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Die
Erfindung betrifft Lokalisierungsvorrichtungen von Sendern und insbesondere
die Lokalisierungsverfahren terrestrischer Sender durch Satelliten.
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Es
ist aus dem Dokument
US-A-3
949 400 bekannt, einen geostationären Satelliten und eine Basis am
Boden zu verwenden, um die Position einer Bake in einer vorbestimmten
Zone zu bestimmen. Die Bake sendet ein besonderes Signal, das ihre
Identifikation erlaubt. Der Satellit weist einen Antennenstrahl
auf, der die vorgesehene Zone gemäß einem vorbestimmten Zyklus
abtastet. Der Antennenstrahl erfasst Signale nur entlang einer extrem
präzisen
Richtung. Wenn der Antennenstrahl in Richtung der Bake ausgerichtet
wird, fängt
der Satellit das Signal der Bake ab und bestimmt daher die Position
dieser Bake in Abhängigkeit
von der Position des Satelliten und der Platzierung des Antennenstrahls
auf ihrem Abtastzyklus. Er sendet die Position der Bake zu einer
Bodenstation.
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Ferner
ist aus dem Dokument
JP-08 263
853 bekannt, eine Steuereinheit zu verwenden, um eine Antenne
zu einem sendenden Kommunikationssatelliten auszurichten. Die Steuereinheit
berechnet die Amplitude der Bewegungen, die der Antenne aufzuerlegen
sind, um sie gegenüber
dem gewünschten
Satelliten zu platzieren, und steuert die Bewegungen der Antenne.
Die Ausrichtung der Antenne erfolgt genauer genommen durch Bewegen
der Antenne derart, dass die Position bestimmt wird, für die das
von dem Sendesatelliten her empfangene Signal am stärksten ist.
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Diese
Vorrichtungen und ihre Betriebsvorgehensweisen erlauben es jedoch
nur, Sender zu lokalisieren, deren Sendesignal spezifisch zum Erfassen
vorgesehen ist.
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Es
ist ferner aus dem Dokument Solution and Performance Analysis of
Geolocation von TDOA.IEEE Transactions an Aerospace and Electric
Systems, Band 29, Nr. 4, Oktober 1993, bekannt, mehrere Instrumente,
die sich nicht am gleichen Ort befinden, zu verwenden, die ausreichend
beabstandet sind, um das Ausführen
von Unterschiedsmessungen in der Streckenzeit und/oder Unterschieden
von Dopplern zu erlauben.
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Die
Dokumente Principes de traitement des signaux radar et sonar, von
De Le Chevalier, éditions
Masson, und Méthodes à haute
résolution
von S. Marcos, éditions
Hèrmes,
beschreiben Verfahren in Zusammenhang mit dem Lokalisieren von Sendern
durch Antennensysteme. Diese Art von Vorrichtung bildet die Basis für das Umsetzen
von Verarbeitungen durch Amplitudengoniometrie, Phasengoniometrie
oder anhand des so genannten „Hochauflösungsverfahrens", die das Lokalisieren
von Sendern ausgehend von Messungen erlauben, die auf Antennennetzen
ausgeführt
werden.
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Das
Dokument Principes de traitement des signaux radar et sonar, von
De Le Chevalier, éditions
Masson, beschreibt ferner ein Lokalisierungsverfahren eines Senders,
indem die Eigenschaften einer Richtantenne verwendet werden; das
Lokalisieren des Senders wird durch Bestimmen der Ausrichtung der
Antenne, für welche
die von dieser Antenne empfangenen Energie maximal ist, erzielt.
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Derartige
Vorrichtungen erlauben das Erfassen von nicht zugelassenen Sendern
oder Störsendern nicht,
die zum Beispiel das Funktionieren von Telekommunikationssystemen
stören
können.
Diese Vorrichtungen erfordern entweder mehrere verstreute Satelliten,
die mit einer Antenne zum Lokalisieren eines Senders versehen sind,
oder einen Satelliten, der mehrere Antennen aufweist.
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Es
besteht daher ein Bedarf an einer Antenne, die einen oder mehrere
dieser Nachteile löst.
In diesem Hinblick betrifft die Erfindung ein Lokalisierungsverfahren eines
terrestrischen Senders durch einen geostationären Satelliten, der mit einer
Antenne versehen ist, das Schritte umfasst, die darin bestehen,
auf dem Satelliten in mindestens zwei unterschiedlichen Augenblicken
drei orthogonale Komponenten eines elektromagnetischen Felds, das
von dem terrestrischen Sender gesendet wird, zu messen, mindestens
zwei Vektoren des elektromagnetischen Felds ausgehend von den Messungen
zu berechnen, die Ausbreitungsrichtung des elektromagnetischen Felds
ausgehend von den bestimmten Vektoren zu bestimmen, den Sender an
der Schnittstelle zwischen einer Geraden, die mit der Ausbreitungsrichtung
kolinear ist und durch den Satelliten verläuft, und der Erdoberfläche zu lokalisieren.
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Gemäß einer
Variante erfolgt das Bestimmen der Ausbreitungsrichtung des elektromagnetischen Felds
durch Identifikation eines Vektors, für den das Quadrat der Summe
der skalaren Produkte mit den bestimmten Vektoren des elektromagnetischen
Felds minimal ist.
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Gemäß einer
weiteren Variante erfolgt das Bestimmen der Ausbreitungsrichtung
des elektromagnetischen Felds durch Bestimmen eines Vektors, der
von der Summe der Vektorprodukte zwischen mindestens zwei berechneten
Vektoren des elektromagnetischen Felds definiert ist.
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Gemäß einer
weiteren Variante weist die Berechnung das Multiplizieren der Komponenten
gemessener Felder durch das Umgekehrte der Transferfunktion der
Antenne auf.
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Gemäß einer
weiteren Variante erfolgen die Lokalisierungen durch mindestens
zwei Satelliten; das Verfahren umfasst ferner einen Triangulationsschritt,
der von den zwei Satelliten ausgeführten Lokalisierungen.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft ein Lokalisierungsverfahren eines terrestrischen Senders,
der ein linear polarisiertes elektromagnetisches Feld sendet, durch
einen durchlaufenden Satelliten, das die Schritte aufweist, die
darin bestehen, auf dem Satelliten in mindestens zwei unterschiedlichen
Augenblicken drei orthogonale Komponenten eines von dem terrestrischen
Sender gesendeten elektromagnetischen Felds zu messen, Vektoren
des elektromagnetischen Felds ausgehend von den Messungen zu berechnen,
für jede
Messung eine Ebene zu bestimmen, die die Ausbreitungsrichtung des
gemessenen elektromagnetischen Felds und den Satelliten enthält, ausgehend
von den berechneten Vektoren, den Sender an der Schnittstelle mehrerer
Kreise, die von der Schnittstelle der Ebenen mit der Erdoberfläche gebildet
werden, zu lokalisieren.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft ein Lokalisierungsverfahren eines terrestrischen Senders,
der ein linear polarisiertes elektromagnetisches Feld sendet, durch
mehrere Satelliten, das Schritte aufweist, die darin bestehen, auf
dem Satelliten in einem gleichen Augenblick drei orthogonale Komponenten eines
elektromagnetischen Felds, das von dem terrestrischen Sender gesendet
wird, zu messen, Vektoren des elektromagnetischen Felds ausgehend
von Messungen zu berechnen, für
jede Messung eine Ebene zu bestimmen, die die Ausbreitungsrichtung
des gemessenen elektromagnetischen Felds und den Satelliten enthält, ausgehend
von den berechneten Vektoren den Sender an der Schnittstelle mehrerer
Kreise, die von der Schnittstelle der Ebenen mit der Oberfläche gebildet
werden, zu lokalisieren.
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Gemäß einer
Variante weisen diese Verfahren ferner einen zusätzlichen Messschritt, durch
Differenz-Dopplermessung,
durch Interferometrie oder durch Goniometrie auf.
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Gemäß einer
weiteren Variante weisen diese Verfahren ferner einen Frequenzfilterschritt
des gemessenen elektromagnetischen Felds auf.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Satelliten zum Lokalisieren eines
Senders, der eine Antenne und Mittel zum Umsetzen des erfindungsgemäßen Verfahrens
aufweist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich bei der Lektüre der folgenden
Beschreibung der Ausführungsform
der Erfindung, die beispielhaft und unter Bezugnahme auf die anliegenden
Zeichnungen gegeben wird, die Folgendes zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Satellitenantenne, die das elektromagnetische
Feld eines terrestrischen Senders empfängt;
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2 eine
schematische Darstellung der Positionen eines durchlaufenden Satelliten
beschreibt, der ein zweites Lokalisierungsverfahren umsetzt.
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Die
Erfindung schlägt
vor, das Lokalisieren eines terrestrischen Senders zu bestimmen,
indem der Vektor eines elektromagnetischen Felds in verschiedenen
Augenblicken ausgehend von einer Satellitenantenne gemessen wird.
Die Ausbreitungsrichtung des elektromagnetischen Felds sowie die
Lage des Senders werden ausgehend von den gemessenen Vektoren bestimmt.
Bei dem folgenden Beispiel empfängt
die Antenne drei orthogonale Komponenten des elektromagnetischen
Felds, es reicht jedoch erfindungsgemäß, drei nicht koplanare Komponenten
zu messen, um das Feld wiederherzustellen.
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1 stellt
einen terrestrischen Sender 1 dar, der ein elektromagnetisches
Feld E sendet, dessen Ausbreitungsrichtung
durch u dargestellt ist. Ein
Satellit 2, der in Erdumlaufbahn platziert ist, weist eine
Antenne 3 auf, die drei orthogonale Komponenten des elektromagnetischen
Felds empfangen kann, das nicht linear auf der Ebene der Antenne
polarisiert ist.
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Die
für den
Empfang des elektromagnetischen Felds verwendete Antenne kann drei
orthogonale Dipole auf weisen, die zum Beispiel in linearer Polarisation
drei zueinander orthogonale Komponenten eines elektromagnetischen
Felds empfangen können.
Es ist auch möglich,
eine Antenne zu verwenden, die einfach drei Komponenten eines elektromagnetischen
Felds, die nicht kolinear sind, wie oben beschrieben zu verwenden. Da
die unten präsentierten
Lokalisierungsverfahren im Wesentlichen von der Frequenz des elektromagnetischen
Felds unabhängig
sind, gelten sie insbesondere für
eine Antenne des Typs Breitbandantenne, die zum Beispiel mehrere
Oktaven empfangen kann. Man kann zum Beispiel Monopolantennen, Rahmenantennen, Schleifenantennen
oder Antennen auf Dipolbasis verwenden.
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Das
elektromagnetische Feld ist durch einen Vektor dargestellt, der
sich in einer Polarisierungsebene befindet. Die Schwingungen des
elektromagnetischen Felds befinden sich jederzeit in dieser Ebene,
denn ungeachtet der Polarisierung eines gesendeten elektromagnetischen
Felds ist das elektromagnetische Feld immer zu seiner Ausbreitungsrichtung
orthogonal.
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Ein
Lokalisierungsverfahren gemäß einer
ersten Ausführungsform
weist einen ersten Schritt auf, der darin besteht, Messungen der
drei Komponenten des elektromagnetischen Felds in verschiedenen
Augenblicken ausgehend von einem geostationären Satelliten auszuführen. Die
Ausbreitungsrichtung des empfangenen elektromagnetischen Felds bleibt
daher für
jede Messung identisch. Ausgehend von jeder Messung des elektromagnetischen
Felds bestimmt man Momentanvektoren des elektromagnetischen Felds.
Wenn daher die Polarisierung des elektromagnetischen Felds nicht
linear ist, sind die verschiedenen bestimmten Vektoren nicht kolinear.
Das Lokalisierungsverfahren weist das Bestimmen der Ausbreitungsrichtung
des elektromagnetischen Felds auf, das heißt das Bestimmen eines Vektors u senkrecht zu mindestens
zwei durch Messung bestimmten Vektoren des elektromagnetischen Felds.
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Ein
erstes Verfahren besteht darin, n Messungen des elektromagnetischen
Felds auszuführen
und n Vektoren En zu bestimmen,
die für
diese Messungen repräsentativ
sind, und den Einzelvektor u zu
bestimmen, für
den die Summe der Projektionen dieser n Vektoren am geringsten ist.
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Wir
nennen hier das von dem Sender gesendete elektromagnetische Feld E. Die Momentankoordinaten
von E in einer Markierung
(u1, u2) der Polarisierungsebene können zum
Beispiel die folgende Form haben: E(E1·cos (ωt + ϕ),
E2·sin
(ωt + ϕ)).
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Die
Komponenten der Vektoren En werden in einer Antennenmarkierung (
X,
Y,
Z)
dargestellt. Um die Berechnungen zu erleichtern, wählt man
eine Markierung (
X,
Y,
Z) derart aus, dass
u1 in der Ebene (
X,
Y)
liegt. Die Komponenten von
E in
der Markierung (
X,
Y,
Z) präsentieren
sich daher in der folgenden Form:
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Da
die Ausbreitungsrichtung zu dem Polarisierungsfeld orthogonal ist,
muss die folgende Gleichung jederzeit wahr sein: E u = 0
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In
der Praxis reicht es daher, den Vektor
u zu
bestimmen, für
den die Variable J, die wie folgt definiert wird, minimal ist: (der
Vektor
u wird auch von den
Antennenseitenwinkeln θ und
Erhebungswinkeln ∊ in der Antennenmarkierung definiert)
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Man
kann daher die Position des Senders ausgehend von der Position des
Satelliten und des bestimmten Ausbreitungsvektors u bestimmen. Dazu reicht es, einen Schnittpunkt
zwischen einer Geraden, die durch die Antenne verläuft und
die gleiche Richtung hat wie der Vektor u, und der Erdoberfläche zu definieren. Man bestimmt
im Allgemeinen zwei Punkte auf der Erdoberfläche auf diese Art. Der Sender
entspricht dem der Punkte, der sich gegenüber der Antenne befindet.
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Gemäß einem
weiteren Verfahren ist es auch möglich,
einen Vektor
u zu bestimmen,
indem das Vektorprodukt der verschiedenen Vektoren
En untereinander ausgeführt wird. Man kann zum Beispiel
den Vektor
u durch die folgende
Formel bestimmen:
indem man die Glieder
Ei∧
Ej,
die nicht zur Erde gerichtet sind, eliminiert.
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Die
Antenne misst im Allgemeinen nicht das reale elektromagnetische
Feld sondern ein elektromagnetisches Feld, das die Transferfunktion
der Antenne eingreifen lässt.
Insbesondere in dem Fall, in dem es sich nicht um eine Rundstrahlantenne
handelt, ist es daher wünschenswert,
die Transferfunktion der Antenne beim Bestimmen der Vektoren En eingreifen zu lassen.
Ein Rechner empfängt
n Vektoren E'n des augenblicklichen elektromagnetischen
Felds, die von der Antenne gemessen werden. Der Rechner bestimmt
daher n Vektoren En unter
Berücksichtigung
der Transferfunktion der Antenne. Die bestimmten Vektoren En nähern sich daher Vektoren des
realen elektromagnetischen Felds.
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Indem
man die der Transferfunktion der Antenne entsprechende Matrix mit
G bezeichnet, können
die Vektoren
En daher durch
Einsatz der folgenden Formel gebildet werden:
En = G–1(θ,∊)·E'nwobei
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Gemäß einer
Perfektionierung dieser Verfahren verwendet man zwei beabstandete
Satelliten, die Simultanmessungen ausführen. Man führt danach eine Triangulation
der Lokalisierungen der Satelliten im Sinne des Wahrscheinlichkeitsmaximums
aus, um eine Lokalisierung des Senders mit verbesserter Präzision zu
erzielen.
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In
bestimmten Fällen
erreicht jedoch das linear von einem Sender gesendete elektromagnetische
Feld die Antenne mit einer linearen Polarisierung, nachdem es die
Atmosphäre
durchquert hat. Unten werden weitere Ausführungsformen dargelegt, die
es erlauben, einen Sender für
diesen Polarisierungstyp zu lokalisieren.
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Eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung betrifft daher ein Verfahren, das es erlaubt, einen
Sender ausgehend von einer Antenne eines durchlaufenden Satelliten
zu lokalisieren. Wie das in 2 dargestellt
ist und gemäß den Zeitintervallen,
die zwischen den Messungen definiert sind, kann sich ein derartiger
Satellit im Vergleich zu dem Sender, den er lokalisieren muss, beträchtlich
weiter bewegt haben. Die Ausbreitungsrichtung des elektromagnetischen
Felds, das von der Antenne des Satelliten empfangen wird, hat daher
zwischen den Messungen variiert. Die Messung eines Vektors eines
elektromagnetischen Felds erlaubt es, eine Ebene senkrecht zu diesem
Vektor zu bestimmen, in der die Ausbreitungsrichtung enthalten ist.
Man kann daher die Schnittstelle einer derartigen Ebene mit der Erdoberfläche definieren.
Diese Schnittstelle hat global die Form eines Kreises, auf dem sich
der Sender befindet. Indem man zwei Messungen ausgehend von zwei
unterschiedlichen Positionen in unterschiedlichen Augenblicken ausführt, kann
man die Position des Senders bestimmen, indem man die Schnittstelle
von zwei derart auf der Oberfläche
gebildeten Kreisen definiert.
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Eine
dritte Ausführungsform
der Erfindung betrifft ein Verfahren, das es erlaubt, den Sender
ausgehend von zwei entfernten Satelliten zu lokalisieren. Die zwei
Satelliten führen
jeweils eine nicht gleichzeitige Messung aus, um einen Vektor eines
elektromagnetischen Felds zu bilden. Ausgehend von jedem Vektor
kann man eine Ebene bestimmen, die senkrecht zu ihm ist. Wie bei
dem vorhergehenden Verfahren, definiert man Kreise auf der Erdoberfläche. Der
Sender befindet sich an einer Schnittstelle dieser Kreise.
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Gemäß einer
Variante dieser Vorgehensweisen führt man gleichzeitig ergänzende Messungen
aus, wie zum Beispiel Differenz-Dopplermessungen, durch Interferometrie
oder durch Goniometrie. Man kann daher eine genauere Lage des Senders
erzielen.
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Gemäß einer
weiteren Variante dieser Verfahren führt man eine Frequenzunterscheidung
des empfangenen elektromagnetischen Felds durch. Man kann zum Beispiel
eine Fourier-Transformierte des empfangenen elektromagnetischen
Felds ausführen.
Man kann auch ein Filtern und ein Vorverarbeiten zum Frequenztrennen
des empfangenen elektromagnetischen Felds ausführen, um die Messungen auf
ein bestimmtes Frequenzband einzuschränken. Man kann daher die Verarbeitung
der Komponenten des elektromagnetischen Felds in einer Frequenzauflösungszelle
einschränken.
Eine solche Einschränkung
erlaubt es, Sender mit unterschiedlichen Frequenzen zu unterscheiden.
Man kann daher Sender unabhängig
von ihrer Sendefrequenz lokalisieren. Eine solche Ein schränkung erlaubt
auch das Unterscheiden der Sender gleicher Frequenz, die unterschiedliche
terrestrische Lokalisierung haben, die zu unterschiedlichen Dopplern
führen.
