改進地藉助於二次雷達信號執行方向估計和解碼的裝置和方法

2023-05-13 05:52:31 1

專利名稱：改進地藉助於二次雷達信號執行方向估計和解碼的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1的用於藉助於二次雷達信號改進地執行方向估 計的裝置以及根據權利要求10的相應方法。
背景技術：
一次雷達是指僅僅並直接轉換雷達原理的雷達設備，也就是分析事先發射的高頻 脈衝的直接(被動)回波的雷達設備。這個概念用於區分二次雷達，即其中使用主動地由 被檢測對象產生的回波的技術。實踐中，通常採用這兩種方法的組合(例如在地面雷達情 況下的空中交通控制中)。一次雷達設備不依賴於對象主動產生信號以便能檢測該對象。 這例如在空中交通控制領域中是有意義的，因為飛機即使在航空無線電應答器失靈的情況 下也必須能被檢測到。在所使用的頻率受到幹擾的情況下，一次雷達設備可以毫無問題地 切換到其它頻率。對於二次雷達設備，這樣的切換僅在該切換也被待檢測對象執行的情況 下才能成功進行。一次雷達只能確定能根據被反射的回波確定的參數(例如方向，距離和 速度)，而對於二次雷達，接收器可以在其響應中加入其它說明(例如識別碼)。一次雷達 設備需要比類似二次雷達系統明顯更高的發射功率，以便能達到相同的作用範圍。二次雷達原理是一種採用運行時間測量的定位方法，該定位方法與傳統的雷達技 術相反不是用在目標上被反射的能量、即目標的被動回波工作，而是在目標的板壁上存在 主動的響應設備(應答器)。對於二次雷達，目標通過以相同頻率或另一頻率發送響應來 主動回應所接收的雷達信號。為此，用天線接收雷達脈衝，並且通過同一天線來觸發特徵性 「回波」的發射。該響應可以是特徵性的調製或者是數據分組。二次雷達相對於一次雷達的 主要優點是二次雷達明顯更高的作用範圍以及識別目標的可能性。利用一次雷達獲得關於 目標的方向、高度和距離的可靠信息，而且這是完全獨立於目標實現的。二次雷達提供附加 信息，如目標的識別碼、標識以及高度。但是為此需要目標的協作。如果缺少這種協作，例如 因為應答器失靈，則二次雷達不能工作，也不能識別該飛行物。因此，大多數二次雷達設備 與一次雷達組合地工作。1953年制定了國際標準Mark X (該系統還非常簡單地構成並且在 950至1150MHz的頻帶中在頻率間隔為17MHz的12個不同信道上工作)，並且以直到2008 年的很多擴展被定義作為二次雷達在空中交通控制中的民用基礎。在以前的文獻中還使用 「超信標和離散地址信標系統(DABS)」概念作為標準Mark XII中S模式方法曾經的表示。一般來說，二次雷達系統由兩個設備組成詢問設備(詢問器)以及響應設備(應 答器)。在飛行中，詢問設備部分地是地面站，詢問器可以部分地如應答器那樣設置在飛機 中。詢問器根據各自的調製類型(所謂的模式)發射例如用不同脈衝編碼的查詢。這些脈 衝被應答器接收和分析。根據該查詢的內容產生響應，該響應又被編碼並發射出去。通過 發射脈衝和響應電報之間的運行時間測量，可以計算出詢問設備和響應設備之間的距離。 由於應答器中由解碼和編碼引起的延遲，該距離計算僅在該附加的延遲時間已知的情況下 是正確的。作為一般在1030MHz發射的傳輸協議，在所謂的上行鏈路路徑上(從地面站向上發往飛機的查詢)在P6脈衝內使用具有差分移相鍵控(DPSK)的脈衝調製。響應電報 在大多數模式中長達20. 3 μ s，由脈衝持續時間為0. 45 μ s (士0. 1 μ s)的2至15個脈衝組 成，通過所使用的四位八進位碼僅具有4096個不同的識別碼的值範圍，並且以1090MHz的 頻率傳輸。在下行鏈路路徑(從飛機到查詢者的響應)上，不利的是同樣採用差分移相鍵 控(DPSK)。傳輸可靠性由於應答器在大的飛行高度時經受的極端溫度波動而受到不利的影 響。因此，採用抵抗力更強的調製，即脈衝位置調製(PPM)。支持S模式的應答器的特點在 於所謂的自發報告(squitter)模式，其中應答器與查詢無關地並且定期發送例如GPS位置 和標識作為無線電廣播(ADS-B 廣播式自動相關監視)。DE2538382A1公開了一種所謂的全景二次雷達(SSR設備)，其中不再必須設置用 於接收被查詢的應答器響應的旋轉天線。用於識別和/或定位飛機的方法的特徵在於，首 先發射用於查詢位於區域帶中的應答器的查詢脈衝對，確定所查找的應答器，發射抑制所 有在該帶中的應答器直到所查找的應答器的抑制脈衝對，發射用於查詢所查找的應答器的 第二請求脈衝對，其中所查找的應答器優選在該帶中其餘應答器被抑制時被查詢，並且接 收由該應答器發射的響應來進行識別和/或定位。該發明的實施方式在於，第一查詢脈衝 對的脈衝與脈衝之間的時間關係逐步改變，使得預定區域被逐步掃過，其中優選地規定，在 一個方向上一個帶一個帶地掃過預定區域，然後在相反的方向上一個帶一個帶地掃過該預 定區域。根據一個實施方式，用於執行該方法的裝置的特徵在於第一和第二天線，這些天線 在該預定區域的邊界上相互間距開地設置並且被設置為使得這些天線發射特定的一對第 一查詢脈衝對，其特徵還在於第三天線，該第三天線設置在該區域的邊界上，其中第三天線 和第一或第二天線被設置為使得它們發射特定的抑制脈衝對。另一種裝置的特徵在於第一 和第二天線，這些天線在該預定區域的邊界上相互間距開地設置並且被設置為使得這些天 線發射特定的一對第一查詢脈衝對，並且特徵還在於第三和第四天線，該第三和第四天線 設置為使得它們發射特定的抑制脈衝對。第三天線因此可以被設置為使得該第三天線接收 所查找的應答器的響應；也可以設置至少3個天線，使得它們接收所查找的應答器的響應 以用於確定該應答器在該預定區域內的位置。飛機的位置雖然可以如上所述根據應答器響 應的幀脈衝對來確定，但是可以通過使每個天線都接收所選飛機的響應以及為了確定該飛 機的位置而採用三面方法(Dreiseitenverfahren)來獲得更精確的位置顯示。一種擴展通 過以下方式獲得，即設置第四天線，該第四天線與其他天線一起用於發射抑制脈衝。通過這 種方式獲得更大的抑制精確性，其中由於常規應答器的不靈敏特徵而獲得相對小的分辨能 力。小分辨能力的問題通過以下方式被最小花，即採用雙抑制方法，在該方法中首先抑制位 於給定雙曲線上的所有應答器，然後抑制機場上的所有應答器。如果但是在釋放其餘應答 器之前首先被抑制的應答器又被釋放(即在35 μ s的特徵抑制時間段之後)，則查詢該給定 雙曲線的所選片段以啟動位於該片段上的應答器。整個機場都可以通過以下方式被採樣， 即重複該過程，並且負責先後查詢該給定雙曲線的不同部分並改變初始抑制脈衝的時間關 系使得先後查詢所有其它的雙曲線。通過將利用三面方法確定的位置與該查詢所針對的位 置相比較，可以消除由於反射、非同步響應(異步幹擾fruit)、不期望的應答器解析度(自 發報告)、模式鏡像、響應錯誤模式等而出現的幹擾響應的最大部分。該消除不影響其餘響 應的定位精度。此外，DE2911313A1公開了一種在採用3個設置在機場邊緣的接收器的情況下具有二次雷達的機場監視系統，該機場監視系統具有相控的接收天線以用於產生清晰成束的 接收波瓣，並且藉助雙曲線定位方法來進行計算。為了在任何情況下都使得能夠通過識別 來精確定位位於機場上的飛機和機動車，通過以下方式來解決該任務，即由響應站發射的 響應信號通過在機場上與查詢天線在空間上分離但是同樣清晰成束的第二天線接收，該第 二天線也採樣該機場，並且通過這兩個天線形成的射線波瓣能被控制為使得它們的相交區 域相繼檢測該機場的每個點，由此藉助該相交區域可以對飛機等進行位置確定。替換地，該 任務還通過以下方式解決，即由響應站發射的響應信號通過兩個或更多適當分布在機場上 並且在空間上與查詢天線間距開的圓形輻射天線接收，並且根據該響應信號到各個圓形輻 射天線的運行時間差異來藉助雙曲線定位方法計算相應飛機等的位置。針對定位的精確度 改進可以通過以下方式實現，即一方面由響應站發射的響應信號通過在機場上空間地與查 詢天線間距開但同樣清晰成束的第二天線接收，該第二天線也採樣該機場，並且通過這兩 個天線形成的射線波瓣能被控制為使得它們的相交區域相繼檢測該機場的每個點，由此借 助該相交區域可以對飛機等進行第一位置確定，另一方面由響應站發射的響應信號通過兩 個或更多適當分布在機場上並且在空間上與查詢天線間距開的圓形輻射天線接收，並且附 加地根據該響應信號到各個圓形輻射天線的運行時間差異來藉助雙曲線定位方法計算相 應飛機等的位置。此外，DE3835992A1公開了一種在自己的站中確定位置的衝突防止系統，該系統根 據SSR請求和對此的響應來確定自己的站的位置和其它站的位置。具體地說，自己的站的 初始位置通過主動測量與可供使用的其它站的應答器之間的距離來確定，這些其它站對自 己站的請求的連續響應沒有通過響應的重疊而引起的幹擾。這樣的幹擾在此應當被稱為畸 變。為了確定其它站的身份和高度，選擇未畸變的響應，並且這些響應相對於觸發該響應的 請求的延遲是針對其它站與自己站之間直接距離的度量。為了保證與已識別的其它站之間 的距離測量，自己站發送重複的模式A請求和查詢C請求的簡訊號軌跡並且校正所給出的 接收的響應。在應答器無畸變地向多於一個其它站做出響應的情況下，選擇最佳用於精確 確定自己站和其它站的位置的。不需要遵循對自己位置的近似。通過自己站的請求和對該 請求的響應引起的ATCRBS運行的任何幹擾只是暫時的，並且基本上可以忽略。自己站和進 行響應的其它站的位置由其它站的上述已識別的應答器以三角法根據所測量的SSR站的 請求和對該請求的未畸變的連續響應之間的距離和方位角差異以及到達時間差異。在藉助 主動無線電結合被動數據確定了自己站的位置之後，僅被動地確定其它雷達收發站的相位 位置。此外，DE19720828A1公開了一種具有固定天線的系統，該固定天線用於基於模式 S引導和控制在飛機場表面上以及控制區域中的飛機，其中通過組合距離測量和雙曲線方 法使得機場上的站能夠為降落和起飛的飛機、在盤旋和啟動的飛機以及在機場周圍的飛機 定位和識別整個控制區域，並且與這些飛機通信。所有參與的站只需要具有圓形特性的天 線。至少3個具有固定天線特性的接收站以及同樣具有固定天線特性的請求飛機應答器 的發射站的組合可以形成一種裝置，該接收站用於接收由飛機的模式S應答器發射的振蕩 (Squitter)或響應，該裝置將雙曲線或偽距離定位的原理與雙路徑距離測量的遠離相互關 聯，使得飛機既在機場的著陸區和外圍區又在其附近(例如控制區域)都能以大的精度和 高的更新率被定位，被唯一識別以及能與這些飛機交換數據。尤其是在中區雷達或距離雷達在較大的高度上覆蓋機場的情況下，可以放棄具有用於測量方向的旋轉天線的昂貴的機 場雷達ASR。與具有旋轉的、測量方向的天線的機場雷達ASR相比，雙曲線方法和距離測量 的組合還能以明顯更高的更新率提供更精確定位結果。此外DE10306922B4公開了一種用於監視機場地域的裝置，其中使用了雷達設備， 該雷達設備具有小的地面反射幹擾靈敏度，同時監視機場地域的空間區域和地面區域。具 體地說，提供了一種利用傳感器在機場地域上以及上方識別障礙並監視運動的裝置，其中 一個傳感器是具有多個天線元件的雷達設備，這些天線元件設置在天線支架的彎曲表面 上，並且在時間上被先後控制，其中這些天線元件設置在圓周線上，並且第一圓周線和第二 圓周線分別形成一個平面，其中通過這些圓周線形成的平面相互垂直，並且設置在水平面 中的天線元件用於監視機場地域的地面區域，設置在與該水平面垂直的平面中的天線元件 用於監視空間區域並用於根據ROSAR原理確定降落或起飛的飛行物的飛行高度，以及另一 傳感器是ROSAR雷達設備，該雷達設備通過天線的旋轉產生合成方位角，其中所述裝置位 於起飛軌道和降落軌道上。在此，ROSAR雷達設備的天線元件在時間上被先後控制和採樣。 藉助設置在第一水平面中的天線元件，保證對機場地域的地面區域的監視，藉助設置在與 該第一水平面垂直的平面中的天線元件，保證對機場的空間區域的監視。此外，利用該裝置 可以確定降落或起飛的飛行物的飛行高度。由於該裝置的高度解析度很高，與公知的裝置 相比取消了在待觀察的飛行物中設置二次雷達-應答器的要求。而且也可以省略地面上所 需要的二次雷達。此外DE102005000732A1公開了一種具有合成方位角的基於無線電的定位系統， 該定位系統的特徵在於，-藉助絕對傳感器裝置和相對傳感器裝置的測量數據，檢測從起點位置發出的移 動站的運動，-藉助該測量數據以合成方位角的形式生成虛擬天線，以及-基於合成方位角的使用，將移動站先後聚焦在位置固定的站上，和/或反過來。通過使用合成方位角，通過適當選擇該方位角的大小和/或絕對傳感器裝置的測 量數據的幅度加權和/或相位加權，生成該合成方位角的反向特性，使得該合成方位角的 方向圖幾乎均勻地位於任意先前位置測量的誤差橢圓範圍內。最後，US2005/0024256A1公開了一種被動的衝突防止系統和一種方法，其中在裝 備有GPS的觀察飛機中分析位於監視區域中的飛機的響應電報，該位於監視區域中的飛機 將該響應電報發射到地面站。為此，在觀察飛機上設置線形或環形的天線陣列，該天線陣列 具有相互間具有相同天線間距的方向天線，其中位於1.090MHz範圍內的天線元件的輸出 信號分別被輸送給與A/D轉換器連接的接收器。在A/D轉換器的輸出端上以復基帶輸出的 信號被輸送給唯一的數位訊號處理器，該信號處理器確定接收的是模式A的有效信號還是 模式C的，並且濾除所有不相關的信號。在DSP的輸出端上輸出的信號包括模式A或C的所 有有效信息，即相應的目標應答器ID和高度數據，這些信號與自己的GPS數據一起通過USB 電纜輸送給位於觀察飛機上的膝上型電腦、PDA或筆記本電腦以進行進一步處理。在該膝上 型電腦、PDA或筆記本電腦中執行的方向估計例如可以藉助估計方法ESPRIT，MUSIC(多信 號分類)，WSF(加權子空間擬合)進行，結果可以顯示在固定於駕駛儀支架的顯示器上，其 中所述方向估計基於位於觀察區域中的目標飛機的GPS數據和響應電報(地面站的發射脈
9衝和相應目標飛機的響應電報之間的運行時測量，以計算地面站與目標飛機之間的距離)。 在該運行時計算中，引入觀察飛機和目標飛機之間的相對距離c以及路段「觀察飛機和地 面站」以及路段「觀察飛機和目標飛機」之間的角度α (在考慮用於在相應的目標飛機中生 成響應電報的延遲時間的情況下)。為了降低接收器的數量，還可以設置天線陣列的可開關 的方向天線，駕駛儀可以另外通過語音信號-例如「目標飛機在10點下方和附近」或「目標 飛機在兩點上方和附近」或者(音調大小升高的)通知音在碰撞前報警。方向估計的精度 在此取決於很多因素，如信噪比SNR，測量次數，接收信號(響應電報)的數量，不同信號之 間的角度上的分離，天線模式響應在角度方面的導數，與理想天線陣列之間的偏差(製造 誤差)以及系統校準的可能性。如上面提到的現有技術所展示的，公開了以二次雷達信號為基礎的基於無線電的 定位系統。在此，一方面使用了特殊的接收系統來用於方向估計，另一方面使用了特殊的接 收系統來對二次雷達信號解碼。尤其是沒有使用二次雷達設備，其中要考慮所使用的硬體 的不足之處，例如加倍的天線元件、不同的天線輸入阻抗，天線元件之間的不同間距，製造 和安裝容差等等。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種基於無線電的定位系統，使得可以改進基 於二次雷達信號的方向估計以及解碼。此外該定位系統還可以擴展到用於確定位置。該技術問題根據權利要求1通過一種用於藉助二次雷達信號改進地進行方向估 計和/或解碼的裝置來解決，該裝置具有-至少一個由M個天線元件組成的陣列，-連接到各天線元件的插塞連接裝置上的低噪聲線性放大器，該放大器增大所接 收的二次雷達信號的電平，-與該低噪聲放大器連接的第一帶通濾波器，在該第一帶通濾波器的濾波器輸出 端連接第一線性放大器以用於放大頻帶限制後的信號，-與第一線性放大器連接的混頻器，用於將頻率轉換到ZF範圍，-與該混頻器輸出端連接的第二線性放大器，用於放大ZF範圍中的信號，-與第二線性放大器連接的第二帶通濾波器，用於對ZF範圍中的信號頻帶限制，-與第二帶通濾波器連接的第一模數轉換器，用於採樣和量化濾波器輸出信號，-與第一模數轉換器連接的可配置的信號處理器，該信號處理器為了調節混頻器 頻率而與PLL-VCO電路連接並且接收數據來進行處理，以及-與可配置的信號處理器連接的處理單元，該處理單元收集來自所有天線元件的 數據並且藉助基於子空間的方法來執行方向估計，-使得不僅在方向估計時而且在檢測所接收的無線電數據時，在與M個天線元件 連接的模擬輸入級中考慮天線元件的不同的放大、相位差和耦合。此外，該技術問題通過本發明在根據權利要求2的用於基於二次雷達信號確定位 置和/或解碼的裝置中解決，該裝置具有-至少兩個由M個天線元件組成的陣列，-連接到各天線元件的插塞連接裝置上的低噪聲線性放大器，該放大器增大所接收的二次雷達信號的電平，-與該低噪聲放大器連接的第一帶通濾波器，在該第一帶通濾波器的濾波器輸出 端連接第一線性放大器以用於放大頻帶限制後的信號，-與第一線性放大器連接的混頻器，用於將頻率轉換到ZF範圍中，-與該混頻器輸出端連接的第二線性放大器，用於放大ZF範圍中的信號，-與第二線性放大器連接的第二帶通濾波器，用於對ZF範圍中的信號頻帶限制，-與第二帶通濾波器連接的第一模數轉換器，用於採樣和量化濾波器輸出信號，-與第一模數轉換器連接的可配置的信號處理器，該信號處理器為了調節混頻器 頻率而與PLL-VCO電路連接並且接收數據來進行處理，以及-與可配置的信號處理器連接的處理單元，該處理單元收集來自所有天線元件的 數據並且藉助基於子空間的方法來執行方向估計，-與這些陣列的處理單元連接的中央處理單元，該中央處理單元收集來自所連接 的處理單元的用於方向估計的信息並且根據該信息藉助交叉探向來進行位置確定，-使得不僅在方向估計時而且在檢測所接收的無線電數據時，在與M個天線元件 連接的模擬輸入級中考慮天線元件的不同的放大、相位差和耦合。此外，該技術問題根據本發明在一種根據權利要求10的用於方向估計和/或對 二次雷達信號解碼的方法中解決，該方法採用至少兩個由M個天線元件組成的陣列以及與 M個天線元件連接的模擬輸入級，該輸入極具有線性放大器、帶通濾波器、混頻器、模數轉換 器、可配置的信號處理器以及處理單元，在該方法中-該信號處理器之一生成第一和第二時鐘信號作為混頻器和模數轉換器的時間標 準，-在與這些信號處理器連接的處理單元中進行相干的模擬和數位訊號處理，該處 理單元收集來自所有天線元件的數據並藉助基於子空間的方法執行方向估計，以及-既在根據交叉探向進行方向估計時又在檢測所接收的無線電數據時在與M個天 線元件連接的模擬輸入級中考慮不同的放大、相位差和變化的噪聲係數。


可以從下面參照附圖對本發明優選實施方式的描述中了解其它優點和細節。在附 圖中圖1示出第一實施方式的結構框圖，圖2示出天線元件之間的耦合機制，圖3示出通過載波偏移的RMSE，圖4示出模擬的天線元件之間的耦合的結果，圖5示出輸入級放大的絕對值的以其標稱放大被歸一化的標準偏差的RMSE，圖6示出輸入級的相位以π被歸一化的標準偏差的RMSE，圖7示出利用參數化的仿真模型進行的方向估計的RMSE，其基於在載波偏移上所 測得的所使用硬體的值，圖8示出基於2000個所接收的ADS-B電報使用ESPRIT進行方向估計中的誤差直 方圖，
圖9示出基於2000個所接收的ADS-B電報使用NC酉ESPRIT進行方向估計中的
誤差直方圖，圖10示出用於基於多個陣列的方向估計來確定位置的示意系統圖，圖11示出對於基於具有校準和沒有校準的14222個ADS-B電報的ESI3RIT相對於 入射角的方向估計中的誤差，圖12示出對於基於具有校準和沒有校準的14222個ADS-B電報的ESI3RIT的方向 估計中的誤差直方圖。
具體實施例方式在1090MHz下的二次雷達被用於在飛行物、地面運輸工具和空中交通控制 之間識別和傳送一般飛行數據。目前的工作在於這樣的任務，即將其基於多點定位 (Multilateration)的概念的應用擴大到位置確定的領域。但是，多點定位系統(Multilaterationssystem)的構造是很難的任務。信號到 達時間必須被非常精確地確定，並且要實現所有參與的接收器的精確同步。此外，該系統 對碼間幹擾(ISI)很敏感。雖然 E. Piracci、N. Petrochilos 和 G. Galati 在 EURAD，2007 StJ "Single-antenna Projection Algorithm to discriminate superimposedSecondary Surveillance Radar Mode S Signals」中公開了一種算法，該算法降低了 ISI的影響，但是 該算法基於僅僅考慮S模式信號的數據模型。一種用於方向估計的天線陣列可以改進多點定位系統的性能，甚至對於短的距離 也許可以代替其。圖1示出一種用於方向估計和/或對二次雷達信號解碼的裝置的第一實施方式的 結構框圖，該裝置具有-至少一個由M個天線元件AE組成的陣列A，-連接到各天線元件AE的插塞連接裝置S上的低噪聲線性放大器LNA，該放大器 提高所接收的二次雷達信號的電平，-與該低噪聲放大器LNA連接的第一帶通濾波器F1，用於放大被頻帶限制後的信 號的第一線性放大器Vi被連接到該第一帶通濾波器的濾波器輸出端，-與第一線性放大器Vl連接的混頻器M，用於頻率轉換到ZF範圍中，-與混頻器輸出端連接的第二線性放大器V2，用於放大ZF範圍中的信號，-與第二線性放大器V2連接的第二帶通濾波器F2，用於對ZF範圍中的信號進行 頻帶限制，-與第二帶通濾波器F2連接的第一模數轉換器AD1，用於採樣和量化濾波器輸出
信號，-與第一模數轉換器ADl連接的可配置的信號處理器FPGA/DSP，該信號處理器為 了調節混頻器頻率而與PLL-VCO電路連接並且接收數據用於處理，以及-與可配置的信號處理器FPGA/DSP連接的處理單元CPU，該處理單元CPU收集來 自所有天線元件AE的數據DD並且藉助基於子空間的方法來執行方向估計，_使得天線元件的不同的放大、相位差和耦合不僅在方向估計時、而且在檢測所接 收的無線電數據時在與M個天線元件AE連接的模擬輸入級中被考慮。
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優選地，第二帶通濾波器F2與用於放大低電平信號的第三線性放大器V3連接，第 二模數轉換器AD2連接到該第三線性放大器。第二模數轉換器AD2與對應的放大器用於提 高系統的動態性，因為所要求的動態性在此高於常用模數轉換器的動態性。在本發明的擴展方案中，天線陣列A由至少3個全向天線元件AE組成，這些天線 元件除了針對MUSIC之外都被實施為具有半個波長的相同天線間距的線性陣列A。天線元 件AE具有以平分的管子為形式的反射器，該管子具有等於半個波長的直徑，由此既實現了 匹配又實現了去耦。替換地，天線元件AE被構造為載體板上的框形天線，該載體的背面具 有用於屏蔽的金屬表面。為了對可配置的信號處理器FPGA/DSP引入時間同步，該信號處理 器與無線電接收器FE (例如用於接收GPS信號或伽利略信號)和/或導線連接的接口電路 TZ(例如用於接入乙太網連接)連接。在根據本發明的方法中，信號處理器FPGA之一產生第一和第二時鐘信號CK1、CK2 作為用於混頻器M和模數轉換器ADl、AD2的時間標準，並在與這些信號處理器FPGA連接的 處理單元CPU中執行相干的模擬和數位訊號處理，該處理單元CPU收集來自所有天線元件 的數據DD並藉助基於子空間的方法執行方向估計。作為基於子空間的方法，使用多信號分類(MUSIC)或使用通過相對不變量技術的 信號參數估計(ESPRIT)或使用非圓(NC)酉ESPRIT或使用矩陣束。在根據MUSIC的方向估 計方法中，不直接計算入射方向，而是確定所謂的偽頻譜，根據該偽頻譜確定入射方向。在 混頻器M中，混合為等效的復基帶以及隨後進行數字低通濾波。優選地，包含通過機上衛星 (全球定位系統GPS)經由位置測定所確定的飛機位置的ADS-B電報被用作該位置的參考。 本發明的方法的特徵尤其在於用於方向估計和/或用於高度估計。此外，在處理單元CPU 中分析位置信息和路線數據(Verlaufsdaten)，這些位置信息和路線數據已由作為位置信 息獲取/處理單元的信號處理器FPGA獲得。信號處理器FPGA根據定義的時間間隔或在達 到可預定的距離的情況下接收兩個或更多位置數據，並且將這些位置數據在(數據)分組 中發送給處理單元CPU。優選地，數據分組在處理單元CPU中以特定的時間間隔循環/周期 性地存儲。在本發明的用於方向估計和/或對二次雷達信號解碼的裝置中的信號處理流程 總結如下-藉助天線陣列A接收信號(在1090MHz)-用低噪聲前置放大器LNA(可能是頻率範圍在1090MHz附近的選擇性放大器)進 行線性放大(20dB)，-用帶通濾波器Fl(1090MHz)進行濾波並用放大器Vl進行放大，-利用混頻器M頻率轉換到中頻範圍(86MHz)。用於混頻器的控制信號(1004MHz) 由PLL/VC0組合產生，-利用放大器V2進行線性放大(17dB)和利用帶通濾波器F2進行濾波(86MHz)，-將該信號劃分到兩條路徑中，-在第一路徑中利用第一模數轉換器ADl(16位均勻的，108MHz的採樣頻率)進行 線性放大(45dB)和模數轉換，-在第二路徑中利用第二模數轉換器AD2(16位均勻的，108MHz的採樣頻率)進行 直接模數轉換，
權利要求
一種用於藉助二次雷達信號改進地進行方向估計和/或解碼的裝置，該裝置具有 至少一個由M個天線元件(AE)構成的陣列(A)， 連接到各天線元件(AE)的插塞連接裝置(S)上的低噪聲線性放大器(LNA)，該低噪聲線性放大器提高所接收的二次雷達信號的電平， 與該低噪聲線性放大器(LNA)連接的第一帶通濾波器(F1)，在該第一帶通濾波器的濾波器輸出端連接第一線性放大器(V1)用於放大頻帶限制後的信號， 與第一線性放大器(V1)連接的混頻器(M)，用於將頻率轉換到ZF範圍， 與該混頻器的輸出端連接的第二線性放大器(V2)，用於放大ZF範圍中的信號， 與第二線性放大器(V2)連接的第二帶通濾波器(F2)，用於對ZF範圍中的信號進行頻帶限制， 與第二帶通濾波器(F2)連接的第一模數轉換器(AD1)，用於採樣和量化濾波器輸出信號， 與第一模數轉換器(AD1)連接的可配置的信號處理器(FPGA)，該信號處理器為了調節混頻器頻率而與PLL VCO電路連接並且接收數據來進行處理，以及 與可配置的信號處理器(FPGA)連接的處理單元(CPU)，該處理單元收集來自所有天線元件(AE)的數據(DD)並且藉助基於子空間的方法來執行方向估計， 使得天線元件的不同的放大、相位差和耦合不僅在方向估計時、而且在檢測所接收的無線電數據時在與所述M個天線元件(AE)連接的模擬輸入級中被考慮。
2.一種基於二次雷達信號確定位置和/或解碼的裝置，該裝置具有 -至少兩個由M個天線元件(AE)構成的陣列(Al，A2，A3)，-連接到各天線元件(AE)的插塞連接裝置(S)上的低噪聲線性放大器(LNA)，該低噪 聲線性放大器提高所接收二次雷達信號的電平，-與該低噪聲線性放大器(LNA)連接的第一帶通濾波器(Fl)，在該第一帶通濾波器的 濾波器輸出端連接第一線性放大器(Vl)用於放大頻帶限制後的信號，-與第一線性放大器(Vl)連接的混頻器(M)，用於將頻率轉換到ZF範圍中， -與該混頻器的輸出端連接的第二線性放大器(V2)，用於放大ZF範圍中的信號， -與第二線性放大器(V2)連接的第二帶通濾波器(F2)，用於對ZF範圍中的信號進行 頻帶限制，-與第二帶通濾波器(F2)連接的第一模數轉換器(ADl)，用於採樣和量化濾波器輸出信號，-與第一模數轉換器(ADl)連接的可配置的信號處理器(FPGA)，該信號處理器為了調 節混頻器頻率而與PLL-VCO電路連接並且接收數據來進行處理，以及-與可配置的信號處理器(FPGA)連接的處理單元(CPU)，該處理單元收集來自所有天 線元件(AE)的數據(DD)並且藉助基於子空間的方法來執行方向估計，-與所述陣列(A1，A2，A3)的處理單元(CPU)連接的中央處理單元(ZCPU)，該中央處理 單元收集來自所連接的處理單元(CPU)的用於方向估計的信息並且根據該信息藉助交叉 探向來進行位置確定，_使得天線元件的不同的放大、相位差和耦合不僅在方向估計時、而且在檢測所接收的 無線電數據時在與所述M個天線元件(AE)連接的模擬輸入級中被考慮。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，使用多信號分類(MUSIC)或使用通過 相對不變量技術的信號參數估計(ESPRIT)或使用非圓(NC)酉ESraiT或使用矩陣束作為 基於子空間的方法。
4.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，用於放大低電平信號的第三線性放大 器(V3)與第二帶通濾波器(F2)連接，其中第二模數轉換器(AD2)連接到該第三線性放大ο
5.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，所述天線陣列㈧由至少3個全向天 線元件(AE)組成，這些全向天線元件除了針對MUSIC之外都被設計為具有半個波長的相同 天線間距的線性陣列(A)。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述天線元件(AE)具有以平分的管子為 形式的反射器，該管子具有等於半個波長的直徑，由此既實現了匹配又實現了去耦。
7.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述天線元件(AE)被設計為載體板上的 框形天線，該載體的背面具有用於屏蔽的金屬表面。
8.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，為了對可配置的信號處理器(FPGA) 引入時間同步，無線電接收器(FE)和/或導線連接的接口電路(TZ)連接到該信號處理器。
9.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，對於M= 3，所述陣列(A1，A2，A3)以等腰 三角形的形式設置，而對於M = 4，所述陣列(A1，A2，A3)以正方形的形式設置。
10.一種用於方向估計和/或二次雷達信號解碼的方法，該方法採用至少一個由M個天 線元件構成的陣列(A)以及連接到這M個天線元件(AE)的模擬輸入級，該輸入極具有線性 放大器(LNA，V1，V2，V3)、帶通濾波器(F1，F2)、混頻器(M)、模數轉換器(AD1，AD2)、可配置 的信號處理器(FPGA)以及處理單元(CPU)，在該方法中-這些信號處理器(FPGA)之一生成第一和第二時鐘信號(CK1，CK2)作為混頻器(M)和 模數轉換器(AD1，AD2)的時間標準，-在與這些信號處理器(FPGA)連接的處理單元(CPU)中執行相干的模擬和數位訊號處 理，該處理單元收集來自所有天線元件的數據(DD)並藉助基於子空間的方法執行方向估 計，以及-天線元件的不同的放大、相位差和耦合不僅在方向估計時、而且在檢測所接收的無線 電數據時在連接到所述M個天線元件(AE)的模擬輸入級中被考慮。
11.根據權利要求10所述的方法，利用具有至少兩個由M個天線元件(AE)構成的陣列 (A1，A2，A3)和與該陣列(A1，A2，A3)的處理單元(CPU)連接的中央處理單元(ZCPU)的裝 置，其特徵在於，該中央處理單元(ZCPU)收集來自所連接的處理單元(CPU)的用於方向估 計的信息並且根據交叉探向進行位置確定。
12.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，在基於子空間的方法中，為了方向估計 和位置估計考慮變化的噪聲係數。
13.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，使用多信號分類(MUSIC)或使用通過相 對不變量技術的信號參數估計(ESPRIT)或使用非圓(NC)酉ESraiT或使用矩陣束作為基 於子空間的方法。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，在根據MUSIC的方向估計方法中，不直 接計算入射方向，而是確定所謂的偽頻譜，根據該偽頻譜確定入射方向。3
15.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，在混頻器(M)中，混合為等效的復基帶， 並且隨後進行數字低通濾波。
16.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，包含通過機上衛星(全球定位系統 GPS)經由位置測定所確定的飛機位置的ADS-B電報被用作該方法的參考。
17.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，使用具有分布在行或平面內的M個天線 元件的天線陣列(A)。
18.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述方法用於方向估計和/或用於高度 估計。
19.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，在處理單元(CPU)中分析位置信息和 路線數據，這些位置信息和路線數據由作為位置信息獲取/處理單元的信號處理器(FPGA) 獲得。
20.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，信號處理器(FPGA)根據限定的時間間 隔或在達到可預定的距離的情況下接收兩個或更多位置數據，並且在(數據)分組中將這 些位置數據發送給處理單元(CPU)。
21.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，該數據分組在處理單元(CPU)中以確定 的時間間隔循環/周期性地存儲。
22.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，為了計算使用根據以下等式的接收模型
23.根據權利要求22所述的方法，其特徵在於，耦合矩陣C通過校準來獲得，該校準又 藉助固有結構分析來執行，該固有結構分析通過復耦合矩陣C與理想射束成形向量的乘法 根據下式來進行Aestim＝C·A其中Aestim表示協方差矩陣Rxx的主導特徵向量(主特徵向量)，該協方差矩陣由有限 數量的接收採樣值形成，A表示對應的理想射束成形向量。
24.根據權利要求22和23所述的方法，其特徵在於，在校準過程期間，主特徵向量Aestim 與其對應的理想射束成形向量A相比較，所出現的最小化問題
25.根據權利要求24所述的方法，其特徵在於，如果天線耦合不能被忽略，所出現的最 小化問題
26.根據權利要求22所述的方法，其特徵在於，使用包含在用於存儲的裝置中的單位 矩陣作為耦合矩陣C。
27.根據權利要求22所述的方法，其特徵在於，在使用溫度傳感器和/或溼度傳感器的 情況下在多個存儲的校準矩陣中選擇。
全文摘要
藉助二次雷達信號改善地進行方向估計和解碼的裝置和方法。2.1公開了基於二次雷達信號的基於無線電的定位系統。在此一方面使用特殊接收系統進行方向估計，另一方面使用特殊接收系統對二次雷達信號解碼。尤其沒有二次雷達設備，其中考慮所使用硬體的不充足，例如耦合的天線元件、不同天線輸入阻抗、天線元件之間不同間距、製造和安裝容差等。2.2本發明的用於方向估計和/或二次雷達信號解碼的裝置具有至少一個由M個天線元件AE組成的陣列A；連接到各天線元件AE插塞連接裝置S的放大器LNA與帶通濾波器F1的組合，在其濾波器輸出端連接第一線性放大器V1用於放大頻帶限制後的信號；與第一線性放大器V1連接的混頻器M，用於頻率轉換到ZF範圍；與混頻器輸出端連接的第二線性放大器V2與帶通濾波器F2的組合，用於放大和頻帶限制ZF範圍中的信號；與第二帶通濾波器F2連接的第一模數轉換器AD1，用於採樣和量化濾波器輸出信號；與第一模數轉換器AD1連接的可配置的信號處理器FPGA/DSP，其為了調節混頻器頻率而與PLL-VCO電路連接並接收數據進行處理；及與可配置的信號處理器FPGA/DSP連接的處理單元CPU，其收集所有天線元件AE的數據DD並藉助基於子空間的方法執行方向估計。2.3本發明涉及二次雷達系統的領域。
文檔編號G01S13/78GK101960327SQ200980106364
公開日2011年1月26日 申請日期2009年2月25日 優先權日2008年2月25日
發明者C·雷克, H·漢佩爾, J·魏因齊爾, L-P·施密特, U·貝羅爾德 申請人:Iad信息自動化及數據處理有限公司