-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Ortung von Sendern.
-
Sie liegt im Bereich der Funkgoniometrie für die
Ortung von Funksendern mittels einer einzigen Station, die
auch mit LSU abgekürzt bezeichnet wird.
-
Im Hochfrequenzbereich zwischen 1 und 30 MHz verläuft
ein großer Teil des Funkverkehrs über ionosphärische
Wellenausbreitung. Diese Ausbreitungsart ermöglicht Verbindungen
über große Entfernungen aufgrund der Reflexion der Wellen an
den ionisierten Schichten der Atmosphäre. Um eine Funkquelle
zu orten, enthält ein LSU-Ortungsgerät üblicherweise ein
Netz von Antennen, das an eine Signalverarbeitungseinheit
gekoppelt ist, um durch eine Winkelberechnung den Azimut-
und Elevationswinkel jeder vom Antennennetz empfangenen
einfallenden Funkwelle zu bestimmen. Die Bestimmung der
Azimuth- und der Elevationswinkel ergibt sich durch ein
Interferometer, das die Phasenverschiebungen zwischen den
von den verschiedenen Antennen des Netzes gelieferten
Signalen mißt.
-
Diese Technik ermöglicht beispielsweise mithilfe von
drei Funkgoniometern die geographische Ortung einer
Signalquelle ausgehend vom Azimutwert, der von jedem
Funkgoniometer geliefert wird, im Schnittpunkt der drei entsprechenden
Erfassungsgeraden. Um eine gute Genauigkeit zu erreichen,
müssen die Funkgoniometer relativ zur zu ortenden Quelle
weit entfernt voneinander angeordnet sein.
-
Diese Technik erlaubt aber auch für Quellen, die
beispielsweise mehr als 1000 km voneinander entfernt sind,
die Verwendung von nur einem interferometrischen
Funkgoniometer, der dem erfaßten Azimutwinkel eine Schätzung der
Entfernung zwischen der Quelle des ausgesendeten Signals und
dem Funkgoniometer zuordnet, wobei diese Entfernung abhängig
Schichten der Atmosphäre berechnet wird.
-
Der Nutzen dieser letztgenannten Verwendungsart liegt
darin, daß sie beispielsweise Sender orten kann, wenn aus
geographischen Gründen wegen der erforderlichen
Installationszeit und der Verfügbarkeit von Geräten eine
vollständige Ortungskette durch Triangulation nicht aufgebaut werden
kann.
-
Die LSU-Ortung wurde bisher mithilfe von
schmalbandigen Funkgoniometern mit sequenzieller Phasenerfassung oder
mit paralleler Phasenerfassung ausgehend von Messungen
realisiert, die alle einer gleichen Polarisierung
entsprechen, wobei die Polarisierung der Antennen sich oft von der
Polarisierung der ankommenden Wellen unterschied. Da jede
ankommende Welle elliptisch polarisiert ist und als Ergebnis
einer rechtsdrehenden und einer linksdrehenden zirkular
polarisierten Welle betrachtet werden kann, führt die Arbeit
bei der LSU-Ortung an einer einzigen Polarisation notwendig
zu Auslöschungen der Polarisation. Um diese Erscheinung zu
vermeiden, wurden andere Systeme realisiert, die mit
sogenannter automatischer Polarisation arbeiten, aber jeweils
nur eine Polarisation der ankommenden Welle auswerten. Da
diese Systeme sich stets auf die Polarisation umschalten,
die den höchsten Signalpegel liefert, ist eine Auslöschung
der Polarisation nicht mehr möglich. In diesen Systemen ist
jedoch die Polarisation der Antennen nicht immer an die der
ankommenden Wellen gut angepaßt, woraus ein Verlust
hinsichtlich des Pegels des Empfangssignals folgt.
-
Für eine Ortung mittels Triangulation unter
Verwendung von drei Funkgoniometern liefern die Systeme mit
automatischer Polarisation zufriedenstellende Ergebnisse, da
alle ionosphärischen Ausbreitungsmodi die Eigenschaft haben,
Meßergebnisse in Azimutrichtung bis auf eine Streuung oder
sogenannte "Tilt"-Fehler genau zu liefern. Die Messung ist
jedoch weniger genau, als wenn die Azimutberechnung unter
Berücksichtigung der Polarisationskomponenten des Signals
durchgeführt würde.
-
Für eine Ortung mithilfe nur einer Station ist das zu
lösende Problem schwieriger, da alle verschiedenen
Ausbreitungsmodi, durch einfache Reflexion oder doppelte Reflexion
an verschiedenen Schichten der Ionosphäre, durch eine Welle
entlang der Erdoberfläche oder eine ionosphärische Welle, im
normalen oder außerordentlichen Modus, für eine gemeinsame
Sendequelle jeweils unterschiedliche Werte in
Elevationsrichtung liefern. Wenn man also nur eine Polarisation
behandelt, dann kann dies unter diesen Bedingungen nur zu einem
Informationsverlust und zu einem Ausschluß bei der
Behandlung bestimmter Ausbreitungsmodi führen.
-
Im besten Fall, wenn nämlich die Ausbreitungsmodi
sich überlagern, ist die Ortung lediglich weniger genau. In
anderen Fällen jedoch kann die geschätzte Entfernung
vollständig falsch sein, wenn beispielsweise der
Elevationswinkelwert einer ankommenden Welle mit einer bestimmten
Polarisation nicht berücksichtigt werden konnte, obwohl er
zur Unterscheidung einer Welle entlang der Erdoberfläche von
einer ionosphärischen Welle oder auch einer einfachen
Reflexion von einer doppelten Reflexion führen könnte.
-
Ziel der Erfindung ist es, dieses Problem zu lösen,
indem die beiden Polarisationen des in einer LSU-Station
empfangenen Signals gemeinsam ausgewertet werden.
-
Hierzu ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur
Ortung von Funksendern für ein Funkgoniometer mit nur einer
Station, dadurch gekennzeichnet, daß in Azimut- und
Elevationsrichtung jede empfangene Welle gemessen wird, die in
eine erste, rechtsdrehend zirkular polarisierte normale
Welle und eine zweite, linksdrehend zirkular polarisierte
außerordentliche Welle zerlegt wird, daß zwei
Entfernungshistogramme in Elevationsrichtung bezüglich jeder der beiden
Wellen ausgehend von zwei
Elevations/Entfernungs-Vorhersagekurven konstruiert werden, die den Ausbreitungen der
normalen Welle und der außerordentlichen Welle zugeordnet sind,
und daß ausgehend von diesen beiden Histogrammen eine
globale Entfernung zur Ortung des Senders berechnet wird.
-
Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden nun
anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
-
Fig. 1 zeigt eine Verteilung der ionisierten
Schichten der Erdatmosphäre.
-
Die Fig. 2A bis 2F zeigen mehrere Ausbreitungsmodi
von Funkwellen in den Schichten der Ionosphäre.
-
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines von n
Empfangskanälen eines erfindungsgemäßen Funkgoniometers.
-
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Ablaufdiagramms.
-
Fig. 5 zeigt eine Verarbeitungsalgorithmus für die
Durchführung der Verfahrensschritte der Erfassung der Pakete
in Elevationsrichtung und der Entfernungsberechnung in Fig.
4.
-
Die Fig. 6A, 6B und 6C zeigen Histogramme, die für
die Ortung der Funksender in Elevationsrichtung verwendet
werden.
-
Fig. 7 zeigt eine Kurve der ionosphärischen
Voraussagen.
-
Wie Fig. 1 zeigt, ist die Ionosphäre der ionisierte
Bereich der Erdatmosphäre, der sich von 50 bis 2000 km Höhe
über der Erdoberfläche befindet. Dieser Bereich ist in
mehrere Schichten D, E, F&sub1;, F&sub2; unterteilt, von denen die
Schicht nur absorbierend wirkt.
-
Für eine bestimmte Frequenz und einen bestimmten
Elevationswinkel sind im allgemeinen mehrere
Ausbreitungsmodi möglich, wie sie in den Fig. 2A bis 2F gezeigt sind.
Für Entfernungen unter 2500 km gibt es nur einfache
Ausbreitungsmodi, die in Fig. 2A mit 1E und 1F bezeichnet
sind, oder doppelte Modi, die in Fig. 2B mit 2E und 2F
bezeichnet sind. Dagegen gibt es dort keine Mischmodi, wie
sie in den Fig. 2C bis 2F gezeigt sind.
-
Da die Ionosphäre ein anisotropes Milieu ist, gibt es
im allgemeinen zwei charakteristische Wellen in Verbindung
mit einem gegebenen Peilwinkel, nämlich eine normale und
eine außerordentliche Welle. Für sogenannte
quasilongitudinale Konfigurationen, die der Realität sehr nahekommen, kann
man zeigen, daß diese beiden Wellen zirkular polarisiert
sind, und zwar links- oder rechtsdrehend.
-
Für jeden Ausbreitungsmodus verlaufen diese beiden
Wellen gemäß geringfügig unterschiedlichen Pfaden. Die
außerordentliche Welle wird im allgemeinen stärker gedämpft
als die normale Welle und besitzt einen etwas größeren
Elevationswinkel als diese. Es kommt aber oft vor, daß die
normalen und außerordentlichen Wellen sich gemäß zwei
unterschiedlichen Modi ausbreiten. Beispielsweise könnte die
normale Welle sich als bodennahe Welle und die
außerordentliche Welle als eine an der Schicht E reflektierte Welle
ausbreiten.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet die oben
beschriebenen Merkmale der ankommenden Welle auf optimale
Weise. Da zwei unterschiedliche Wellen existieren, werden
diese getrennt verarbeitet, da die von jeder dieser Wellen
transportierten Informationen spezifisch sind. Wie Fig. 3
zeigt, verwendet man gekreuzte Antennenrahmen 1. Die beiden
am Ausgang der Antennen 1 empfangenen Signale werden in
einer hybriden Schaltung 2 unter 90º kombiniert. Diese
Schaltung entkoppelt das an der Antenne 1 empfangene Signal
in eine rechtsdrehende und eine linksdrehende Polarisation
und ermöglicht so die Trennung der normalen Welle (O) und
der außerordentlichen Welle (X). Ein Verarbeitungsorgan 3 in
Form eines Signalprozessors oder einer anderen
gleichwertigen Vorrichtung erlaubt die Verarbeitung der Wellen (0) und
(X) in Echtzeit. Diese Verarbeitung findet gemäß den
Schritten 4 bis 7 des in Fig. 4 gezeigten Ablaufdiagramms
aufgrund einer Umschaltung nach jeder elementaren Messung des
Signals von einer Polarisation zur anderen statt. In den
Schritten 41 und 42 werden zwei Entfernungshistogramme konstruiert
und verarbeitet, indem Entfernungs-Vorhersagekurven
berücksichtigt werden. Die beiden Wellen (O) und (X) werden
in den Schritten 5&sub1;, 5&sub2; und 6&sub1;, 6&sub2; spezifisch verarbeitet, um
elementare Entfernungen unter Verwendung von zwei
unterschiedlichen Vorhersagekurven für elementare Entfernungen zu
berechnen.
-
Dann wird im Schritt 7 eine endgültige Entfernung aus
den elementaren Entfernungen extrahiert, die einen
gemeinsamen, einer Vorhersagekurve zugeordneten Modus entsprechen.
-
Dieses Prinzip erlaubt es, die Fälle zu bearbeiten,
die mit nur einer Polarisation mehrdeutig wären.
-
In zahlreichen Fällen ist es in der Praxis möglich,
erdnahe Wellen zu diskriminieren und einfache und doppelte
Reflexionen voneinander zu unterscheiden, sodaß sich weniger
widersprechende Ergebnisse und eine höhere Genauigkeit
ergeben.
-
Die Entfernungsberechnung bei der Ortung findet für
jedes Histogramm 41 gemäß dem in Fig. 5 gezeigten
Flußdiagramm statt.
-
Ausgehend von den Echtzeitmessungen der
rechtsdrehenden und der linksdrehenden Polarisation wird jedes
Histogramm in Elevationsrichtung während der T letzten
Erfassungssekunden der elementaren Goniometriewerte konstruiert,
wobei T die Zeit für die Erfassung der Berechnung ist. Die
I-te Säule des Histogramms enthält die Anzahl der während T
Sekunden empfangenen Meßwerte, deren Elevationswinkel sich
für eine gegebene Polarisation im Intervall [Iº, I+1º] befindet.
-
Da die verschiedenen ionosphärischen Erscheinungen,
die in der Ionosphäre auftreten, Fehler und Streuungen
bezüglich der Ankunftswinkel der empfangenen Signale
induzieren, erfolgt eine Filterung der Histogramme in
Elevationsrichtung im Schritt 8, um bedeutungslose oder falsche
Werte zu eliminieren und den signifikanten Werten der
Elevationswinkel ein größeres Gewicht zu verleihen.
-
Da für jede Säule der Histogramme ihr Anteil
bezüglich
der Gesamtheit der Ergebnisse bekannt ist, erlaubt
eine Zusammenfassung der Säulen, wie dies aus den Fig.
6A, 6H und 6C hervorgeht, die Konstruktion von Wertepaketen
in Elevationsrichtung, die durch ihre von zwei Mindestwerten
gebildeten Grenzen und durch ihren Elevations-Mittelwert
bestimmt sind, der durch das Gewicht der Säulen gewichtet
wird. Diese Zusammenfassung erfolgt im Schritt 9.
-
Eine Analyse der beiden Histogramme und der
Gesamtheit der jedem dieser Histogramme zugeordneten Pakete, und
insbesondere der kleinen Elevationswinkel, erlaubt in den
Schritten 10 und 11 die Feststellung, ob die empfangene
Welle eine bodennahe Welle oder eine Welle ist, die in einer
ionosphärischen Schicht über eine oder mehrere Reflexionen
verlaufen ist. Dieser Bereich der Verarbeitung ist sehr
wichtig, da er es erlaubt, den Unterschied der Polarisation
zur Verarbeitung zahlreicher Fälle heranzuziehen, die mit
Messungen bei einer einzigen Polarisation mehrdeutig wären.
-
Oft kommt es nämlich vor, daß die normale Welle
entlang der Erdoberfläche verläuft, während die
außerordentliche Welle einmal an der Schicht E reflektiert wurde, oder
daß die Welle (O) über zwei Reflexionen verläuft, während
die Welle (X) nur über eine Reflexion verläuft.
-
Eine Verarbeitung der Entferungsvoraussagen erfolgt
dann in den Schritten 12, 13 und 14.
-
Für diese Verarbeitung kann man die Vorhersage-
Software aufgrund des Programms HRMNTH de CCIR (Datenbasis
von Neu-Delhi) nutzen. Diese Software ergibt eine
Vorhersagedatei bezüglich eines gegebenen Orts. Eine Modellbildung
im Einklang mit den Empfehlungen des Berichts 640.4 Vol. VI
CCIR erfolgt dann bezüglich der in Ausführung des Programms
HRMNTH erhaltenen Daten.
-
Diese Modellbildung erfolgt für die Schicht E unter
Verwendung der Formel von MEGGLETON, für den Valléemodus und
die Schicht F&sub1; unter Verwendung des Modells von DICK &
BRAD-LEY und für die Schicht F&sub2; unter Verwendung des Modells von
BRADLEY-DUDENEY.
-
Die Ausbreitungspfade in der Ionosphäre werden dann
durch ein Programm für den Verlauf der Strahlen ausgehend
von der Kenntnis der vertikalen Verteilung der
elektronischen Dichte bestimmt.
-
Zwei Kurven der in Fig. 7 dargestellten Art werden
dann konstruiert, nämlich eine für den normalen Modus und
eine andere für den außerordentlichen Modus.
-
Eine Vorhersagedatei erlaubt es, für eine bestimmte
Zeit, ein bestimmtes Datum, eine bestimmte Frequenz und
einen bestimmten Ort die Gesamtheit der Entfernungen
entsprechend den gewünschten Elevationswinkeln (Histogramme) zu
erhalten, und zwar für jeden der beiden Modi.
-
Die Vorhersagen werden für die Mittelwerte der
Elevationswinkel und für jedes der Histogramme bestimmt.
-
Da jedem Histogramm nacheinander die beiden Kurven
zugeordnet werden, ergeben sich im Schritt 14 vier
Entfernungstabellen.
-
Ausgehend von den vier obigen Tabellen werden vier
Elementarentfernungen aufgrund einer in dem Schritt 5i
durchgeführten Verarbeitung extrahiert, um die einfachen und
doppelten Reflexionen voneinander zu trennen, und ausgehend
von den vier elementaren Entfernungen DGO, DGX, DDO, DDX wird
eine endgültige Entfernung im Schritt 15 erhalten, indem
durch Zusammenfassung der gewichtete Mittelwert der beiden
einander nächstliegenden Entfernungen entsprechend zwei
unterschiedlichen Histogrammen und zwei unterschiedliche
Ausbreitungskurven gebildet wird.
-
Diese Entfernung wird einem radialen Fehler, einem
longitudinalen Fehler, einer Gewichtung und einer Variablen
zugeordnet, die angibt, ob eine doppelte Reflexion in einem
der Histogramme vorgelegen hatte. Der radiale Fehler ist
unmittelbar von der typischen Abweichung in Azimutrichtung
abhängig. Der longitudinale Fehler hängt von den Noten der
elementaren Meßqualität und von der Streuung dieser Meßwerte
in Elevationsrichtung ab.
-
Die beiden Fehler validieren die Ortung, indem sie
ihr ein Erwartungsintervall zuordnen (Unsicherheitsellipse).
-
Nach jeder Entferungsberechnung werden die
geographischen Daten im Schritt 16 nicht nur berechnet, um einem
Benutzer übermittelt zu werden, sondern auch, um in einem
Rechner verwertet zu werden. Dies erlaubt es aufgrund einer
nicht dargestellten anpassungsfähigen Verarbeitung, so lange
der Benutzer den gleichen Sender verfolgt, laufend
Vorhersagen über den Mittelwert der vorher berechneten Entfernung zu
liefern. Während jeder ersten Ortung werden diese
Koordinaten auf die Koordinaten des Goniometers initialisiert.
-
So lange der Benutzer denselben Sender verfolgt, kann
beispielsweise alle zwei Sekunden eine neue Entfernung in
einem Pufferregister gespeichert werden.
-
Im Schritt 17 kann der Benutzer in jedem Augenblick
eine globale Ortung entsprechend der Integration der N
vorher berechneten elementaren Entfernungen abrufen.