专利名称：改进地借助于二次雷达信号执行方向估计和解码的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的用于借助于二次雷达信号改进地执行方向估 计的装置以及根据权利要求10的相应方法。
背景技术：
一次雷达是指仅仅并直接转换雷达原理的雷达设备，也就是分析事先发射的高频 脉冲的直接(被动)回波的雷达设备。这个概念用于区分二次雷达，即其中使用主动地由 被检测对象产生的回波的技术。实践中，通常采用这两种方法的组合(例如在地面雷达情 况下的空中交通控制中)。一次雷达设备不依赖于对象主动产生信号以便能检测该对象。 这例如在空中交通控制领域中是有意义的，因为飞机即使在航空无线电应答器失灵的情况 下也必须能被检测到。在所使用的频率受到干扰的情况下，一次雷达设备可以毫无问题地 切换到其它频率。对于二次雷达设备，这样的切换仅在该切换也被待检测对象执行的情况 下才能成功进行。一次雷达只能确定能根据被反射的回波确定的参数(例如方向，距离和 速度)，而对于二次雷达，接收器可以在其响应中加入其它说明(例如识别码)。一次雷达 设备需要比类似二次雷达系统明显更高的发射功率，以便能达到相同的作用范围。二次雷达原理是一种采用运行时间测量的定位方法，该定位方法与传统的雷达技 术相反不是用在目标上被反射的能量、即目标的被动回波工作，而是在目标的板壁上存在 主动的响应设备(应答器)。对于二次雷达，目标通过以相同频率或另一频率发送响应来 主动回应所接收的雷达信号。为此，用天线接收雷达脉冲，并且通过同一天线来触发特征性 “回波”的发射。该响应可以是特征性的调制或者是数据分组。二次雷达相对于一次雷达的 主要优点是二次雷达明显更高的作用范围以及识别目标的可能性。利用一次雷达获得关于 目标的方向、高度和距离的可靠信息，而且这是完全独立于目标实现的。二次雷达提供附加 信息，如目标的识别码、标识以及高度。但是为此需要目标的协作。如果缺少这种协作，例如 因为应答器失灵，则二次雷达不能工作，也不能识别该飞行物。因此，大多数二次雷达设备 与一次雷达组合地工作。1953年制定了国际标准Mark X (该系统还非常简单地构成并且在 950至1150MHz的频带中在频率间隔为17MHz的12个不同信道上工作)，并且以直到2008 年的很多扩展被定义作为二次雷达在空中交通控制中的民用基础。在以前的文献中还使用 “超信标和离散地址信标系统(DABS)”概念作为标准Mark XII中S模式方法曾经的表示。一般来说，二次雷达系统由两个设备组成询问设备(询问器)以及响应设备(应 答器)。在飞行中，询问设备部分地是地面站，询问器可以部分地如应答器那样设置在飞机 中。询问器根据各自的调制类型(所谓的模式)发射例如用不同脉冲编码的查询。这些脉 冲被应答器接收和分析。根据该查询的内容产生响应，该响应又被编码并发射出去。通过 发射脉冲和响应电报之间的运行时间测量，可以计算出询问设备和响应设备之间的距离。 由于应答器中由解码和编码引起的延迟，该距离计算仅在该附加的延迟时间已知的情况下 是正确的。作为一般在1030MHz发射的传输协议，在所谓的上行链路路径上(从地面站向上发往飞机的查询)在P6脉冲内使用具有差分移相键控(DPSK)的脉冲调制。响应电报 在大多数模式中长达20. 3 μ s，由脉冲持续时间为0. 45 μ s (士0. 1 μ s)的2至15个脉冲组 成，通过所使用的四位八进制码仅具有4096个不同的识别码的值范围，并且以1090MHz的 频率传输。在下行链路路径(从飞机到查询者的响应)上，不利的是同样采用差分移相键 控(DPSK)。传输可靠性由于应答器在大的飞行高度时经受的极端温度波动而受到不利的影 响。因此，采用抵抗力更强的调制，即脉冲位置调制(PPM)。支持S模式的应答器的特点在 于所谓的自发报告(squitter)模式，其中应答器与查询无关地并且定期发送例如GPS位置 和标识作为无线电广播(ADS-B 广播式自动相关监视)。DE2538382A1公开了一种所谓的全景二次雷达(SSR设备)，其中不再必须设置用 于接收被查询的应答器响应的旋转天线。用于识别和/或定位飞机的方法的特征在于，首 先发射用于查询位于区域带中的应答器的查询脉冲对，确定所查找的应答器，发射抑制所 有在该带中的应答器直到所查找的应答器的抑制脉冲对，发射用于查询所查找的应答器的 第二请求脉冲对，其中所查找的应答器优选在该带中其余应答器被抑制时被查询，并且接 收由该应答器发射的响应来进行识别和/或定位。该发明的实施方式在于，第一查询脉冲 对的脉冲与脉冲之间的时间关系逐步改变，使得预定区域被逐步扫过，其中优选地规定，在 一个方向上一个带一个带地扫过预定区域，然后在相反的方向上一个带一个带地扫过该预 定区域。根据一个实施方式，用于执行该方法的装置的特征在于第一和第二天线，这些天线 在该预定区域的边界上相互间距开地设置并且被设置为使得这些天线发射特定的一对第 一查询脉冲对，其特征还在于第三天线，该第三天线设置在该区域的边界上，其中第三天线 和第一或第二天线被设置为使得它们发射特定的抑制脉冲对。另一种装置的特征在于第一 和第二天线，这些天线在该预定区域的边界上相互间距开地设置并且被设置为使得这些天 线发射特定的一对第一查询脉冲对，并且特征还在于第三和第四天线，该第三和第四天线 设置为使得它们发射特定的抑制脉冲对。第三天线因此可以被设置为使得该第三天线接收 所查找的应答器的响应；也可以设置至少3个天线，使得它们接收所查找的应答器的响应 以用于确定该应答器在该预定区域内的位置。飞机的位置虽然可以如上所述根据应答器响 应的帧脉冲对来确定，但是可以通过使每个天线都接收所选飞机的响应以及为了确定该飞 机的位置而采用三面方法(Dreiseitenverfahren)来获得更精确的位置显示。一种扩展通 过以下方式获得，即设置第四天线，该第四天线与其他天线一起用于发射抑制脉冲。通过这 种方式获得更大的抑制精确性，其中由于常规应答器的不灵敏特征而获得相对小的分辨能 力。小分辨能力的问题通过以下方式被最小花，即采用双抑制方法，在该方法中首先抑制位 于给定双曲线上的所有应答器，然后抑制机场上的所有应答器。如果但是在释放其余应答 器之前首先被抑制的应答器又被释放(即在35 μ s的特征抑制时间段之后)，则查询该给定 双曲线的所选片段以启动位于该片段上的应答器。整个机场都可以通过以下方式被采样， 即重复该过程，并且负责先后查询该给定双曲线的不同部分并改变初始抑制脉冲的时间关 系使得先后查询所有其它的双曲线。通过将利用三面方法确定的位置与该查询所针对的位 置相比较，可以消除由于反射、非同步响应(异步干扰fruit)、不期望的应答器分辨率(自 发报告)、模式镜像、响应错误模式等而出现的干扰响应的最大部分。该消除不影响其余响 应的定位精度。此外，DE2911313A1公开了一种在采用3个设置在机场边缘的接收器的情况下具有二次雷达的机场监视系统，该机场监视系统具有相控的接收天线以用于产生清晰成束的 接收波瓣，并且借助双曲线定位方法来进行计算。为了在任何情况下都使得能够通过识别 来精确定位位于机场上的飞机和机动车，通过以下方式来解决该任务，即由响应站发射的 响应信号通过在机场上与查询天线在空间上分离但是同样清晰成束的第二天线接收，该第 二天线也采样该机场，并且通过这两个天线形成的射线波瓣能被控制为使得它们的相交区 域相继检测该机场的每个点，由此借助该相交区域可以对飞机等进行位置确定。替换地，该 任务还通过以下方式解决，即由响应站发射的响应信号通过两个或更多适当分布在机场上 并且在空间上与查询天线间距开的圆形辐射天线接收，并且根据该响应信号到各个圆形辐 射天线的运行时间差异来借助双曲线定位方法计算相应飞机等的位置。针对定位的精确度 改进可以通过以下方式实现，即一方面由响应站发射的响应信号通过在机场上空间地与查 询天线间距开但同样清晰成束的第二天线接收，该第二天线也采样该机场，并且通过这两 个天线形成的射线波瓣能被控制为使得它们的相交区域相继检测该机场的每个点，由此借 助该相交区域可以对飞机等进行第一位置确定，另一方面由响应站发射的响应信号通过两 个或更多适当分布在机场上并且在空间上与查询天线间距开的圆形辐射天线接收，并且附 加地根据该响应信号到各个圆形辐射天线的运行时间差异来借助双曲线定位方法计算相 应飞机等的位置。此外，DE3835992A1公开了一种在自己的站中确定位置的冲突防止系统，该系统根 据SSR请求和对此的响应来确定自己的站的位置和其它站的位置。具体地说，自己的站的 初始位置通过主动测量与可供使用的其它站的应答器之间的距离来确定，这些其它站对自 己站的请求的连续响应没有通过响应的重叠而引起的干扰。这样的干扰在此应当被称为畸 变。为了确定其它站的身份和高度，选择未畸变的响应，并且这些响应相对于触发该响应的 请求的延迟是针对其它站与自己站之间直接距离的度量。为了保证与已识别的其它站之间 的距离测量，自己站发送重复的模式A请求和查询C请求的短信号轨迹并且校正所给出的 接收的响应。在应答器无畸变地向多于一个其它站做出响应的情况下，选择最佳用于精确 确定自己站和其它站的位置的。不需要遵循对自己位置的近似。通过自己站的请求和对该 请求的响应引起的ATCRBS运行的任何干扰只是暂时的，并且基本上可以忽略。自己站和进 行响应的其它站的位置由其它站的上述已识别的应答器以三角法根据所测量的SSR站的 请求和对该请求的未畸变的连续响应之间的距离和方位角差异以及到达时间差异。在借助 主动无线电结合被动数据确定了自己站的位置之后，仅被动地确定其它雷达收发站的相位 位置。此外，DE19720828A1公开了一种具有固定天线的系统，该固定天线用于基于模式 S引导和控制在飞机场表面上以及控制区域中的飞机，其中通过组合距离测量和双曲线方 法使得机场上的站能够为降落和起飞的飞机、在盘旋和启动的飞机以及在机场周围的飞机 定位和识别整个控制区域，并且与这些飞机通信。所有参与的站只需要具有圆形特性的天 线。至少3个具有固定天线特性的接收站以及同样具有固定天线特性的请求飞机应答器 的发射站的组合可以形成一种装置，该接收站用于接收由飞机的模式S应答器发射的振荡 (Squitter)或响应，该装置将双曲线或伪距离定位的原理与双路径距离测量的远离相互关 联，使得飞机既在机场的着陆区和外围区又在其附近(例如控制区域)都能以大的精度和 高的更新率被定位，被唯一识别以及能与这些飞机交换数据。尤其是在中区雷达或距离雷达在较大的高度上覆盖机场的情况下，可以放弃具有用于测量方向的旋转天线的昂贵的机 场雷达ASR。与具有旋转的、测量方向的天线的机场雷达ASR相比，双曲线方法和距离测量 的组合还能以明显更高的更新率提供更精确定位结果。此外DE10306922B4公开了一种用于监视机场地域的装置，其中使用了雷达设备， 该雷达设备具有小的地面反射干扰灵敏度，同时监视机场地域的空间区域和地面区域。具 体地说，提供了一种利用传感器在机场地域上以及上方识别障碍并监视运动的装置，其中 一个传感器是具有多个天线元件的雷达设备，这些天线元件设置在天线支架的弯曲表面 上，并且在时间上被先后控制，其中这些天线元件设置在圆周线上，并且第一圆周线和第二 圆周线分别形成一个平面，其中通过这些圆周线形成的平面相互垂直，并且设置在水平面 中的天线元件用于监视机场地域的地面区域，设置在与该水平面垂直的平面中的天线元件 用于监视空间区域并用于根据ROSAR原理确定降落或起飞的飞行物的飞行高度，以及另一 传感器是ROSAR雷达设备，该雷达设备通过天线的旋转产生合成方位角，其中所述装置位 于起飞轨道和降落轨道上。在此，ROSAR雷达设备的天线元件在时间上被先后控制和采样。 借助设置在第一水平面中的天线元件，保证对机场地域的地面区域的监视，借助设置在与 该第一水平面垂直的平面中的天线元件，保证对机场的空间区域的监视。此外，利用该装置 可以确定降落或起飞的飞行物的飞行高度。由于该装置的高度分辨率很高，与公知的装置 相比取消了在待观察的飞行物中设置二次雷达-应答器的要求。而且也可以省略地面上所 需要的二次雷达。此外DE102005000732A1公开了一种具有合成方位角的基于无线电的定位系统， 该定位系统的特征在于，-借助绝对传感器装置和相对传感器装置的测量数据，检测从起点位置发出的移 动站的运动，-借助该测量数据以合成方位角的形式生成虚拟天线，以及-基于合成方位角的使用，将移动站先后聚焦在位置固定的站上，和/或反过来。通过使用合成方位角，通过适当选择该方位角的大小和/或绝对传感器装置的测 量数据的幅度加权和/或相位加权，生成该合成方位角的反向特性，使得该合成方位角的 方向图几乎均勻地位于任意先前位置测量的误差椭圆范围内。最后，US2005/0024256A1公开了一种被动的冲突防止系统和一种方法，其中在装 备有GPS的观察飞机中分析位于监视区域中的飞机的响应电报，该位于监视区域中的飞机 将该响应电报发射到地面站。为此，在观察飞机上设置线形或环形的天线阵列，该天线阵列 具有相互间具有相同天线间距的方向天线，其中位于1.090MHz范围内的天线元件的输出 信号分别被输送给与A/D转换器连接的接收器。在A/D转换器的输出端上以复基带输出的 信号被输送给唯一的数字信号处理器，该信号处理器确定接收的是模式A的有效信号还是 模式C的，并且滤除所有不相关的信号。在DSP的输出端上输出的信号包括模式A或C的所 有有效信息，即相应的目标应答器ID和高度数据，这些信号与自己的GPS数据一起通过USB 电缆输送给位于观察飞机上的膝上型电脑、PDA或笔记本电脑以进行进一步处理。在该膝上 型电脑、PDA或笔记本电脑中执行的方向估计例如可以借助估计方法ESPRIT，MUSIC(多信 号分类)，WSF(加权子空间拟合)进行，结果可以显示在固定于驾驶仪支架的显示器上，其 中所述方向估计基于位于观察区域中的目标飞机的GPS数据和响应电报(地面站的发射脉
9冲和相应目标飞机的响应电报之间的运行时测量，以计算地面站与目标飞机之间的距离)。 在该运行时计算中，引入观察飞机和目标飞机之间的相对距离c以及路段“观察飞机和地 面站”以及路段“观察飞机和目标飞机”之间的角度α (在考虑用于在相应的目标飞机中生 成响应电报的延迟时间的情况下)。为了降低接收器的数量，还可以设置天线阵列的可开关 的方向天线，驾驶仪可以另外通过语音信号-例如“目标飞机在10点下方和附近”或“目标 飞机在两点上方和附近”或者(音调大小升高的)通知音在碰撞前报警。方向估计的精度 在此取决于很多因素，如信噪比SNR，测量次数，接收信号(响应电报)的数量，不同信号之 间的角度上的分离，天线模式响应在角度方面的导数，与理想天线阵列之间的偏差(制造 误差)以及系统校准的可能性。如上面提到的现有技术所展示的，公开了以二次雷达信号为基础的基于无线电的 定位系统。在此，一方面使用了特殊的接收系统来用于方向估计，另一方面使用了特殊的接 收系统来对二次雷达信号解码。尤其是没有使用二次雷达设备，其中要考虑所使用的硬件 的不足之处，例如加倍的天线元件、不同的天线输入阻抗，天线元件之间的不同间距，制造 和安装容差等等。

发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种基于无线电的定位系统，使得可以改进基 于二次雷达信号的方向估计以及解码。此外该定位系统还可以扩展到用于确定位置。该技术问题根据权利要求1通过一种用于借助二次雷达信号改进地进行方向估 计和/或解码的装置来解决，该装置具有-至少一个由M个天线元件组成的阵列，-连接到各天线元件的插塞连接装置上的低噪声线性放大器，该放大器增大所接 收的二次雷达信号的电平，-与该低噪声放大器连接的第一带通滤波器，在该第一带通滤波器的滤波器输出 端连接第一线性放大器以用于放大频带限制后的信号，-与第一线性放大器连接的混频器，用于将频率转换到ZF范围，-与该混频器输出端连接的第二线性放大器，用于放大ZF范围中的信号，-与第二线性放大器连接的第二带通滤波器，用于对ZF范围中的信号频带限制，-与第二带通滤波器连接的第一模数转换器，用于采样和量化滤波器输出信号，-与第一模数转换器连接的可配置的信号处理器，该信号处理器为了调节混频器 频率而与PLL-VCO电路连接并且接收数据来进行处理，以及-与可配置的信号处理器连接的处理单元，该处理单元收集来自所有天线元件的 数据并且借助基于子空间的方法来执行方向估计，-使得不仅在方向估计时而且在检测所接收的无线电数据时，在与M个天线元件 连接的模拟输入级中考虑天线元件的不同的放大、相位差和耦合。此外，该技术问题通过本发明在根据权利要求2的用于基于二次雷达信号确定位 置和/或解码的装置中解决，该装置具有-至少两个由M个天线元件组成的阵列，-连接到各天线元件的插塞连接装置上的低噪声线性放大器，该放大器增大所接收的二次雷达信号的电平，-与该低噪声放大器连接的第一带通滤波器，在该第一带通滤波器的滤波器输出 端连接第一线性放大器以用于放大频带限制后的信号，-与第一线性放大器连接的混频器，用于将频率转换到ZF范围中，-与该混频器输出端连接的第二线性放大器，用于放大ZF范围中的信号，-与第二线性放大器连接的第二带通滤波器，用于对ZF范围中的信号频带限制，-与第二带通滤波器连接的第一模数转换器，用于采样和量化滤波器输出信号，-与第一模数转换器连接的可配置的信号处理器，该信号处理器为了调节混频器 频率而与PLL-VCO电路连接并且接收数据来进行处理，以及-与可配置的信号处理器连接的处理单元，该处理单元收集来自所有天线元件的 数据并且借助基于子空间的方法来执行方向估计，-与这些阵列的处理单元连接的中央处理单元，该中央处理单元收集来自所连接 的处理单元的用于方向估计的信息并且根据该信息借助交叉探向来进行位置确定，-使得不仅在方向估计时而且在检测所接收的无线电数据时，在与M个天线元件 连接的模拟输入级中考虑天线元件的不同的放大、相位差和耦合。此外，该技术问题根据本发明在一种根据权利要求10的用于方向估计和/或对 二次雷达信号解码的方法中解决，该方法采用至少两个由M个天线元件组成的阵列以及与 M个天线元件连接的模拟输入级，该输入极具有线性放大器、带通滤波器、混频器、模数转换 器、可配置的信号处理器以及处理单元，在该方法中-该信号处理器之一生成第一和第二时钟信号作为混频器和模数转换器的时间标 准，-在与这些信号处理器连接的处理单元中进行相干的模拟和数字信号处理，该处 理单元收集来自所有天线元件的数据并借助基于子空间的方法执行方向估计，以及-既在根据交叉探向进行方向估计时又在检测所接收的无线电数据时在与M个天 线元件连接的模拟输入级中考虑不同的放大、相位差和变化的噪声系数。


可以从下面参照附图对本发明优选实施方式的描述中了解其它优点和细节。在附 图中图1示出第一实施方式的结构框图，图2示出天线元件之间的耦合机制，图3示出通过载波偏移的RMSE，图4示出模拟的天线元件之间的耦合的结果，图5示出输入级放大的绝对值的以其标称放大被归一化的标准偏差的RMSE，图6示出输入级的相位以π被归一化的标准偏差的RMSE，图7示出利用参数化的仿真模型进行的方向估计的RMSE，其基于在载波偏移上所 测得的所使用硬件的值，图8示出基于2000个所接收的ADS-B电报使用ESPRIT进行方向估计中的误差直 方图，
图9示出基于2000个所接收的ADS-B电报使用NC酉ESPRIT进行方向估计中的
误差直方图，图10示出用于基于多个阵列的方向估计来确定位置的示意系统图，图11示出对于基于具有校准和没有校准的14222个ADS-B电报的ESI3RIT相对于 入射角的方向估计中的误差，图12示出对于基于具有校准和没有校准的14222个ADS-B电报的ESI3RIT的方向 估计中的误差直方图。
具体实施例方式在1090MHz下的二次雷达被用于在飞行物、地面运输工具和空中交通控制 之间识别和传送一般飞行数据。目前的工作在于这样的任务，即将其基于多点定位 (Multilateration)的概念的应用扩大到位置确定的领域。但是，多点定位系统(Multilaterationssystem)的构造是很难的任务。信号到 达时间必须被非常精确地确定，并且要实现所有参与的接收器的精确同步。此外，该系统 对码间干扰(ISI)很敏感。虽然 E. Piracci、N. Petrochilos 和 G. Galati 在 EURAD，2007 StJ "Single-antenna Projection Algorithm to discriminate superimposedSecondary Surveillance Radar Mode S Signals”中公开了一种算法，该算法降低了 ISI的影响，但是 该算法基于仅仅考虑S模式信号的数据模型。一种用于方向估计的天线阵列可以改进多点定位系统的性能，甚至对于短的距离 也许可以代替其。图1示出一种用于方向估计和/或对二次雷达信号解码的装置的第一实施方式的 结构框图，该装置具有-至少一个由M个天线元件AE组成的阵列A，-连接到各天线元件AE的插塞连接装置S上的低噪声线性放大器LNA，该放大器 提高所接收的二次雷达信号的电平，-与该低噪声放大器LNA连接的第一带通滤波器F1，用于放大被频带限制后的信 号的第一线性放大器Vi被连接到该第一带通滤波器的滤波器输出端，-与第一线性放大器Vl连接的混频器M，用于频率转换到ZF范围中，-与混频器输出端连接的第二线性放大器V2，用于放大ZF范围中的信号，-与第二线性放大器V2连接的第二带通滤波器F2，用于对ZF范围中的信号进行 频带限制，-与第二带通滤波器F2连接的第一模数转换器AD1，用于采样和量化滤波器输出
信号，-与第一模数转换器ADl连接的可配置的信号处理器FPGA/DSP，该信号处理器为 了调节混频器频率而与PLL-VCO电路连接并且接收数据用于处理，以及-与可配置的信号处理器FPGA/DSP连接的处理单元CPU，该处理单元CPU收集来 自所有天线元件AE的数据DD并且借助基于子空间的方法来执行方向估计，_使得天线元件的不同的放大、相位差和耦合不仅在方向估计时、而且在检测所接 收的无线电数据时在与M个天线元件AE连接的模拟输入级中被考虑。
12
优选地，第二带通滤波器F2与用于放大低电平信号的第三线性放大器V3连接，第 二模数转换器AD2连接到该第三线性放大器。第二模数转换器AD2与对应的放大器用于提 高系统的动态性，因为所要求的动态性在此高于常用模数转换器的动态性。在本发明的扩展方案中，天线阵列A由至少3个全向天线元件AE组成，这些天线 元件除了针对MUSIC之外都被实施为具有半个波长的相同天线间距的线性阵列A。天线元 件AE具有以平分的管子为形式的反射器，该管子具有等于半个波长的直径，由此既实现了 匹配又实现了去耦。替换地，天线元件AE被构造为载体板上的框形天线，该载体的背面具 有用于屏蔽的金属表面。为了对可配置的信号处理器FPGA/DSP引入时间同步，该信号处理 器与无线电接收器FE (例如用于接收GPS信号或伽利略信号)和/或导线连接的接口电路 TZ(例如用于接入以太网连接)连接。在根据本发明的方法中，信号处理器FPGA之一产生第一和第二时钟信号CK1、CK2 作为用于混频器M和模数转换器ADl、AD2的时间标准，并在与这些信号处理器FPGA连接的 处理单元CPU中执行相干的模拟和数字信号处理，该处理单元CPU收集来自所有天线元件 的数据DD并借助基于子空间的方法执行方向估计。作为基于子空间的方法，使用多信号分类(MUSIC)或使用通过相对不变量技术的 信号参数估计(ESPRIT)或使用非圆(NC)酉ESPRIT或使用矩阵束。在根据MUSIC的方向估 计方法中，不直接计算入射方向，而是确定所谓的伪频谱，根据该伪频谱确定入射方向。在 混频器M中，混合为等效的复基带以及随后进行数字低通滤波。优选地，包含通过机上卫星 (全球定位系统GPS)经由位置测定所确定的飞机位置的ADS-B电报被用作该位置的参考。 本发明的方法的特征尤其在于用于方向估计和/或用于高度估计。此外，在处理单元CPU 中分析位置信息和路线数据(Verlaufsdaten)，这些位置信息和路线数据已由作为位置信 息获取/处理单元的信号处理器FPGA获得。信号处理器FPGA根据定义的时间间隔或在达 到可预定的距离的情况下接收两个或更多位置数据，并且将这些位置数据在(数据)分组 中发送给处理单元CPU。优选地，数据分组在处理单元CPU中以特定的时间间隔循环/周期 性地存储。在本发明的用于方向估计和/或对二次雷达信号解码的装置中的信号处理流程 总结如下-借助天线阵列A接收信号(在1090MHz)-用低噪声前置放大器LNA(可能是频率范围在1090MHz附近的选择性放大器)进 行线性放大(20dB)，-用带通滤波器Fl(1090MHz)进行滤波并用放大器Vl进行放大，-利用混频器M频率转换到中频范围(86MHz)。用于混频器的控制信号(1004MHz) 由PLL/VC0组合产生，-利用放大器V2进行线性放大(17dB)和利用带通滤波器F2进行滤波(86MHz)，-将该信号划分到两条路径中，-在第一路径中利用第一模数转换器ADl(16位均勻的，108MHz的采样频率)进行 线性放大(45dB)和模数转换，-在第二路径中利用第二模数转换器AD2(16位均勻的，108MHz的采样频率)进行 直接模数转换，
权利要求
一种用于借助二次雷达信号改进地进行方向估计和/或解码的装置，该装置具有 至少一个由M个天线元件(AE)构成的阵列(A)， 连接到各天线元件(AE)的插塞连接装置(S)上的低噪声线性放大器(LNA)，该低噪声线性放大器提高所接收的二次雷达信号的电平， 与该低噪声线性放大器(LNA)连接的第一带通滤波器(F1)，在该第一带通滤波器的滤波器输出端连接第一线性放大器(V1)用于放大频带限制后的信号， 与第一线性放大器(V1)连接的混频器(M)，用于将频率转换到ZF范围， 与该混频器的输出端连接的第二线性放大器(V2)，用于放大ZF范围中的信号， 与第二线性放大器(V2)连接的第二带通滤波器(F2)，用于对ZF范围中的信号进行频带限制， 与第二带通滤波器(F2)连接的第一模数转换器(AD1)，用于采样和量化滤波器输出信号， 与第一模数转换器(AD1)连接的可配置的信号处理器(FPGA)，该信号处理器为了调节混频器频率而与PLL VCO电路连接并且接收数据来进行处理，以及 与可配置的信号处理器(FPGA)连接的处理单元(CPU)，该处理单元收集来自所有天线元件(AE)的数据(DD)并且借助基于子空间的方法来执行方向估计， 使得天线元件的不同的放大、相位差和耦合不仅在方向估计时、而且在检测所接收的无线电数据时在与所述M个天线元件(AE)连接的模拟输入级中被考虑。
2.一种基于二次雷达信号确定位置和/或解码的装置，该装置具有 -至少两个由M个天线元件(AE)构成的阵列(Al，A2，A3)，-连接到各天线元件(AE)的插塞连接装置(S)上的低噪声线性放大器(LNA)，该低噪 声线性放大器提高所接收二次雷达信号的电平，-与该低噪声线性放大器(LNA)连接的第一带通滤波器(Fl)，在该第一带通滤波器的 滤波器输出端连接第一线性放大器(Vl)用于放大频带限制后的信号，-与第一线性放大器(Vl)连接的混频器(M)，用于将频率转换到ZF范围中， -与该混频器的输出端连接的第二线性放大器(V2)，用于放大ZF范围中的信号， -与第二线性放大器(V2)连接的第二带通滤波器(F2)，用于对ZF范围中的信号进行 频带限制，-与第二带通滤波器(F2)连接的第一模数转换器(ADl)，用于采样和量化滤波器输出信号，-与第一模数转换器(ADl)连接的可配置的信号处理器(FPGA)，该信号处理器为了调 节混频器频率而与PLL-VCO电路连接并且接收数据来进行处理，以及-与可配置的信号处理器(FPGA)连接的处理单元(CPU)，该处理单元收集来自所有天 线元件(AE)的数据(DD)并且借助基于子空间的方法来执行方向估计，-与所述阵列(A1，A2，A3)的处理单元(CPU)连接的中央处理单元(ZCPU)，该中央处理 单元收集来自所连接的处理单元(CPU)的用于方向估计的信息并且根据该信息借助交叉 探向来进行位置确定，_使得天线元件的不同的放大、相位差和耦合不仅在方向估计时、而且在检测所接收的 无线电数据时在与所述M个天线元件(AE)连接的模拟输入级中被考虑。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，使用多信号分类(MUSIC)或使用通过 相对不变量技术的信号参数估计(ESPRIT)或使用非圆(NC)酉ESraiT或使用矩阵束作为 基于子空间的方法。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，用于放大低电平信号的第三线性放大 器(V3)与第二带通滤波器(F2)连接，其中第二模数转换器(AD2)连接到该第三线性放大ο
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述天线阵列㈧由至少3个全向天 线元件(AE)组成，这些全向天线元件除了针对MUSIC之外都被设计为具有半个波长的相同 天线间距的线性阵列(A)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述天线元件(AE)具有以平分的管子为 形式的反射器，该管子具有等于半个波长的直径，由此既实现了匹配又实现了去耦。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述天线元件(AE)被设计为载体板上的 框形天线，该载体的背面具有用于屏蔽的金属表面。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，为了对可配置的信号处理器(FPGA) 引入时间同步，无线电接收器(FE)和/或导线连接的接口电路(TZ)连接到该信号处理器。
9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，对于M= 3，所述阵列(A1，A2，A3)以等腰 三角形的形式设置，而对于M = 4，所述阵列(A1，A2，A3)以正方形的形式设置。
10.一种用于方向估计和/或二次雷达信号解码的方法，该方法采用至少一个由M个天 线元件构成的阵列(A)以及连接到这M个天线元件(AE)的模拟输入级，该输入极具有线性 放大器(LNA，V1，V2，V3)、带通滤波器(F1，F2)、混频器(M)、模数转换器(AD1，AD2)、可配置 的信号处理器(FPGA)以及处理单元(CPU)，在该方法中-这些信号处理器(FPGA)之一生成第一和第二时钟信号(CK1，CK2)作为混频器(M)和 模数转换器(AD1，AD2)的时间标准，-在与这些信号处理器(FPGA)连接的处理单元(CPU)中执行相干的模拟和数字信号处 理，该处理单元收集来自所有天线元件的数据(DD)并借助基于子空间的方法执行方向估 计，以及-天线元件的不同的放大、相位差和耦合不仅在方向估计时、而且在检测所接收的无线 电数据时在连接到所述M个天线元件(AE)的模拟输入级中被考虑。
11.根据权利要求10所述的方法，利用具有至少两个由M个天线元件(AE)构成的阵列 (A1，A2，A3)和与该阵列(A1，A2，A3)的处理单元(CPU)连接的中央处理单元(ZCPU)的装 置，其特征在于，该中央处理单元(ZCPU)收集来自所连接的处理单元(CPU)的用于方向估 计的信息并且根据交叉探向进行位置确定。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在基于子空间的方法中，为了方向估计 和位置估计考虑变化的噪声系数。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使用多信号分类(MUSIC)或使用通过相 对不变量技术的信号参数估计(ESPRIT)或使用非圆(NC)酉ESraiT或使用矩阵束作为基 于子空间的方法。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在根据MUSIC的方向估计方法中，不直 接计算入射方向，而是确定所谓的伪频谱，根据该伪频谱确定入射方向。3
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在混频器(M)中，混合为等效的复基带， 并且随后进行数字低通滤波。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包含通过机上卫星(全球定位系统 GPS)经由位置测定所确定的飞机位置的ADS-B电报被用作该方法的参考。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使用具有分布在行或平面内的M个天线 元件的天线阵列(A)。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法用于方向估计和/或用于高度 估计。
19.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在处理单元(CPU)中分析位置信息和 路线数据，这些位置信息和路线数据由作为位置信息获取/处理单元的信号处理器(FPGA) 获得。
20.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，信号处理器(FPGA)根据限定的时间间 隔或在达到可预定的距离的情况下接收两个或更多位置数据，并且在(数据)分组中将这 些位置数据发送给处理单元(CPU)。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，该数据分组在处理单元(CPU)中以确定 的时间间隔循环/周期性地存储。
22.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，为了计算使用根据以下等式的接收模型
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，耦合矩阵C通过校准来获得，该校准又 借助固有结构分析来执行，该固有结构分析通过复耦合矩阵C与理想射束成形向量的乘法 根据下式来进行Aestim＝C·A其中Aestim表示协方差矩阵Rxx的主导特征向量(主特征向量)，该协方差矩阵由有限 数量的接收采样值形成，A表示对应的理想射束成形向量。
24.根据权利要求22和23所述的方法，其特征在于，在校准过程期间，主特征向量Aestim 与其对应的理想射束成形向量A相比较，所出现的最小化问题
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，如果天线耦合不能被忽略，所出现的最 小化问题
26.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，使用包含在用于存储的装置中的单位 矩阵作为耦合矩阵C。
27.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，在使用温度传感器和/或湿度传感器的 情况下在多个存储的校准矩阵中选择。
全文摘要
借助二次雷达信号改善地进行方向估计和解码的装置和方法。2.1公开了基于二次雷达信号的基于无线电的定位系统。在此一方面使用特殊接收系统进行方向估计，另一方面使用特殊接收系统对二次雷达信号解码。尤其没有二次雷达设备，其中考虑所使用硬件的不充足，例如耦合的天线元件、不同天线输入阻抗、天线元件之间不同间距、制造和安装容差等。2.2本发明的用于方向估计和/或二次雷达信号解码的装置具有至少一个由M个天线元件AE组成的阵列A；连接到各天线元件AE插塞连接装置S的放大器LNA与带通滤波器F1的组合，在其滤波器输出端连接第一线性放大器V1用于放大频带限制后的信号；与第一线性放大器V1连接的混频器M，用于频率转换到ZF范围；与混频器输出端连接的第二线性放大器V2与带通滤波器F2的组合，用于放大和频带限制ZF范围中的信号；与第二带通滤波器F2连接的第一模数转换器AD1，用于采样和量化滤波器输出信号；与第一模数转换器AD1连接的可配置的信号处理器FPGA/DSP，其为了调节混频器频率而与PLL-VCO电路连接并接收数据进行处理；及与可配置的信号处理器FPGA/DSP连接的处理单元CPU，其收集所有天线元件AE的数据DD并借助基于子空间的方法执行方向估计。2.3本发明涉及二次雷达系统的领域。
文档编号G01S13/78GK101960327SQ200980106364
公开日2011年1月26日 申请日期2009年2月25日 优先权日2008年2月25日
发明者C·雷克, H·汉佩尔, J·魏因齐尔, L-P·施密特, U·贝罗尔德 申请人:Iad信息自动化及数据处理有限公司