DE4421191A1 - Peilverfahren zur Ermittlung der azimutalen Einfallsrichtung elektromagnetischer Wellen und Peilanordnung zur Durchführung des Peilverfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Peilverfahren zur Ermittlung der azimutalen Einfallsrichtung elektromagnetischer Wellen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Peil­ anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 7.

Bei Peilverfahren mit räumlich unterschiedlich ausgerich­ teten Richtantennen für elektromagnetische Wellen kann der azimutale Einfallswinkel eines Signals, z. B. eines Senders auf dem Mikrowellenbereich, bei bekanntem Verlauf der Richtdiagramme der verwendeten Richtantennen aus dem Ver­ gleich der Signalamplituden in den einzelnen Antennenemp­ fangskanälen abgeleitet werden, z. B. durch eine Differenz­ bildung der jeweiligen Signalamplituden. Werden für die Überdeckung eines vorgebbaren Peilsektors, in welchem die Einfallsrichtung eines Signals ermittelt werden soll, mehr als zwei Richtdiagramme verwandt, so ist es aus Gründen einer Systemvereinfachung vorteilhaft, den Amplitudenver­ gleich und die übrige Signalverarbeitung nur zweikanalig auszuführen. Hierzu werden in einem ersten Schritt die beiden Antennenkanäle ermittelt, deren zugehörige Richt­ diagramme den Einfallswinkel zwischen ihren Hauptstrahl­ richtungen einschließen, d. h. die Antennenkanäle, welche die höchsten Signalpegel aufweisen. Diese beiden Anten­ nenkanäle werden auf die beiden Auswertekanäle (Peilkanäle) durchgeschaltet.

Die Genauigkeit der Peilwertermittlung, d. h. der Ermitt­ lung des azimutalen Einfallswinkels des Signals, ist von der Diagrammbreite der einzelnen Richtempfangsantennen und ihrer gegenseitigen azimutalen Ausrichtung abhängig. Für das Erreichen einer maximalen Peilgenauigkeit und Peilemp­ findlichkeit ist es zweckmäßig, die Diagramm-Halbwerts­ breiten ψ dem gegenseitigen azimutalen Winkelabstand der Antennen anzunähern. Bei einer Kreisgruppe mit 6 Antennen (6-er Kreisgruppe) ist z. B. eine Diagrammbreite von ca. ψ = 60° zweckmäßig, bei 8 Antennen eine Diagrammbreite von ca. ψ = 45°.

Für (frequenzmäßig) extrem breitbandige Peilanordnungen werden häufig Archimedische Spiralantennen als Empfangselemente eingesetzt. Sie weisen in aller Regel eine Diagramm-Halbwertsbreite zwischen 60° und 80° auf, weswegen bei einer Kreisgruppenanordnung der Antennen üblicherweise 6 Spiralantennen für die Überdeckung eines 360°-Azimutbereiches verwendet werden.

Fig. 1 zeigt für eine 6-er Kreisgruppe einen typischen Verlauf der Spiralantennen-Diagramme zweier benachbarter (Spiral-)Antennen A1, A2. Dabei ist das Empfangssignal P/dB in Abhängigkeit von dem Azimutwinkel ϕ aufgetragen.

Fig. 2 zeigt eine sich daraus ergebende Peil-Diskrimina­ tionskurve, die in Fig. 2 als Gerade mit einer Steilheit von ungefähr 0,3 dB/° dargestellt ist. Dabei wurde für jede der Antennen eine Diagramm-Halbwertsbreite ψ = 60° zugrunde gelegt.

Um eine Peilgenauigkeit von z. B. ungefähr ± 3° einhalten zu können, muß bei einer gedachten Peilanordnung mit zwi­ schengeschalteten Verstärkern ein Verstärkergleichlauf von kleiner gleich 1 dB eingehalten werden. Ähnliche Anforde­ rungen gelten für die Gleichheit der Antennendiagramme. Für realistische Peilanordnungen mit Breitband-Spiralan­ tennen ist derzeit eine Peilgenauigkeit von ungefähr 8° rms (Mittelwert) bei einer 4-er Kreisgruppe sowie ungefähr 6° rms bei einer 6-er Kreisgruppe üblich.

Mit einer 8-er Kreisgruppe mit Spiralantennen wird allen­ falls mit einem hohen technischen Aufwand (im Hinblick auf Gleichlaufeigenschaften) eine Verbesserung der Peil­ genauigkeit erreicht, da wegen der relativ breiten Strahlungsdiagramme in Verbindung mit dem verringerten gegenseitigen Winkelabstand benachbarter Antennen an sich keine Erhöhung der Diskriminationssteilheit möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge­ mäßes Verfahren dahingehend zu verbessern, daß selbst mit Antennen, die an sich ein breites Strahlungsdiagramm (große Halbwertsbreite) besitzen, bei geringem technischen Aufwand und bei geringem Kostenaufwand eine hohe Peil­ genauigkeit möglich wird. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine Peilanordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 7 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Peilgenauigkeit von kleiner gleich 5° rms (Mittelwert) er­ reichbar ist.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß die Peilgenauigkeit auch mit Antennen, die für einen großen Frequenzbereich geeignet sind, z. B. Breitband-Spiralantennen, erreichbar ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung.

Die Erfindung beruht darauf, daß in Abhängigkeit von der geforderten Peilgenauigkeit sowie dem geforderten Peilsek­ tor an sich, verglichen mit dem Stand der Technik, eine hohe Anzahl von Antennen verwendet wird. Diese werden je­ doch für einen Peilvorgang nicht gleichzeitig verwendet, sondern es wird in Abhängigkeit von der azimutalen Ein­ fallsrichtung eines Signals lediglich eine vorgebbare Gruppe der Antennen ausgewählt und deren Ausgangssignale ausgewertet. Dieses erfolgt vorteilhafterweise mit einem geringen technischen Aufwand und ist daher kostengünstig. Außerdem wird vorteilhafterweise eine hohe Peildiskrimina­ tionssteilheit erreicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte weitere Figuren. Es zeigen

Fig. 3 bis Fig. 6 schematisch dargestellte Diagramme zur Erläuterung der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine 8-er Kreisgruppe von Richtempfangs-An­ tennen A1 bis A8. Diese sind mit einem gleichmäßigen Ab­ stand (azimutaler Winkelabstand = 45°) auf dem Umfang ei­ nes Kreises angeordnet. Jede Antenne hat ein Richtdiagramm mit einer Halbwertsbreite ψ von ungefähr ψ = 70°. Dabei ist eine Toleranz Δψ von Δψ = ± 10° zulässig. Eine solche Kreisgruppe ist für einen Peilsektor von 360° geeignet und hat in diesem eine gleichbleibende Peilgenauigkeit.

Fig. 4a zeigt die zu der Anordnung entsprechend Fig. 3 ge­ hörenden Richtdiagramme der Antennen A1 bis A8, von denen lediglich aus Gründen der zeichnerischen Klarheit die Richtdiagramme der Antennen A1 bis A5 dargestellt sind in Abhängigkeit von dem Azimutwinkel ϕ.

Fig. 4b zeigt eine Darstellung der sich aus Fig. 4a erge­ benden Peildiskriminationssteilheit, die gemäß der in Fig. 4b angegebenen Formel ermittelt wurde, welche zu benach­ barten Antennen gehört. Die Peildiskriminationssteilheit beträgt lediglich 0,23 dB/°, so daß in nachteiliger Weise bereits geringe Toleranzabweichungen, z. B. bei den Richt­ diagrammen und/oder bei den an die Antennen angeschlosse­ nen Verstärkern (Kanalgleichlauffehler), zu erheblichen störenden Peilabweichungen (Peilfehler) führen können.

Dieser Nachteil wird bei der Erfindung dadurch vermieden, daß bei einem Peilvorgang ein Peilwert gewonnen wird aus einem Pegelvergleich der Singale, welche von zwei über­ nächst angeordneten Antennen, beispielsweise den Antennen A1, A3, empfangen wurden. Es werden also immer die Signale der Antennenpaare A1, A3 oder A2, A4 oder A3, A5 oder A4, A6 oder A5, A7 oder A6, A8 oder A7, A1 oder A8, A2 ausge­ wertet. Dieses wird nachfolgend noch näher erläutert.

Fig. 5a zeigt eine der Fig. 4a entsprechende Darstellung der Richtdiagramme der Antennen.

Fig. 5b zeigt eine der Fig. 4b entsprechende Darstellung, jedoch mit dem Unterschied, daß zur Ermittlung der Peil­ diskriminationssteilheit immer die Richtdiagramme der übernächsten Antennen, gemäß vorstehender Auflistung, aus­ gewertet wurden. Aus Fig. 5b ergibt sich eine Peildiskri­ minationssteilheit von ungefähr 0,45 dB/°. Diese ist er­ heblich größer als die gemäß Fig. 4 ermittelte.

Fig. 6 zeigt eine Auswerteschaltung zur Ermittlung eines Peilwertes PW entsprechend des anhand der Fig. 4, 5a, 5b beschriebenen Verfahrens. Gemäß Fig. 6 werden die von den Antennen A1 bis A8 gelieferten Signale zunächst jeweils in einem rauscharmen Verstärker LNA verstärkt, in jeweils ei­ nem Detektor-logarithmischen Video-Verstärker DLVA log­ arithmiert und bedarfsweise nochmals verstärkt und an­ schließend in jeweils einem Analog-/Digital-Wandler ADC digitalisiert. Die nachfolgend beschriebene Anordnung ist vorteilhafterweise mit Hilfe digital arbeitender Bauele­ mente ausgeführt, so daß eine digitale Signalverarbeitung möglich ist.

Die von den Analog-/Digital-Wandlern ADC erzeugten digita­ len Signale werden in zwei Gruppen A, B zusammengefaßt. Dabei enthält die Gruppe A die digitalisierten Signale (Pegel) der Antennen A1, A3, A5, A7. In Gruppe B sind die digitalisierten Signale (Pegel) der Antennen A2, A4, A6, A8 enthalten. Diese digitalisierten Signale werden nun gruppenweise zwei Maximumfindern MFA (für Gruppe A) und MFB (für Gruppe B) zugeführt. Jeder dieser Maximumfinder MFA, MFB wählt aus den jeweils angeschlossenen vier Ein­ gangskanälen den Kanal mit dem höchsten Signal (1. Maxi­ mum) und den Kanal mit dem zweithöchsten Signal (2. Maxi­ mum) aus. Diese vier Maxima 1A, 2A, 1B, 2B werden nun ei­ nem Auswahlschalter AS zugeleitet. Gleichzeitig liegt das jeweils höchste Signal (1. Maximum) einer Gruppe A, B an jeweils einem Eingang eines Komparators A/B. An dessen Eingängen liegen also die Signale der Maxima 1A, 1B. In dem Komparator A/B wird also entschieden, welches der Ma­ xima 1A, 1B das größte ist, d. h. das absolute Maximum. In Abhängigkeit davon wird das Ausgangssignal KA des Kompara­ tors A/B gewählt. Ist beispielsweise 1A < 1B, so wird KA = 1 gesetzt. Ist dagegen 1A < 1B, so ist KA = 0. Das Aus­ gangssignal KA enthält also eine Auskunft darüber, in wel­ cher der Gruppen A, B das absolute Maximum liegt. Das Aus­ gangssignal KA wird ebenfalls dem Auswahlschalter AS zuge­ führt. Dieser wählt nun in Abhängigkeit von dem Ausgangs­ signal KA die zu jeder der Gruppen A, B gehörenden Maxima aus und legt diese an die Ausgänge AS1, AS2.

Ist beispielsweise 1A < 1B, so ist KA = 1; an dem Ausgang AS1 liegt dann das 1. Maximum 1A der Gruppe A an, während an dem Ausgang AS2 das 2. Maximum der Gruppe A anliegt.

Ist dagegen 1A < 1B, so ist KA = 0; an dem Ausgang AS1 liegt dann das 1. Maximum 1B der Gruppe B an, während an dem Ausgang AS2 das 2. Maximum 2B der Gruppe B anliegt.

Die Ausgänge AS1, AS2 sind an einen Subtrahierer SUB ge­ koppelt, in dem eine Pegeldifferenz ΔP gebildet wird ent­ sprechend der Formel

ΔP = 1. Maximum - 2. Maximum.

Aus dieser Pegeldifferenz ΔP wird nun mit Hilfe eines Ta­ bellen-Speichers TAB der gesuchte Peilwert PW, d. h. die gesuchte Einfallsrichtung, ermittelt.

Dieses erfolgt beispielsweise dadurch, daß in den Maximum­ findern MFA, MFB den dort ausgewählten Maxima eine der zu­ gehörigen Antenne entsprechende Nummer zugeordnet wird. Diese Numerierung ist auch der Pegeldifferenz ΔP zugeord­ net. Ist beispielsweise das (absolute) 1. Maximum der An­ tenne A2 zugeordnet, so kann anhand der Numerierung ent­ schieden werden, ob das 2. Maximum zu der Antenne A4 oder der Antenne A8 gehört. Die derart gekennzeichnete eindeu­ tige Pegeldifferenz ΔP dient als Adresse für eine in dem Tabellenspeicher TAB gespeicherte Peilwert-EPROM-Tabelle (Erasable Programmable Read Only Memory).

Die Umsetzung der Pegeldifferenzen ΔP in Peilwerte PW be­ rücksichtigt die durch den Verlauf der Strahlungsdiagramme gelieferten Peildiskriminationskurven. Falls innerhalb des Peilsystems noch Einrichtungen zur Frequenzmessung vorhan­ den sind (z. B. IFM, Instantaneous Frequency Measurement), können frequenzabhängige Änderungen der Antennendigramme berücksichtigt und somit eine Erhöhung der Peilgenauigkeit über einen größeren Frequenzbereich erreicht werden. Wie bereits eingangs erwähnt, läßt sich mit der erfindungsge­ mäßen Peilanordnung mit einer Kreisgruppe mit 8 Spiralan­ tennen eine Peilgenauigkeit von besser als 5° rms erzie­ len.

Die bei einer solchen Frequenzmessung ermittelte Frequenz wird dem Tabellen-Speicher TAB über dessen Eingang F zuge­ führt, so daß zunächstlich von der Frequenz abhängige Peilwerte PW aus der Peilwert-EPROM-Tabelle ausgelesen werden können.

Claims (11)

1. Peilverfahren zur Ermittlung der azimutalen Einfalls­ richtung elektromagnetischer Wellen, wobei

• - mehrere gleichartige Antennen äquidistant auf dem Um­ fang eines Kreises angeordnet werden,
• - sich die Richtdiagramme der Antennen überschneiden und
• - die Einfallsrichtung ermittelt wird aus dem Amplituden­ unterschied der von benachbarten Antennen empfangenen Signale,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die zu einer Kreisgruppe gehörenden Antennen (A1 bis A8) in mindestens zwei Gruppen (A, B) aufgeteilt werden,
• - daß jede Gruppe (A, B) eine gleiche Anzahl von Antennen enthält,
• - daß die Antennen (A1 bis A8) alternierend auf dem Kreisumfang äquidistant derart angeordnet werden, daß benachbarte Antennen (A1, A2) zu unterschiedlichen Gruppen gehören,
• - daß benachbarte Antennen (A1, A3), die zu derselben Gruppe (A) gehören, sich überschneidende Richtdiagramme besitzen, derart, daß zwischen diesen Antennen (A1, A3) eine maximale Diskriminationssteilheit erreicht wird,
• - daß für ein einfallendes Signal diejenige Antenne (A2) mit dem nächsten empfangenen Amplitudenwert (Pegelwert) ermittelt wird und die Gruppe (B), zu der diese Antenne (A2) gehört,
• - daß innerhalb derselben Gruppe (B) eine weitere Antenne (A8), welche, bezogen auf diese Gruppe (B), den zweit­ höchsten Amplitudenwert (Pegelwert) empfängt, ermittelt wird,
• - daß aus den Amplitudenwerten (Pegelwerten) der derart ausgewählten Antennen (A2, A8) eine Amplitudendifferenz (Pegeldifferenz) gebildet wird und
• - daß aus der Amplitudendifferenz (Pegeldifferenz) sowie den den Antennen (A2, A8) zugeordneten Nummern (2, 8) die Einfallsrichtung des Signals bestimmt wird.

2. Peilverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Antennen (A1 bis A8) mit einer großen Halbwertsbreite des Richtdiagramms verwendet werden.

3. Peilverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnete daß Antennen (A1 bis A8) mit einem fre­ quenzabhängigen Richtdiagramm verwendet werden.

4. Peilverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Antennen (A1 bis A8) breitbandige Spiralantennen verwendet werden.

5. Peilverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß für alle auftretenden Amplitudendifferenzen (Pegel­ differenzen) der empfangenen Signale benachbarter An­ tennen (A2, A8), die zu derselben Gruppe (B) gehören, zugehörige Peilwerte gespeichert werden und
• - daß aus einem Peilwert sowie aus den Nummern (2, 8) be­ nachbarter Antennen (A2, A8) einer Gruppe (B) die azi­ mutale Einfallsrichtung des Signals ermittelt wird.

6. Peilverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß jeder der Gruppen (A, B) jeweils ein Maximumfinder (MFA, MFB) zur Bestimmung eines ersten und eines zwei­ ten Amplitudenmaximums (Pegelmaximums) zugeordnet wird,
• - daß aus den von den Maximumfindern (MFA, MFB) ermittel­ ten ersten Maxima das größte Amplitudenmaximum (Pegel­ maximum) ausgewählt wird und zu diesem die zugehörige Gruppe bestimmt wird und
• - daß aus den zu dieser Gruppe gehörenden ersten und zweiten Maxima der Einfallswinkel bestimmt wird.

7. Peilanordnung zur Durchführung des Peilverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net,

• - daß jeder Antenne (A1 bis A8) ein rauscharmer Verstär­ ker (LNA), ein Detektor-logarithmischer Video-Verstär­ ker (DLVA) sowie ein Analog-/Digital-Wandler (ADC) nachgeschaltet sind,
• - daß die Ausgänge der Analog-Digital-Wandler (ADC) grup­ penweise zusammengefaßt an jeweils einen einer Gruppe (A, B) zugeordneten, digital arbeitenden Maximumfinder (MFA, MFB) angeschlossen sind und
• - daß den Maximumfindern (MFA, MFB) zumindest ein digital arbeitender Auswahlschalter (AS), ein digital arbeiten­ der Subtrahierer (SUB) sowie ein digital arbeitender Tabellenspeicher (TAB) nachgeschaltet sind.

8. Peilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zusätzlich ein digital arbeitender Komparator (A/B) vorhanden ist,
• - daß dem Komparator (A/B) digitale Signale, welche den in den Maximumfindern (MFA, MFB) ermittelten ersten Ma­ xima entsprechen, zugeführt werden und
• - daß der Ausgang (KA) des Komparators (A/B) mit dem Aus­ wahlschalter (AS) gekoppelt ist, derart, daß der Aus­ wahlschalter (AS) in Abhängigkeit von dem größten der ersten Maxima auf den zu diesem gehörenden Maximumfin­ der schaltet.

9. Peilanordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß eine kreisförmige Anordnung von mindestens acht Antennen (A1 bis A8) vorhanden ist.

10. Peilanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Antennen als breitbandige Spiralantennen ausgebildet sind.