DE60131519T2 - Präzisions- radarhöhenmesser mit lokalisierungsfähigkeit der koordinaten von bodenmerkmalen - Google Patents

Präzisions- radarhöhenmesser mit lokalisierungsfähigkeit der koordinaten von bodenmerkmalen Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radar-Höhenmesser und insbesondere einen Präzisions-Radar-Höhenmesser mit der Fähigkeit zur Lokalisierung von Geländemerkmalskoordinaten.
  • Der Präzisions-Radar-Höhenmesser der vorliegenden Erfindung betrachtet den Boden in einer Reihe von Streifen und verwendet dabei Doppler-Bandpaßfilter, um sich jeweils auf einen Streifen zu konzentrieren. Zurückkommende Signale werden von einem Paar Antennen empfangen. Der Ort des höchsten Punktes in einem bestimmten Streifen wird durch Durchführen von Phasenvergleich der von den beiden Antennen empfangenen zurückkommenden Signale bestimmt. Wenn sich der höchste durch Radar beleuchtete Punkt direkt unter dem Flugzeug befindet, kommt das zurückkommende Signal zu beiden Antennen gleichzeitig zurück. Wenn dagegen der höchste Punkt auf einer Seite des Flugzeugs liegt, kommt das zurückkommende Signal zu einer Antenne zurück, bevor es zu der zweiten Antenne zurückkommt, weil der Weg für die zweite Antenne länger ist. Die Phase bzw. Ankunftszeit der zurückkommenden Signale wird für jede der Antennen verglichen. Je größer der Abstand zwischen den beiden Antennen ist, desto genauer wird die Messung. Mit zunehmendem Abstand zwischen den beiden Antennen entstehen jedoch eine oder mehrere Phasenmehrdeutigkeiten.
  • Eine Phasenmehrdeutigkeit kann im Kontext eines Zeigers aufgefaßt werden. Ein Zeiger wiederholt sich alle 360 Grad. Deshalb erscheinen 370 Grad genauso wie 10 Grad, 380 Grad erscheinen genauso wie 20 Grad usw. Je weiter die beiden Antennen auseinander liegen, desto mehr Phasenmehrdeutigkeiten entstehen. Es werden sehr komplizierte, kostspielige und viel Strom verbrauchende Mehrdeutigkeits-Reduktionsalgorithmen typischerweise in Systeme integriert, um die Phasenmehrdeutigkeiten zu reduzieren oder zu beseitigen. Außerdem sind existierende Systeme "zur Seite schauend", das heißt, die Antennen für den Radar zeigen nach der Seite des Flugzeugs. Zur Seite schauende Systeme verarbeiten alle Entfernungszellen innerhalb eines Dopplerstreifens, wodurch ein hohes Niveau an Verarbeitung erforderlich wird, was zu großen und kostspieligen Systemen führt. Diese zur Seite schauenden Radarvorrichtungen erzeugen Höhenmerkmale des gesamten Bereichs seitlich des Flugzeugs. Diese Merkmale werden für Navigationszwecke mit existierenden elektronischen Geländeerhebungskarten korreliert. Zusätzlich müssen die zur Seite zeigenden Antennen so konfiguriert werden, daß sie bei Rollmanövern nicht das Gelände auf der anderen Seite des Flugzeugs beleuchten, was zu relativ komplizierten Antennenlenkmechanismen führt. Größe, Gewicht und Kosten existierender Systeme erschweren die Integration der Systeme in kleine und mittelgroße Flugzeuge.
  • Es wäre wünschenswert, ein weniger kompliziertes nach unten schauendes Radar-Höhenmessersystem zu verwenden, das Phasenmehrdeutigkeiten auf effizientere Weise beseitigt, die Möglichkeit zur Unterscheidung linker Ziele von rechten Zielen bereitstellt und Streifen auf effizientere Weise verarbeitet, indem nur eine einzige Entfernungszelle innerhalb eines Streifens verarbeitet wird, während große Präzision aufrechterhalten wird. Ferner ermöglicht die Fähigkeit zur Unterscheidung linker Ziele von rechten Zielen die Verwendung von standardmäßigen kostengünstigen Breitstrahl-Radar-Höhenmesserantennen. Außerdem wäre es wünschenswert, daß ein Radar-Höhenmessersystem die Verarbeitungseffizienz verbessert, indem mehrere Streifen auf einmal verarbeitet werden. Es würde eine Entfernungsbestimmung für einen ersten Streifen berechnet, während gleichzeitig Phasenvergleiche für einen zweiten Streifen durchgeführt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Radar-Höhenmesser zur Bestimmung der Höhe eines Flugzeugs in Bezug auf den Boden bereitgestellt, wobei der Radar-Höhenmesser folgendes umfaßt:
    einen Sender zum Senden von Radarsignalen zum Boden;
    eine erste und eine zweite Antenne zum Empfangen reflektierter Radarsignale von dem Boden;
    einen an die erste und zweite Antenne angekoppelten Signalprozessor mit einem Filtermittel zum Zurückweisen von anderen Signalen als von einem gewählten Bodenstreifen reflektierten Signalen, wobei der Signalprozessor die Höhe des Flugzeugs über dem Bodenniveau auf der Basis der von dem Filtermittel ausgegebenen Radarsignale bestimmt; und gekennzeichnet durch:
    ein Phasenmehrdeutigkeits-Auflösungsmittel zum Auflösen von Phasenmehrdeutigkeiten, die aufgrund von Mehrfach-Wellenlängenseparation der ersten und der zweiten Antenne entstehen, wobei das Phasenmehrdeutigkeits-Auflösungsmittel eine dritte Antenne in dichtem Abstand zu der ersten Antenne umfaßt, dergestalt, daß keine Phasenmehrdeutigkeiten zwischen den durch die dritte Antenne und die erste Antenne empfangenen reflektierten Radarsignalen bestehen.
  • Das Radar-Höhenmessersystem der vorliegenden Erfindung stellt ein vereinfachtes und effizientes Mittel zum Beseitigen von Phasenmehrdeutigkeiten bereit, während ein hoher Genauigkeitsgrad aufrechterhalten wird. Zusätzlich wird die Verarbeitungseffizienz verbessert, weil mehrere Streifen auf einmal verarbeitet werden und nur ein einziges Ziel (das höchste Ziel) verarbeitet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Entfernungsbestimmung für einen ersten Streifen berechnet, während gleichzeitig Phasenvergleiche für einen zweiten Streifen durchgeführt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Radar-Höhenmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt ein zweites Blockschaltbild des Radar-Höhenmessers der vorliegenden Erfindung mit zusätzlichen Einzelheiten bezüglich des digitalen Signalprozessors.
  • 3 zeigt die durch den Radar-Höhenmesser der vorliegenden Erfindung durchgeführte Technik des Suchens während der Verarbeitung.
  • 4 zeigt ein Zeitdiagramm, das die Funktion des Suchens während der Verarbeitung weiter veranschaulicht.
  • 5 zeigt ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform des Radar-Höhenmessers der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Präzisions-Radar-Höhenmessers gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Radar-Höhenmesser 8 in ein Flugzeug integriert. Der Radarhöhenmesser 8 enthält drei Kanäle: den Phasenmehrdeutigkeitskanal 9A, den Kanal 9B für Phase A und den Kanal 9C für Phase B. Kanal 9A enthält die Antenne 10A, den Empfänger 34A und den Digitalisierer 18A. Der Empfänger 34A enthält einen rauscharmen Verstärker (LNA) 12A, einen Mischer 14A und einen Zwischenfrequenz-(ZF-)Verstärker 16A. Kanal 9B enthält die Antenne 10B, den Empfänger 34B und den Digitalisierer 18B. Der Empfänger 34B enthält den LNA 12, den Mischer 14B und den ZF-Verstärker 16B. Kanal 9C enthält die Antenne 10C, den Sende/Empfangs-Schalter 11, den Empfänger 34C und den Digitalisierer 18C. Der Empfänger 34C enthält den LNA 12C, den Mischer 14C und den ZF-Verstärker 16C. Der Sende/Empfangs-Schalter 11 in dem Kanal 9C ermöglicht dem Kanal 9C einen Betrieb entweder in einem Sendemodus oder in einem Empfangsmodus.
  • Der Radar-Höhenmesser 8 enthält ferner einen HF-Oszillator 20, einen Taktgenerator 26, einen Sender 32, einen digitalen Signalprozessor (DSP) 30 und einen Computer 33. Der Sender 32 enthält einen Leistungsverstärker 21, einen Modulator 22, einen Einseitenband-(SSB-)Mischer 24 und einen Zwischenfrequez-(ZF-)Offsetgenerator 28. Der HF-Oszillator 20 ist an die Mischer 14A14C und den SSB-Mischer 24 angekoppelt. Der Taktgenerator 26 ist an die Digitalisierer 18A18C und den ZF-Offsetgenerator 28 angekoppelt.
  • Der Radar-Höhenmesser der vorliegenden Erfindung liefert Querlage und Vertikaldistanz zu dem höchsten Objekt unter dem Flugzeug zum Beispiel in zehn Fuß breiten Abwärtslagestreifen, die durch ein Antennenmuster berandet werden, das in der Querlagerichtung ungefähr 46 Grad breit ist. "Abwärtslage" bedeutet in der Flugrichtung. "Querlage" bedeutet senkrecht zur Flugrichtung. Es können auch andere Antennenmuster und Streifencharakteristika verwendet werden. Die Abwärtslagebreite eines Streifens variiert mit der Höhe des Flugzeugs.
  • Ein erster von dem Radar-Höhenmesser 8 ausgeführter Schritt ist das Senden eines Radarsignals zum Boden. Der Taktgenerator 26 führt dem ZF-Offsetgenerator 28 ein Taktsignal zu. Bei einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet der Taktgenerator 26 bei einer Frequenz von 120 MHz, obwohl auch andere Frequenzen verwendet werden können. Der ZF-Offsetgenerator 28 erzeugt ein Offsetsignal für das Radarübertragungssignal. Bei einer bevorzugten Ausführungsform teilt der Offsetgenerator 28 das Eingangstaktsignal aus dem Taktgenerator 26 durch vier und gibt ein Taktsignal von 30 MHz aus. Der SSB-Mischer 24 mischt das 30-MHz-Taktsignal aus dem ZF-Offsetgenerator 28 mit einem HF-Signal aus dem HF-Oszillator 20, was zu einem Offset von 30 MHz des HF-Signals führt. Der SSB-Mischer 24 gibt das Offsetsignal an den Modulator 22 aus. Der HF-Oszillator 20 arbeitet vorzugsweise bei etwa 4,3 GHz. Der Modulator 22 empfängt Sendecodedaten aus dem Entfernungsprozessor 44 (siehe 2) und impulsmoduliert und phasenmoduliert das aus dem SSB-Mischer 24 empfangene Signal und gibt das modulierte Signal an den Leistungsverstärker 21 aus. Der Leistungsverstärker 21 verstärkt das empfangene Signal und gibt das verstärkte Signal durch den Sende/Empfangs-Schalter 11 and die Antenne 10C aus. Die Antenne 10C sendet das modulierte Signal zum Boden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sendet der Sender 32 in einem Intervall von 12 ms ungefähr 600 Impulse mit einem Impulsabstand von etwa 20 μs. Es können auch andere Frequenzen und Impulsabstände verwendet werden.
  • Nachdem der Kanal 9C ein Radarsignal gesendet hat, wird das vom Boden reflektierte Signal durch die Antennen 10A10C empfangen und durch die Komponenten jedes der Kanäle 9A9C verarbeitet. Der LNA 12C, der Mischer 14C, der ZF-Verstärker 16C und der Digitalisierer 18C in dem Kanal 9C sind dieselben wie die entsprechenden Komponenten in den Kanälen 9A und 9B, so daß jeder Kanal 9A9C (zusammen als Kanäle 9 bezeichnet) dieselben Funktionen wie die anderen Kanäle ausführt. Deshalb werden die von jedem der Kanäle 9 ausgeführten Funktionen nur mit Bezug auf 9C besprochen, wobei sich versteht, daß die Kanäle 9A und 9B beim Empfangen und Verarbeiten von Signalen auf dieselbe Weise arbeiten.
  • Das von der Antenne 100 empfangene zurückkommende Signal durchläuft den Sende/Empfangs-Schalter 11 und wird durch den LNA 12C verstärkt. Der Mischer 14C mischt das verstärkte zurückkommende Signal mit dem durch den HF-Oszillator 20 ausgegebenen HF-Oszillatorsignal und gibt ein ZF-Offsetsignal an den ZF-Verstärker 16C aus. Das ZF-Offsetsignal wird durch den ZF-Verstärker 16C verstärkt und an den Digitalisierer 18C ausgegeben. Der Digitalisierer 18C digitalisiert das empfangene Signal und gibt das digitalisierte Signal an den DSP 30 aus. Die Frequenz des Taktgenerators 26 bestimmt die Rate, mit der die ankommenden analogen Signale aus den Kanälen 9A9C durch die Digitalisierer 18A18C abgetastet und digitalisiert werden.
  • Der Computer 33 empfängt Vertikal- und Horizontalgeschwindigkeitsdaten des Flugzeugs (A/C) von dem Trägheitsnavigationssystem (INS) des Flugzeugs. Der Computer 33 verarbeitet die Geschwindigkeitsdaten und gibt auf Steuerleitungen 45 Steuersignale an den DSP 30 aus. Der DSP 30 gibt Zielpositionsvektoren aus, die die Position und den höchsten Punkt in bestimmten Regionen oder "Streifen" auf dem Boden identifizieren, und gibt außerdem Höhendaten über dem Bodenniveau (AGL) aus, die die Flugzeughöhe identifizieren.
  • 2 zeigt ein zweites Blockschaltbild des Radar-Höhenmessers der vorliegenden Erfindung mit zusätzlichen Einzelheiten bezüglich des DSP 30. Der HF-Oszillator 20, der Takt 26 und der Computer 33 sind in 2 nicht gezeigt, um das Diagramm zu vereinfachen und mehr Platz für andere Komponenten zu schaffen. Der DSP 30 umfaßt folgendes: Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36D, Wortintegrations-Bandpaßfilter (BPF) 38A38D, Bildzurückweisungsmischer 40A40D, Doppler-Bandpaßfilter (BPF) 42A42D, einen Entfernungsprozessor 44, einen Grob-Phasenprozessor 46A, einen Koordinatenortsprozessor 46B und einen Fein- Phasenprozessor 46C. Der Grob-Phasenprozessor 46A, der Koordinatenortsprozessor 46B und der Fein-Phasenprozessor 46C werden zusammen als Phasenprozessor 46 bezeichnet. Der DSP 30 enthält vier Kanäle: den Entfernungskanal 9D, den Kanal 9C für Phase B, den Phasenmehrdeutigkeitskanal 9A und den Kanal 9B für Phase A. Der Entfernungskanal 9D enthält Blöcke 36D42D und 44. Der Kanal 9C für Phase B enthält Blöcke 36C42C. Der Phasenmehrdeutigkeitskanal 9A enthält Blöcke 36A42A. Der Kanal 9B für Phase A enthält Blöcke 36B42B.
  • Wenn ein Radarsignal zum Boden gesendet wird, kommt das zurückkommende Signal mit derselben Frequenz wie das gesendete Signal mit der Dopplerverschiebung zurück. Wenn der Radar nach vorne schaut, wird die Frequenz des zurückkommenden Signals nach oben verschoben. Wenn der Radar nach hinten schaut, wird die Frequenz des zurückkommenden Signals nach unten verschoben.
  • Durch ordnungsgemäßes Justieren der Doppler-Bandpaßfilter 42A42D kann ein beliebiger Punkt auf dem Boden ausgewählt und berandet werden. Somit werden nur zurückkommende Signale von diesem einen gewählten Bodenstreifen betrachtet. Jeder Streifen ist in der Abwärtslage auf 3000 Fuß ungefähr 10 Fuß breit und nimmt bei 8000 Fuß auf ungefähr 20 Fuß Breite zu.
  • Der horizontale Ort des höchsten Punkts in einem bestimmenten Streifen wird durch Durchführen von Phasenvergleichen der zurückkommenden Signale bestimmt. Wenn sich der höchste Punkt, der durch Radar beleuchtet wird, direkt unter dem Flugzeug befindet, kommt das zurückkommende Signal zur selben Zeit zu den Antennen 10B und 10C zurück. Wenn dagegen der höchste Punkt auf einer Seite des Flugzeugs liegt, kommt das zurückkommende Signal zu einer Antenne (z. B. Antenne 10B) zurück, bevor es zu der zweiten Antenne (z. B. Antenne 10C) zurückkommt, weil der Weg für die zweite Antenne 10C länger ist. Die Phase bzw. Ankunftszeit der zurückkommenden Signale an jeder der Antennen wird verglichen. Je größer der Abstand zwischen den beiden Antennen 10B und 10C ist, desto genauer werden die Messungen. Mit zunehmendem Abstand zwischen den Antennen 10B und 10C entstehen jedoch eine oder mehrere Phasenmehrdeutigkeiten. Je weiter die Antennen 10B und 10C auseinanderliegen, desto mehr Phasenmehrdeutigkeiten entstehen. Bei einem typischen Antennenabstand gemäß der vorliegenden Erfindung entstehen vier oder fünf Phasenmehrdeutigkeiten.
  • Das mit einem Antennenabstand mehrerer Wellenlängen assoziierte Phasenmehrdeutigkeitsproblem wird gelöst, indem eine von den Antennen 10B und 10C beabstandete dritte Antenne 10A hinzugefügt wird, so daß die Kombination der drei Phasenvergleiche die Mehrdeutigkeit beseitigt. Die dritte Antenne 10A wird als Mehrdeutigkeitsantenne bezeichnet. Die Mehrdeutigkeitsantenne 10A wird sehr dicht bei einer der beiden anderen Antennen 10B oder 10C positioniert, so daß keine Phasenmehrdeutigkeiten zwischen der Mehrdeutigkeitsantenne 10C und der der Mehrdeutigkeitsantenne nächstliegenden Antenne bestehen. Aufgrund des kleinen Basislinien- oder Distanzabstands zwischen der Mehrdeutigkeitsantenne 10A und der der Mehrdeutigkeitsantenne nächstliegenden Antenne wird Genauigkeit verloren. Deshalb verwendet man die weit auseinanderliegenden Antennen 10B und 10C zum Bereitstellen der notwendigen Genauigkeit, und die beiden in dichtem Abstand angeordneten Antennen dienen zur Beseitigung der Phasenmehrdeutigkeiten.
  • Die vorliegende Erfindung verwendet zwei alternative Techniken zum Identifizieren des höchsten Punkts in einem bestimmten Streifen. Die erste Technik wird als Technik des Suchens während der Verarbeitung bezeichnet, wobei mehr als ein Streifen auf einmal verarbeitet wird. Die in 1 und 2 gezeigte Ausführungsform verwendet die Technik des Suchens während der Verarbeitung. Als Alternative kann eine Einzelstreifentechnik verwendet werden. Die Einzelstreifentechnik wird nachfolgend mit Bezug auf 5 besprochen.
  • 3 zeigt die von dem Radar-Höhenmesser der vorliegenden Erfindung ausgeführte Technik des Suchens während der Verarbeitung. Wie in 3 gezeigt, fliegt das Flugzeug 60 über Gelände 70. Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36C in dem DSP 30 sind auf das nächste Ziel in dem derzeitigen Dopplerstreifen 62 fixiert. Gleichzeitig sucht das Entfernungs-Gate bzw. der Korrelator 36D in der Neigungsentfernung zu dem höchsten Objekt in dem nächsten Doppler-Streifen 64. Neigungsentfernung ist im Wesentlichen dasselbe wie Zeit (d. h. Zeit bis zum Empfang eines zurückkommenden Signals). Steuerleitungen 45A und 45B (die in 2 gezeigt und zusammen als Steuerleitungen 45 bezeichnet werden) dienen zum Definieren der Streifen-Charakteristika. Der Computer 33 (siehe 1) gibt auf den Steuerleitungen 45 auf der Basis von Flugzeughöhendaten aus dem Entfernungsprozessor 44 (siehe 2) und aus dem INS des Flugzeugs empfangenen Geschwindigkeitsdaten Steuersignale an die Doppler-BPF 42A42D aus. Die Dopplerfrequenz und Bandbreite für die BPF 42A42D werden auf der Basis der Flugzeuggeschwindigkeits- und Höhendaten justiert, um geeignete Streifen zu erhalten. Der Computer 33 verwendet die Steuerleitung 45A zum Begrenzen des Doppler-BPF 42D auf den nächsten Doppler-Streifen 64 und die Steuerleitung 45B zum Begrenzen der Doppler-BPF 42A42C auf den derzeitigen Doppler-Streifen 62.
  • Nachdem der Entfernungskanal 9D die Neigungsentfernung zu dem höchsten Punkt in dem nächsten Doppler-Streifen 64 durchsucht und erfaßt hat, stellt der Entfernungsprozessor 44 Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36C auf die berechnete Neigungsentfernung ein.
  • Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36C verwenden die Neigungsentfernungsausgabe des Entfernungsprozessors 44, wenn Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36C zu dem nächsten Streifen kommen.
  • 4 ist ein Zeitdiagramm, das die Funktion des Suchens während der Verarbeitung weiter veranschaulicht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bewegt sich das Flugzeug 60 mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 500 Knoten oder etwa 800 Fuß pro Sekunde, so daß es etwa 12 ms dauert, um durch jeden 10-Fuß-Streifen zu kommen. Jede Spalte von 4 repräsentiert ein Intervall von 12 ms. Das 12-ms-Intervall wird als Streifen-Interrogationsintervall bezeichnet. Die erste Zeile von 4 gibt die Position des Flugzeugs (A/C) an. Die zweite Zeile von 4 gibt den gerade durch den Entfernungskanal 9D verarbeiteten Streifen an. Die dritte Zeile von 4 gibt den gerade durch die Phasenkanäle 9A9C verarbeiteten Streifen an. Der Entfernungskanal 9D ist den Phasenkanälen 9A9C immer einen Streifen voraus. Am Ende jedes 12-ms-Intervalls gibt der Entfernungskanal 9D den Kanälen 9A9C die detektierte Entfernung für den nächsten durch Kanäle 9A9C zu verarbeitenden Streifen.
  • Die Radarentfernung wird durch die Zeit bestimmt, die es dauert, bis ein gesendeter Impuls ein Ziel trifft und dann zurückkehrt. Ein Entfernungs-Gate, wie zum Beispiel das in Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36D verwendete, ist im wesentlichen ein Schalter, der es nur gewählten Abtastwerten des zurückkommenden Signals erlaubt, verarbeitet zu werden. In bestimmten Kontexten bedeutet ein "Entfernungs-Gate" einen Schalter, der für eine endliche Zeitdauer geschlossen sein kann, aber im Kontext der digitalen Signalverarbeitung entsprechen Range-Gates diskreten Abtastwerten. Das zurückkommende Signal kann erst dann durch das Range-Gate kommen, wenn der Schalter geschlossen wird. Wenn zum Beispiel ein Range-Gate auf eine Neigungsentfernung von 1000 Fuß eingestellt wird, wartet das Entfernungs-Gate 2 μs (Zeitdauer, die einer Entfernung von 1000 Fuß entspricht) nach dem Senden und schließt sich dann, um das abgetastete zurückkommende Signal durchzulassen. Der Entfernungsprozessor 44 ist für die Einstellung der Neigungsentfernung der Entfernungs-Gates in Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36D verantwortlich.
  • Jeder Radarimpuls, der zum Boden gesendet wird, kehrt aufgrund von Geländespreizung als ein breiteres Signal zurück. Die Digitalisierer 18A18C beginnen kurz nach dem Senden eines Radarsignals mit dem Abtasten und Digitalisieren und geben die Abtastwerte an Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36D aus. Um den höchsten Punkt auf dem Boden zu identifizieren, muß der nächstliegende oder früheste Abtastwert mit Energie identifiziert werden. Der Digitalisierer 18A gibt Abtastwerte von dem nächsten Doppler-Streifen 64 an den Entfernungskanal 9D aus, in dem die Abtastwerte von verschiedenen Komponenten verarbeitet und letztendlich von Entfernungsprozessor 44 empfangen werden. Die von den verschiedenen Komponenten des Entfernungskanals 9D ausgeführte Verarbeitung wird nachfolgend besprochen. Der Entfernungsprozessor 44 fragt die aus dem Digitalisierer 18A empfangenen Abtastwerte ab und identifiziert den ersten Abtastwert mit Energie. Die Abtastwertnummer bzw. der Zeitpunkt, zu dem der erste Abtastwert mit Energie erhalten wird, wird als die Neigungsentfernung zu dem höchsten Ziel in diesem Streifen bezeichnet. Der Entfernungsprozessor 44 stellt Entfernungs-Gate/Korrelator 36D auf die entsprechende Neigungsentfernung ein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beginnt der Entfernungsprozessor 44 mit seiner Interrogation der aus dem Digitalisierer 18A empfangenen Abtastwerte zu einem Zeitpunkt, der einem vorgeschichtlichen Höhenmittelwert entspricht, der aus Höhenberechnungen für vorherige Streifen bestimmt wird. Der Entfernungsprozessor 44 bewegt sich dann nach innen oder zeitlich früher, bis der erste Abtastwert mit von null verschiedener Energie identifiziert ist.
  • Während jedes Streifeninterrogationsintervalls von 12 ms werden Abtastwerte von ungefähr 600 Impulsen von dem Digitalisierer 18A zu dem Entfernungs-Gate/Korrelator 36D geleitet. Für die gesamten 12 ms wird die Position des Entfernungs-Gate/Korrelators 36D in bezug auf die zuvor bestimmte Neigungsentfernung bewegt, um den höchsten Punkt (d. h. den ersten Punkt mit von null verschiedener Energie) zu finden. Am Ende des 12-ms-Intervalls stellt der Entfernungsprozessor 44 Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36C auf die Neigungsentfernung ein, die dem höchsten Ziel entspricht. Der Entfernungsprozessor 44 integriert oder mittelt kontinuierlich die höchsten Geländepunkte und filtert dabei effektiv die Daten, um Höhe bereitzustellen.
  • Jeder Kanal 9A9D in dem DSP 30 enthält im wesentlichen dieselben Komponenten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden alle Komponenten des DSP 30 in Software implementiert, obwohl auch Hardware verwendet werden könnte. Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36D phasendemodulieren die aus den Digitalisierern 18A18C empfangenen Abtastwerte. Um Immunität gegenüber Störern zu schaffen und Empfänger und gegenseitige Störungen von anderen Fahrzeugen abzufangen, weisen Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36D und die Wortintegrations-Bandpaßfilter 38A38D außerdem alle Signale außer den von dem Sender 32 gesendeten Signalen zurück. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die durch den Sender 32 gesendeten Signale phasencodiert, so daß zurückkommende Signale mit einem anderen Code als dem gesendeten durch die Korrelatoren 36A36D und die Filter 38A38D zurückgewiesen werden. Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36D demodulieren die codierten zurückkommenden Radarsignale und geben die abgetasteten zurückkommenden Signale an die Wortintegrations-Bandpaßfilter 38A38D aus. Die Wortintegrations- Bandpaßfilter 38A38D integrieren die empfangenen Abtastwerte und erzeugen eine digital abgetastete Sinuswelle mit Zwischenfrequenz, die an die Bildzurückweisungsmischer 40A40D ausgegeben wird. Die Wortintegrations-Bandpaßfilter 38A38D arbeiten außerdem als Korrelator und weisen Codes zurück, die nicht korreliert sind. Der Vorgang der Demodulation/Filterung führt zu der Zurückweisung unerwünschter Signale.
  • Aus dem ZF-Offsetgenerator 28 wird eine Frequenzreferenz für die Bildzurückweisungsmischer 40A40D abgeleitet. Die Bildzurückweisungsmischer 40A40D verschieben das aus den Wortintegrations-BPF 38A38D empfangene ZF-Signal herunter in das Basisband und beseitigen ein unerwünschtes Seitenband (d. h. ein Bild-Seitenband) aus dem Signal. Immer dann, wenn ein Signal abwärts umgesetzt wird, werden Seitenbänder produziert. Zum Beispiel wird, wenn man annimmt, daß ein ZF-Trägersignal von 30 MHz mit einer positiven 5-Hz-Dopplerverschiebung verwendet wird, wenn das Signal in das Basisband heruntergemischt wird, das resultierende Signal Komponten von plus und minus 5 Hz enthalten. Die Bildzurückweisungsmischer 40A40D weisen die unerwünschte Komponente von minus 5 Hz zurück und geben das Basisband-Signal an die Doppler-BPF 42A42D aus.
  • Die Doppler-BPF 42A42C werden auf eine Mittenfrequenz eingestellt, die der Dopplerverschiebung für den derzeitigen Streifen 62 entspricht. Auf ähnliche Weise wird das Doppler-BPF 42D auf eine Mittenfrequenz eingestellt, die der Dopplerverschiebung für den nächsten Doppler-Streifen 64 entspricht. Die Bandbreite für die Doppler-BPF 42A42D wird so eingestellt, daß eine gewünschte Abwärtslagen-Streifenbreite geschaffen wird, wie zum Beispiel 10 Fuß. Jedes Doppler-BPF 42A42C gibt eine Sinuswelle aus. Jede von den Doppler-BPF 42A42C ausgegebene Sinuswelle weist dieselbe Frequenz auf, aber die Sinuswellen werden verschiedene Phasenverschiebungen aufweisen. Auf der Basis der Phasendifferenzen der aus den Doppler-BPF 42A42C empfangenen Sinuswellen bestimmt der Phasenprozessor 46 die Winkelposition des höchsten Punkts in dem derzeitigen Streifen, wobei eingeschlossen ist, ob sich der höchste Punkt rechts oder links des Flugzeugs befindet. Der Phasenprozessor 46 beseitigt außerdem eine etwaige Phasenmehrdeutigkeit auf der Basis von Phasenvergleichen der verschiedenen Eingangssignale. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestimmt der Grob-Phasenprozessor 46A die Phasenbeziehung zwischen den Signalen aus dem Doppler-BPF 42C und dem Doppler-BPF 42A und gibt eine eindeutige, aber grobe Phasenbeziehung aus. Der Fein-Phasenprozessor 46C bestimmt die Phasenbeziehung zwischen den Signalen aus dem Doppler-BPF 42C und dem Doppler-BPF 42B und gibt eine feine, aber mehrdeutige Phasenbeziehung aus. Der Koordinatenortsprozessor 46B bestimmt Höhe und horizontale Position des höchsten Punkts in einem Streifen auf der Basis der feinen mehrdeutigen und groben eindeutigen Informationen aus den Phasenprozessoren 46A und 46C und gibt einen Zielpositionsvektor aus.
  • 5 zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Einzelstreifentechnik zum Identifizieren des höchsten Punkts in einem bestimmten Streifen verwendet. Der in 5 gezeigte Radar-Höhenmesser 80 ist der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform sehr ähnlich, mit zwei Hauptunterschieden. Erstens enthält der Radar-Höhenmesser 80 Direktzugriffsspeicher (RAM) 19A19C, die zwischen den Digitalisierern 18A18C und Entfernungs-Gate/Korrelatoren 36A36C angeordnet sind. Zweitens werden die Steuerleitungen 45A und 45B in DSP 83 beide zur Auswahl des vergangenen Doppler-Streifens verwendet. Deshalb verarbeitet der Radar-Höhenmesser 80 nur Daten aus einem Streifen auf einmal.
  • Im Gegensatz zu der Technik des Suchens während der Verarbeitung, bei der Entfernungskanal 9D dem Flugzeug 60 einen Streifen voraus war und sich die Phasenkanäle 9A9C auf demselben Streifen wie das Flugzeug 60 befanden, gehen bei der Einzelstreifentechnik alle Kanäle 9A9D der derzeitigen Flugzeugposition einen Streifen nach. Während das Flugzeug 60 über einen ersten Bodenstreifen fliegt, digitalisieren die Digitalisierer 18A18C die zurückkommenden Signale für den ersten Bodenstreifen und speichern die Daten in den RAM 19A19C. Der Entfernungskanal 9D und die Phasenkanäle 9A9C verarbeiten die in den RAM 19A19C gespeicherten ersten Streifendaten, während das Flugzeug 60 über einen zweiten Streifen (d. h. dem derzeitigen Streifen) fliegt. Deshalb sind die Doppler-BPF 42A42D jeweils auf den vergangenen Doppler-Streifen oder den gerade von dem Flugzeug 60 überquerten Streifen eingestellt. Während das Flugzeug 60 über einen dritten Streifen fliegt, werden die zurückkommenden Radarsignale für den dritten Streifen in den RAM 19A19C gespeichert, während die Kanäle 9A9D zurückkommende Signale von dem zweiten Streifen verarbeiten usw. Mit Ausnahme der oben beschriebenen Unterschiede arbeitet der Radar-Höhenmesser 80 im wesentlichen genauso wie die in 1 und 2 gezeigte und oben beschriebene Ausführungsform.
  • Der Radar-Höhenmesser der vorliegenden Erfindung kann in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Zum Beispiel kann man den Radar-Höhenmesser in einem unbemannten Flugzeug verwenden. Bei einer solchen Anwendung wird eine elektronische Geländeerhebungskarte in dem unbemannten Flugzeug gespeichert. Das unbemannte Flugzeug vergleicht die Ausgabe des Radar-Höhenmessers der vorliegenden Erfindung mit der gespeicherten Geländeerhebungskarte und bestimmt, wo sich das Flugzeug befindet. Der Radar-Höhenmesser der vorliegenden Erfindung kann auch als Reserve für ein GPS-System (Globales Navigationssystem) verwendet werden, falls das GPS aufgrund von Störung, Signalblockierung oder anderen Problemen ineffektiv wird.

Claims (8)

  1. Radar-Höhenmesser (8) zum Bestimmen der Höhe eines Flugzeugs (60) in bezug auf den Boden, wobei der Radar-Höhenmesser folgendes umfaßt: einen Sender (32) zum Senden von Radarsignalen zum Boden; eine erste und eine zweite Antenne (10b, 10c) zum Empfangen reflektierter Radarsignale von dem Boden; einen an die erste und zweite Antenne angekoppelten Signalprozessor mit einem Filtermittel zum Zurückweisen von anderen Signalen als von einem gewählten Bodenstreifen reflektierten Signalen, wobei der Signalprozessor die Höhe des Flugzeugs über dem Bodenniveau auf der Basis der von dem Filtermittel ausgegebenen Radarsignale bestimmt; und gekennzeichnet durch: ein Phasenmehrdeutigkeits-Auflösungsmittel zum Auflösen von Phasenmehrdeutigkeiten, die aufgrund von Mehrfach-Wellenlängenseparation der ersten und der zweiten Antenne entstehen, wobei das Phasenmehrdeutigkeits-Auflösungsmittel eine dritte Antenne (10a) in dichtem Abstand zu der ersten Antenne umfaßt, dergestalt, daß keine Phasenmehrdeutigkeiten zwischen den durch die dritte Antenne und die erste Antenne empfangenen reflektierten Radarsignalen bestehen.
  2. Radar-Höhenmesser (8) nach Anspruch 1, wobei der Signalprozessor (30) die Position des höchsten Punkts in dem gewählten Bodenstreifen bestimmt.
  3. Radar-Höhenmesser (8) nach Anspruch 1, wobei der Signalprozessor (30) einen Entfernungskanal zum Berechnen der Höhe des Flugzeugs (60) in bezug auf einen ersten Bodenstreifen enthält und mindestens zwei Phasenkanäle zum Berechnen der Position des höchsten Punkts in einem zweiten Bodenstreifen enthält, wobei der Entfernungskanal und die Phasenkanäle simultan arbeiten.
  4. Radar-Höhenmesser (8) nach Anspruch 1, ferner mit einem Speicher zum Speichern von empfangenen Radarsignalen für einen ersten Bodenstreifen, wobei der Signalprozessor (30) die empfangenen Radarsignale für den ersten Bodenstreifen verarbeitet, um die Höhe des Flugzeugs (60) über dem Bodenniveau und die Position des höchsten Punkts in dem ersten Bodenstreifen zu bestimmen, während das Flugzeug über einem zweiten Bodenstreifen fliegt.
  5. Radar-Höhenmesser (8) nach Anspruch 1, wobei der Signalprozessor (30) ein Mittel zum Zurückweisen von Signalen, die von einer anderen Quelle als dem Sender (32) stammen, enthält.
  6. verfahren zum Bestimmen der Höhe eines Flugzeugs (60) in bezug auf den Boden, mit den folgenden Schritten: Senden von Radarsignalen zum Boden; Empfangen reflektierter Radarsignale von dem Boden mit einer ersten und einer zweiten Antenne (10b, 10c); Filtern der empfangenen Radarsignale, um nur die Signale durchzulassen, die von einem gewählten Bodenstreifen reflektiert werden; Bestimmen der Höhe des Flugzeugs auf der Basis der von dem gewählten Bodenstreifen reflektierten Radarsignale; und gekennzeichnet durch den folgenden Schritt: Vergleichen der durch die erste Antenne emfangenen reflektierten Radarsignale mit durch eine dritte Antenne (10c) empfangenen Signalen, um Phasenmehrdeutigkeiten aufzulösen, die aufgrund von Mehrfach-Wellenlängenseparation der ersten und der zweiten Antenne entstehen; wobei die dritte Antenne in relativ dichtem Abstand zu der ersten Antenne angeordnet ist, dergestalt, daß keine Phasenmehrdeutigkeiten in durch die dritte Antenne und die erste Antenne empfangenen reflektierten Radarsignalen bestehen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit dem folgenden Schritt: Berechnen der Höhe des Flugzeugs (60) über dem Bodenniveau mit bezug auf einen ersten Bodenstreifen unter Verwendung eines Entfernungskanals.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit den folgenden Schritten: Digitalisieren empfangener Radarsignale für einen ersten Bodenstreifen; Speichern der digitalisierten empfangenen Radarsignale für den ersten Bodenstreifen; und Verarbeiten der digitalisierten Radarsignale für den ersten Bodenstreifen, um die Höhe des Flugzeugs (60) über dem Bodenniveau und die Position des höchsten Punkts in dem ersten Bodenstreifen zu bestimmen, während das Flugzeug über einem zweiten Bodenstreifen fliegt.
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