstellen gleich groß. Diese Synchronisation der einzel­ nen Meßstellen erfolgt über die Normalfrequenz und die Normalzeit des GPS-Empfängers 14.

Soll beispielsweise ein VHF-Sender, dessen Träger mit 19,2 kBaud frequenzmoduliert ist, geortet werden, so werden in jeder Meßstelle die Signale des AM- und FM-Demodulators des Empfängers 10 in der Modulations­ art-Erkennungseinrichtung 12 ausgewertet, das AM-Aus­ gangssignal des Empfängers besitzt eine konstante Ampli­ tude, während das FM-Signal ein Spektrum mit vielen Linien aufweist, deren gemeinsames Vielfaches 19,2 kHz ist. Aus diesen Kriterien erkennt die Einrichtung 12, daß es sich um ein "Digitalsignal, FSK (Frequency Shift Keying)" handelt. Aus dem Speicher 15 wird dann gemäß Fig. 3 erkannt, daß für die Messung der Zeitdifferenz in der Zentrale von diesen Signalen die "Bitfolge, Fre­ quenz und Phase der Bit-Rate" ausreicht. Über die Ein­ richtung 13 werden also nur diese ausgewählten Parameter des Signals über die Fernmeldeleitung 4 zur Zentrale übertragen, wozu übliche schmalbandige Telefonleitungen geeignet sind. Sollte die Signalqualität eine Messung der Phase der Bitrate mit 10 Genauigkeit ermöglichen, so würde dies eine Entfernungsmeßgenauigkeit von 1/360 der Wellenlänge ergeben, in dem gewählten Beispiel (Wellenlänge der Frequenz von 19,2 kBaud = 15,63 km) also eine Genauigkeit von rund 43 Meter.

Neben den ausgewählten charakteristischen Signalmerkmalen ist nur noch der in den einzelnen Meßstellen ermittelte Signaltyp zur Auswertzentrale zu übertragen. Die Aussen­ dung kann entweder sofort nach Empfang und Auswertung der Signale erfolgen oder auch zu einem späteren Zeit­ punkt. Bei dem erfindungsgemäßen System muß die Informa­ tion nicht unmittelbar über Fernmeldeleitungen sofort zur Zentrale übertragen werden, es könnte auch durch Transport von entsprechenden Datenträgern zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen. In der Zentrale werden die ausgewählten Signalmerkmale, beispielsweise die gemes­ senen Phasen bestimmter Spektrallinien, die an unter­ schiedlichen Orten an den unterschiedlichen Meßstellen gemessen wurden, miteinander verglichen und daraus in bekannter Weise die unterschiedlichen Eintreffzeiten des Signals an den jeweiligen Meßstellen ermitteln, daraus kann dann in bekannter Weise der Ort des Senders 6 er­ mittelt werden.

Um zu vermeiden, daß zwei Modulationsart-Erkennungsein­ richtungen zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen und daß die Auswertzentrale von verschiedenen Meßstellen unterschiedliche Signalparameter von dem gleichen Signal übertragen bekommt, kann es vorteilhaft sein, die Wellen­ form des empfangenen Signals in jeder Meßstelle so lange im Speicher 15 zu speichern, bis die Auswertzentrale Gelegenheit hatte, einen solchen Irrtum der Modulations­ arterkennung zu erkennen und anschließend dann den ein­ zelnen Meßstellen mitzuteilen, welche Signalparameter an dem jeweiligen Signal tatsächlich auszuwählen und zur Zentrale zu übertragen sind.

Claims (4)

1. Hyperbelortungssystem zum Orten des Standortes von Funk­ sendern mit mindestens zwei an verschiedenen Standorten positionierten Meßstellen, die über Fernmeldesysteme mit einer Auswertzentrale verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meßstelle eine Einrichtung zum Erkennen der jeweiligen Modulationsart der vom Funksender (6) ausgesendeten Signale und eine Einrichtung zur Auswahl bestimmter, für die erkannte Modulationsart charakteristischer Signalmerkmale aufweist und jeweils nur die ausgewählten charakteristischen Signalmerkmale von den einzelnen Meßstellen (1, 2, 3) zur Zentrale (5) übertragen und dort ausgewertet werden.

2. System nach Anspruch 1, dadurch. gekenn­ zeichnet, daß in der Modulationsart-Erkennungs­ einrichtung (12) die von einem Empfänger (10) empfangenen und demodulierten Signale digitalisiert und diese Digitalwerte in einem Speicher (15) gespeichert werden und die Digitalisierungsrate und der Beginn der Speiche­ rung für alle Meßstellen (1, 2, 3) synchron ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Synchronisation über die Normalfrequenz und/oder Normalzeit eines jeder Meßstelle (1, 2, 3) zugeordneten GPS-Empfängers (14) erfolgt.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsart- Erkennungseinrichtung (12) eine Klassifizierungs-Ein­ richtung (13) zugeordnet ist, in welcher über ausgewählte Signalmerkmale die Zuordnung des demodulierten Empfangs­ signals zu bekannten Modulationssignalklassen bestimmt wird und in der Signalmerkmal-Auswähleinrichtung für jede dieser Modulationssignalklassen die hierfür charakte­ ristischen Signalmerkmale gespeichert und abrufbar sind (Fig. 3).