Funkpeilsysteme mit dem Signalgenerator testen.

Einleitung

Funkpeilung (Direction Finding) ist eine Anwendung im militärischen, öffentlichen und zivilen Bereich. Hierbei wird eine Radiosignalquelle (RF-Quelle) geortet, indem man das ausgestrahlte Spektrum dieser Quelle analysiert.

Für militärische Anwendungen kann dies die Ortung von Feuerleitsystemen, von nicht identifizierten Fahrzeugen oder mobilen Radiosendestationen sein. Im öffentlichen Bereich wird die Funkpeilung genutzt, um illegale Radioquellen oder Störer im Radiospektrum zu lokalisieren. Im zivilen Bereich werden zum Beispiel Wildtiere mittels befestigter Sender geortet, Lawinenopfer aufgespürt oder meteorologische Testballons sowie Satelliten verfolgt.

Methoden der Funkpeilung

Empfangswinkel

Die einfachste Methode zur Funkpeilung ist die Methode des Empfangswinkels (AoA, Angle of Arrival). Hierbei kommt eine Antenne mit einer Richtcharakteristik zum Einsatz. Indem man die Antenne rotiert und dabei den Empfangspegel und den zugehörigen Azimutalwinkel aufzeichnet, ergibt sich die Richtung, d. h. der Azimutalwinkel zur RF-Quelle (RF, Radiofrequenz) als derjenige Winkel, bei dem der Empfangspegel maximal ist. Die Position der RF-Quelle kann dadurch noch nicht ermittelt werden, da die Sendeleistung der RF-Quelle in der Regel unbekannt ist und keine Möglichkeit besteht, diese eindeutig zurückzuverfolgen.

Die Methode kann verbessert werden, indem man mit mehreren Antennen gleichzeitig misst oder mit einer Antenne mehrere Messungen an verschiedenen Positionen durchführt. Letzteres setzt voraus, dass ein sich wiederholendes Signal vorliegt. Über die Empfangswinkel und zugehörigen Positionen kann mittels Triangulation die Position der RF-Quelle bestimmt werden. Dies funktioniert bereits mit zwei Messungen in der Ebene, jedoch verbessert eine größere Anzahl an Messungen in verschiedenen Positionen die Genauigkeit.

Einschränkungen dieser Methode der Empfangswinkelmessung ergeben sich unter anderem aus der Mehrwegeausbreitung des RF-Signals, die auftritt, wenn das Signal mehrfach reflektiert, gestreut oder gebrochen wird, bevor es den Empfänger erreicht. Dabei muss das direkt empfangene Signal (LOS, Line of Sight) nicht unbedingt den größten Pegel besitzen. In jedem Fall kommt es zu verzerrten und verzögerten Signalanteilen, die die Messungen negativ beeinflussen.

Weitere Einschränkungen sind gegeben durch Umwelteinflüsse auf die Signalausbreitung: Atmosphärische Störungen, Bodengegebenheiten oder teilweise Verdeckungen beeinträchtigen ebenfalls die Genauigkeit der Messungen. Hier sind insbesondere hohe Gebäude mit schmalen Straßen zu nennen. Zusätzlich können wechselnde Wetterbedingungen wie die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und der Luftdruck das RF-Signal brechen und die Genauigkeit reduzieren.

Darüber hinaus wird die Methode durch Rauschen beeinflusst. Es kann sich hier um das Eigenrauschen des Empfängers handeln oder von anderen Quellen in der Umgebung verursacht werden. Bei kleinen RF-Signalpegeln wird dadurch das Finden des Maximums beeinträchtigt. Es ist jedoch möglich, durch zusätzliche Maßnahmen im Schätzprozess das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Dies erfordert eine Abwägung zwischen benötigter Genauigkeit, Systemkosten und Komplexität der Berechnung.

Doppler-Funkpeilung

Eine andere Methode zur Funkpeilung ist die Anwendung des Doppler-Effekts. Dazu werden typischerweise vier Antennen gleichmäßig kreisförmig angeordnet. Die Empfänger arbeiten synchron und es wird die Phasendifferenz zwischen den Antennen analysiert. In Analogie zum Doppler-Effekt bei Schallwellen tritt der gleiche Effekt auch bei Radiowellen auf. Jede Antenne empfängt das RF-Signal mit einer anderen Dopplerverschiebung, basierend auf der direkten Geschwindigkeit der RF-Quelle.

Dies setzt eine sich bewegende RF-Quelle voraus, was nicht unbedingt gegeben ist. Alternativ könnte man die Antennenanordnung rotieren lassen, was jedoch nicht sehr praktikabel ist. Stattdessen ist es einfacher und mit geringem Hardware-Aufwand umsetzbar, die Antenne samt Empfänger zyklisch an- und abzuschalten. Dies erzeugt den gleichen Effekt wie bei einer rotierenden Antennenanordnung.

Die Auswertung der Phasenverschiebungen der Antennen ergibt die Richtung der RF-Quelle. Einschränkungen der Doppler-Funkpeilung ergeben sich unter anderem durch schnell bewegte RF-Quellen, RF-Quellen mit polarisierten Signalen oder lückenhaft sendende, verrauschte RF-Quellen. Dies führt dazu, dass die Doppler-Methode eher in den unteren Frequenzbändern als kostengünstige Variante genutzt wird.

Watson-Watt-Funkpeilung

Die Watson-Watt-Funkpeilung ist nach ihrem britischen Erfinder benannt. Sie basiert auf einer Amplitudenmessung mit gekoppelten Antennen. Die Antennenanordnung entspricht den Eckpunkten eines Quadrats. Das Koppeln der gegenüberstehenden Antennen implementiert die Richtcharakteristik des Systems. Trifft nun ein Signal entlang einer Diagonale des Quadrats auf die Antennenanordnung, so erzeugt es bei dem Paar, das längs dazu orientiert ist, ein Signal. Bei dem anderen Paar wird das Signal dagegen ausgelöscht. Für andere Richtungen können die Signale der Antennenpaare überlagert werden, sodass man die Richtung der RF-Quelle bestimmen kann.

Die Technik ist doppeldeutig: So kann zum Beispiel das o. g. Signal entlang der Diagonalen auch aus der Gegenrichtung kommen (um 180° gedreht). Dies lässt sich einfach beheben, indem man im Mittelpunkt des Quadrats einen fünften Empfänger anbringt.

Die Methode ist in zahlreichen Frequenzbändern anwendbar und auch für kurze RF-Pulse geeignet. Darüber hinaus benötigt sie keinen großen Rechenaufwand zur Richtungsbestimmung. Nachteilig bei dem Verfahren ist allerdings, dass nur die Richtung ermittelt wird und nicht die Position der RF-Quelle. Zusätzlich ergeben sich bei der Watson-Watt-Methode Schwierigkeiten mit RF-Quellen, die nicht in derselben Ebene liegen, sondern erhöht positioniert sind.

TDOA-Funkpeilung (Zeitunterschied der Ankunft)

Die TDOA-Methode (TDOA, Time Difference of Arrival) stellt eine Messung im Zeitbereich dar. Mehrere zeitsynchronisierte Empfänger messen die Empfangszeit von eintreffenden RF-Pulsen. In Abhängigkeit des Standorts der Empfänger werden paarweise die Zeitdifferenzen der Empfänger berechnet.

Hierzu ein Beispiel mit zwei Empfängern: x und y seien die Abstände zwischen dem jeweiligen Empfängerpaar und der RF-Quelle. Aufgrund der Position der Empfänger und der Zeitdifferenz des eintreffenden RF-Pulses lassen sich mit der Lichtgeschwindigkeit c des Mediums mögliche Positionen der RF-Quelle berechnen (siehe Formel unten). Mathematisch betrachtet erhält man eine Hyperbel, das bedeutet, dass es für die RF-Quelle eine Vielzahl von Positionen gibt, die der gemessenen Zeitdifferenz entsprechen. Für den Fall, dass die Zeitdifferenz null ist, ergibt sich eine Gerade, die mittig zwischen den beiden Empfängerpositionen verläuft und orthogonal zur Verbindungslinie zwischen den beiden Positionen steht.

Korrelative Interferometrie

Die korrelative Interferometrie ist eine Technik aus der Radioastronomie. Man empfängt ein RF-Signal mittels mehrerer kohärenten Empfänger, die typischerweise gleichmäßig auf einer Kreislinie angeordnet sind. Die empfangenen Signale werden anschließend paarweise miteinander korreliert und ausgewertet. Da in diesem Fall zwei gleiche, zeitverschobene Signale miteinander korreliert werden, sagt die Signaltheorie voraus, dass die Korrelationsfunktion – als Funktion der Zeit – ein Maximum bei der zeitlichen Verschiebung der empfangenen Signale besitzt.

Die Methode hat mehrere Vorteile gegenüber den oben genannten Methoden. Zum einen hat sie eine deutlich höhere Genauigkeit und geringe Störanfälligkeit. Auch im Fall von Mehrwegeausbreitung, Polarisation oder Elevation sind die Messungen präziser verglichen mit den anderen Methoden. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Maximalwert der Korrelationsfunktion ein Maß für die Qualität der Messung ist. Das heißt, ein höherer Maximalwert bedeutet auch eine höhere Qualität der Messung.

Ein Nachteil dieser Methode besteht in dem hohen Rechenaufwand und dem komplexen Design für die kohärenten Empfänger.

Hybride Methoden der Funkpeilung

Die beschriebenen Methoden können kombiniert werden zu sogenannten hybriden Methoden der Funkpeilung. Neben der Methodenkombination zum automatisierten Auffinden einer RF-Quelle kann eine Messung zudem manuell verbessert werden. Auch dies ist ein Aspekt der hybriden Methode.

Ein einfaches Beispiel einer hybriden Methode ist die Kombination der TDOA-Methode mit der Methode des Empfangswinkels: Ein System mit drei Empfängern, von denen zwei als TDOA-Empfänger betrieben werden, ergibt als Resultat der TDOA-Methode die Hyperbel, auf der die RF-Quelle liegen kann. Da die dritte Quelle nun den Empfangswinkel liefert, kann mit den Positionen der Empfänger die Position der Quelle als Schnittpunkt der Hyperbel mit der Linie des Empfangswinkels bestimmt werden.

Funkpeilsysteme testen

Systeme zur Funkpeilung besitzen keinen Sender, sondern bestehen lediglich aus einer Anzahl von Empfängern. Folglich muss ein entsprechendes Testgerät flexibel auf die Erzeugung von einem oder mehreren Radiosignalen ausgelegt sein.

Testszenarien

Für die Auswahl eines Testgeräts ist es wichtig, dass das Gerät während der gesamten Entwurfsphase für die entsprechenden Testparameter geeignet ist und auch einzelne Module getestet werden können. Dies kann zum Beispiel bedeuten, dass man nur ein RF-Signal erzeugt, um einen einzelnen Empfänger zu testen. Oder man testet digitale Hardware, die mit mehreren IF-Signalen (IF, Intermittend Frequency) gespeist werden soll. Natürlich muss auch das gesamte System getestet werden, was in vielen Fällen ein mehrkanaliges Eingangssignal erfordert. Es ist nachvollziehbar, dass ein solcher Systemtest im Labor einige Vorzüge gegenüber einem Freifeldtest bietet: Er ist weniger kostenintensiv, benötigt weniger Vorbereitung und kann wesentlich einfacher beliebige Testszenarien einschließlich Fehlerfälle und Störungen simulieren.

Empfänger-Test

Für den Empfänger-Test ist es wichtig, sich über die analogen Anforderungen im Klaren zu sein. Als Erstes liegt hier das Augenmerk auf den vertikalen und horizontalen Parametern.

Sequenzer-Anforderungen

Neben den analogen Eigenschaften gibt es eine Reihe weiterer Merkmale und Einstellungsparameter, die ein geeignetes Testgerät kennzeichnen und variabel gestaltete, realistische Testszenarien ermöglichen. Der Sequenzer ist hier ein Schlüsselelement.

Die Pulse für ein Testszenario müssen sich in verschiedenen Parametern unterscheiden. So verändert ein Überwachungsradar beispielsweise häufig das Pulswiederholintervall (PRI, Pulse Repetition Interval), um die Reichweite und Auflösung anzupassen. Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Pausen zwischen den Pulsen keinen Speicherplatz belegen, um den Gerätespeicher ökonomisch zu nutzen und möglichst lange Testszenarien zu erzeugen.

Beim Puls-Doppler-Radar wird zudem häufig eine lineare Frequenzmodulation (chirp) eingesetzt, die sich von Puls zu Puls ändert, von aufsteigend zu absteigend zu aufsteigend. Die Modulation beschränkt sich nicht nur auf frequenzmodulierte RF-Pulse. Es werden auch mit Barker-Codes phasenmodulierte RF-Pulse oder QAM-modulierte RF-Pulse eingesetzt. Die Trägerfrequenz kann sich ebenfalls ändern, einerseits in geringerem Maße durch die Dopplerverschiebung, andererseits durch eine Technik namens Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping). Zudem ändert sich mit dem simulierten Abstand der RF-Quelle zum Empfänger der Pulspegel.

Neben idealtypischen Testsignalen müssen auch verschiedene Störsignale berücksichtigt werden. Das sind zum einen unkorrelierte RF-Signale von anderen RF-Quellen sowie Kopien des originalen RF-Signals, erzeugt durch Mehrfachreflexion, oder auch Out-of-Range-Signale. Diese sind korreliert zum originalen Signal. Um eine hohe, wirtschaftliche Testabdeckung zu erzielen, sollten all diese Signale im Idealfall mit einem einzigen Testgerät erzeugt werden können.

Anforderungen an die Gerätekoordination

Für den Test von korrelativen Interferometrie-Systemen ist es wichtig, dass die Pulse kohärent erzeugt und auf den verschiedenen Kanälen mit einem adäquaten Phasenversatz ausgesandt werden. Dieser Phasenversatz kann sich von Puls zu Puls ändern. Damit simuliert das Testsystem die verschiedenen Antennen und deren räumliche Verteilung. Nicht jedes Testgerät hat die erforderliche Anzahl an Ausgängen für die Kanäle. Deshalb ist es wichtig, die Geräte zu koppeln, sodass der Geräteverbund kohärente RF-Pulse erzeugen kann.

Zusätzlich sei noch ein praktischer Aspekt erwähnt: In besonders komplexen Testumgebungen müssen verschiedene Geräte zusammenarbeiten; dazu ist neben einer gemeinsamen Taktverteilung auch eine flexible Zuweisung von Steuersignalen (Trigger out) wichtig, sodass die Testumgebung synchron gesteuert werden kann.

Beispiel-Testlösung für Funkpeilsysteme

Die Erzeugung von Radarsignalen für den Test von Funkpeilsystemen erfordert leistungsstarke Geräteparameter hinsichtlich Abtastrate, Dynamikbereich und Speicher. Der Arbiträr-Signalgenerator AWG70000B von Tektronix erfüllt die genannten Anforderungen und kann vielfältige Testszenarien umsetzen für einen erfolgreichen Produkttest. In Verbindung mit dem AWGSYNC01 Synchronization Hub können bis zu vier Geräte zu einem mehrkanaligen, kohärenten Testsystem ausgebaut werden (siehe Bild).

Dedizierte Software-Plug-ins erweitern die Anwendungsmöglichkeiten des Arbiträrgenerators. So ist beispielsweise das Radar-Plug-in speziell auf die Erzeugung komplexer, benutzerdefinierter Radarsignale ausgelegt und unterstützt Modulationsarten wie LFM, Barker- und Polyphase-Codes, Step FM und nichtlineare FM. Die Kombination aus AWG70000B und Radar-Plug-in bietet die Möglichkeit, Impulsfolgen mit gestaffelten PRI zu erzeugen, um Entfernungs- und Doppler-Unklarheiten aufzulösen. Zudem lassen sich Impuls-zu-Impuls-Amplitudenvariationen erstellen zur Simulation von Antennen-Abtastmustern, Clutter, Mehrwegeffekten etc.