Der Einfluss von Ausbreitungsstörungen auf die Peilgenauigkeit im HF- und VHF-Bereich

Transkript

1 KRIEG IM AETHER Vorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich im Wintersemester 1990/1991 Leitung: Bundesamt für Übermittlungstruppen Divisionär J. Biedermann, Waffenchef der Übermittlungstruppen Der Einfluss von Ausbreitungsstörungen auf die Peilgenauigkeit im HF- und VHF-Bereich Referent: Gerhardt Bodemann, Dipl. Ing. Diese Vorlesung wurde durch die Stiftung HAMFU digitalisiert und als PDF Dokument für aufbereitet.

2 7-1 DER EINFLUSS VON AUSBREITUNGSSTÖRUNGEN AUF DIE PEILGENAUIGKEIT IM HF- UND VHF-BEREICH G. Bodemann, Dipl. Ing. INHALTSVERZEICHNIS 1. Aufgabenstellung 2. Entstehung des Peilfehlers 3. Entstehung der Ausbreitungsstörung 4. Ermittlung des ausbreitungsbedingten Peilfehlers 5. Erhöhung der Peilgenauigkeit durch Grossbasis-Peilverfahren 6. Ausbreitung in der Stadt 7. Peilgenauigkeit bei Raumwellenausbreitung 8. Peilfehler durch Ausbreitungsstörungen 9. Peilfehler durch Travelling Ionospheric Disturbances (TID) 10. Peilergebnisse in Abhängigkeit von der Senderentfernung 11. Beeinflussung der Peilgenauigkeit durch die Ueberlagerung von Boden- und Raumwellen Adresse des Autors: G. Bodemann Telefunken Systemtechnik GmbH Sedanstrasse 10 D-7900 Ulm "Krieg im Aether", Folge XXX, HAMFU - Seite 1

3 7-2 AUFGABENSTELLUNG Die Funk-Ortung - gemeint ist die Lokalisierung von nichtkooperativen Nachrichtensendern - ist ein wesentlicher Bestandteil der Funkaufklärung. In taktischen Aufklärungs-Systemen dient die Funk-Ortung zur Erkennung der Struktur und Ausdehnung gegnerischer Kampfverbande anhand der Struktur ihrer Funknetze. Um diese Aufgabe erfüllen zu können, muss das Auflösungsvermögen des Ortungssystems die Unterscheidung einzelner Funkstellen ermöglichen. Die erforderliche Ortungsgenauigkeit hängt also bei einem taktischen Aufklärungssystem von der Struktur der Kampfverbände ab. Bei einer Breite des Operationsgebietes von 80 km ergibt sich ein Abstand der Kompanien von etwa 10 km, ein Abstand der Regimenter von ca. 20 km und ein Abstand der Divisionen von ca. 40 km. Der Systementwickler hat nun die Aufgabe, ein Ortungssystem zu definieren, das in einem vorgesehenen Einsatzgebiet die Unterscheidung der einzelnen Funkstellen ermöglicht. Die Grundvoraussetzung für ein effektives Ortungssystem ist eine dem Aufklärungsgebiet angepasste geometrische Anordnung der Peilstellen. Die grösste Genauigkeit wird bei gegebener Pellgenauigkeit erzielt, wenn sich der Sender auf der Mittelsenkrechten der Peilbasis befindet und wenn sein Abstand etwa der halben Basislänge entspricht. Bei kleineren Schnittwinkeln, die sich bei grösseren Entfernungen und Ablagen seitlich zur Mittelsenkrechten auf die Peilbasis ergeben, verringert sich die Ortungsgenauigkeit. Bei einer rechtwinkligen Wahrscheinlichkeitsverteilung der Peilfehler ergibt sich als Schnittfigur ein Viereck, in dem der Standort des gepeilten Senders zu suchen ist. Bei einer Normal Verteilung der Peilfehler, die - wie spater gezeigt - der Praxis recht nahe kommt, ergibt sich als Schnittfigur eine Ellipse. Eine gute Hilfe bei der Planung von Ortungssystemen ist das Ortungsisogramm nach Bild 1. Die Ortskurven geben den Radius konstanter Fehlerkreise an, innerhalb der das Ortungsergebnis mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit liegt (zur Vereinfachung sind die Fehlerellipsen in Fehlerkreise überführt). Für den tatsächlichen Ortungsfehler sind die Werte der Ortskurven mit der Peilbasis und dem Peilfehler zu multiplizieren. Wird als Peilfehler der Icr-Wert eingesetzt, erhalt man mit ausreichender Genauigkeit den mittleren quadratischen Fehler der Ortungsergebnisse. Bild 1 Ortskurven für den mittleren quadratischen Fehler bei gleichem mittlerem Peilfehler der beiden Peilstellen «RMS = 5 RMS " a RMS ' B Neben der geometrischen Anordnung der Peilanlagen wird die Ortungsgenauigkeit durch die im Einsatzgebiet erzielbare Peilgenauigkeit bestimmt. Für die Planung eines Ortungssystems ist also die Kenntnis der operationellen Peilgenauigkeit erforderlich. Wie Bild 2 zeigt, gibt es fur die Funkpeilung 3 Fehlerquellen - die Gerätefehler (Peilantenne und Peilempfänger) - die Fehler durch das Peilgelände (Standort der Peilantenne), sowie - die Fehler durch Ausbreitungsstörungen. Die Fehleranteile, die statistisch unabhängig sind, ergeben n* ch dem Fehlerfortschreitungsgesetz den Gesamtfehler zu: a a g e s = l / l (0<M) = HAMFU - Seite 2

4 7-3 Während die Gerätefehler und meist auch die Fehler durch das Peilgelände beeinflussbar sind, nämlich durch die Fertigungstoleranzen beim Peilgerät und durch die geeignete Wahl eines Peilerstandorts beim Geländefehler, ist der Ausbreitungsfehler bei einem gegebenen Peilverfahren nicht beeinflussbar. Durch die Wahl eines Grossbasis-PeiIverfahrens können sämtliche Fehlerquellen beeinflusst werden, wobei die Einflussgrösse von der Antennenbasis bezogen auf die Wellenlänge abhängt. Peilverfahren (Großbasisverhalten) Fertigungstoleranzen Geländewahl Bild 2 Fehlerquellen einer Peilanlage im praktischen Betrieb Da die Ausbreitungsfehler bei gegebenem Peilverfahren nicht beeinflussbar sind, hat es auch keinen Wert, eine im Verhältnis zu den Ausbreitungsfehlern zu hohe Gerätegenauigkeit zu fordern. Das kostet meist nur Geld und hat keinen operationellen Nutzen. Kenntnisse über die Ausbreitungsfehler helfen also auch bei der Spezifikation der Peilanlagen. ENTSTEHUNG DES PEILFEHLERS Die Information über die Ausbreitungsrichtung einer elektromagnetischen Welle ist in den Polarisationsvektoren (E- und H-Vektor) und in den Isophasen (Wellenfront) enthalten. Die Amplitude enthält im Einwellenfall keine Richtungsinformation. Dementsprechend basieren alle Peilverfahren (mit Ausnahme der Hehrwellenpeiler) auf der Messung eines dieser Parameter. Die polarisationsensitiven Peilverfahren, d.h. die Peilverfahren, die die Lage des Polarisationsvektors zur Richtungsbestimmung benutzen, - wie der Kreuzrahmen - sind wenig verbreitet, da nicht angepasste Polarisation zu Fehlern führen kann (sogenannte Polarisationsfehler, auch als Nachteffekt bekannt). Alle übrigen bekannten Peilverfahren, wie Adcock, Dopplerpei1er oder Interferometer, beruhen auf der Vermessung der Isophasen. Fallen nun am Empfangsort zwei Wellen - eine sich direkt ausbreitende und eine auf dem Ausbreitungsweg reflektierte Welle - unter unterschiedlichem Azimut ein, wird die Wellenfront gestört und es entstehen geschwungene Isophasen. Die gestörten Isophasen schlängeln sich um die ungestörten, solange die direkte Welle die stärkere Welle ist. Die Periodizität der gestörten Isophasen hängt von der Winkeldifferenz zwischen Nutzwelle und Störwelle ab. Bei einer Winkeldifferenz von 90" beträgt die Periode gerade bei einer Winkeldifferenz von 45 schon 1,4 X und bei einer Winkeldifferenz von 5 gar 11,5 Bei phasensensitiven Pei lverfahren wird - wie eingangs erwähnt - die Lage der Isophasen gemessen und daraus die Peilrichtung abgeleitet. Im Falle eines Drehadcocks wird aus zwei Antennen, die um einen gemeinsamen Mittelpunkt gedreht werden können, die Differenzspannung gebildet. Die Antennen werden solange gedreht, bis deren Ausgangsspannungen gleichphasig sind und damit die Differenzspannung zu Null wird. Der Peilwinkel liegt dann senkrecht zur Antennenbasis. 6B Bild 3 Entstehung des Peilfehlers im Interferenzfeld HAMFU - Seite 3

5 7-4 Werden nun die Isophasen - wie in Bild 3 gezeigt - mit einem Kleinbasissystem kleinflächig abgetastet, können sehr grosse Fehler entstehen. Durch grossflächige Abtastung mit einem Grossbasis-Antennensystem kann der Peilfehler erheblich reduziert werden. Voraussetzung ist allerdings, dass die Basis der Peilantenne in der Grössenordnung der Isophasenperiode liegt. Es zeigt sich, dass der Grossbasiseffekt bei grosser Winkeldifferenz zwischen Nutz- und Störwelle stärker zur Wirkung kommt als bei kleiner Winkeldifferenz. Die durch Interferenzfelder verursachten Peilfehler sind in den Genauigkeitsangaben der Hersteller nicht enthalten. Bei der Prüfung der Peilgenauigkeit wird die Antenne am Ort gedreht, so dass für jede azimutale Stellung das gleiche Interferenzfeld vorliegt. Die Peilanzeigenänderung muss dann der Antennendrehung entsprechen. Abweichungen davon sind auf Gerätefehler zurückzuführen. Die interferenzbedingte Peilabweichung bleibt über die gesamte Umdrehung konstant (sog. A-Fehler) und kann eliminiert werden. Dies ist zulässig, da keine antenneneigene Fehler möglich sind, die zu azimutunabhängigen Peilfehlern führen. ENTSTEHUNG DER AUSBREITUNGSSTOERUNG In der Praxis wird sich besonders im VHF/UHF-Frequenzenbereich nur in seltenen Fällen eine ungestörte direkte Welle zwischen Sender- und Peilerstandort ausbreiten können. Der Ausbreitungsweg ist vielmehr durch Wälder, Hügel, Häuser etc. abgeschattet. Am Empfangsort fällt dann keine einzelne Welle, sondern es fallen zusätzlich zur direkten Welle eine Vielzahl von reflektierten Wellen aus vielen Richtungen ein, die von unzähligen geeigneten Reflektoren wie Bäumen, Häusern, Hügel, Hetallmasten, verteilt über das Gelände zwischen Peiler und Sender, ausgehen (Bild 4). Die Wellen überlagern sich am Peilerstandort entsprechend ihrer Phasen und Amplituden zu einem Interferenzfeld. Das Feld kann in der komplexen Ebene als Summenvektor aus der direkten Welle und den einzelnen, an unterschiedlichen Gegenständen reflektierten Wellen, dargestellt werden. Die Amplituden und Phasen der Streuwellen sind Zufallsvariable, die sich entsprechend der Laufzeiten der Wellen und des Reflexionsverhaltens der Rückstreuer bei Aenderung des Senderstandorts oder der Senderfrequenz ändern. Sender Bild 4 Modell einer Bodenwellenausbreitung Das Interferenzfeld ist nicht mehr regelmässig geformt, sondern die Ortskurven der Phasen haben einen zufälligen Verlauf. Wie in Bild 5 anhand eines Interferenzfeldes aus 5 Wellen gezeigt, kann man zwar die Richtung der stärksten Welle noch erkennen, die bei Ortsänderung zu erwartenden Peilfehler weisen jedoch keine Regelmässigkeit auf.. / v ' " N \ \ Bild 5 Isophasenlinien in einem Interferenzfeld aus 5 Wellen HAMFU - Seite 4

6 7-5 Das statistische Verhalten der Ausbreitung und der daraus resultierenden Peilfehler zeigt sich recht deutlich, wenn man einen VHF-Sender bewegt. Durch die Ortsänderung ändern sich die Laufzeiten bzw. die Phasenbeziehungen der einzelnen Wellen, und es tritt eine zufällige Schwankung des Peilergebnisses auf, obwohl sich die Sollrichtung nicht erkennbar ändert. Wird beispielsweise ein Sender mit einer Sendefrequenz von 150 MHz um nur 3 m (1,5 \) bewegt, treten an der Peilanzeige eines Watson-Watt-Peilempfängers Peilschwankungen bis zu ± 10 auf. Man kann einem bestimmten Senderstandort keinen bestimmten Peilfehler zuordnen, sondern das Fehlerverhalten kann nur mit Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden. Das gleiche Verhalten kann beobachtet werden, wenn die Senderfrequenz geändert wird. Auch hierbei ändern sich die Phasenbeziehungen der Wellenanteile zufällig, und es tritt eine Peilschwankung auf. Bild 6 zeigt beispielhaft die Ergebnisse einer Messreihe mit Frequenzänderung. Es ist die Peilschwankung über der Frequenz bei stationärem Sender und die Häufigkeitsverteilung des Fehlers dargestellt. Der Frequenzbereich war 90 MHz bis 170 MHz, die Frequenzschritte waren 1 MHz, also etwa 1 % im betrachteten Frequenzbereich. Aal 0 ] i «>< > 1»«««««< «» XX X X x x x xx X X t X X X XX * > *» -5-6 * Ó0 lio H O MHz Bild 6 Peilfehlerstreuung über der Frequenz bei einem Senderstandort ERMITTLUNG DES AUSBREITUNGSBEDINGTEN PEILFEHLERS Beide Methoden, die der Ortsänderung und die der Frequenzänderung, sind gut geeignet, um die in einem bestimmten Gebiet zu erwartenden Fehler zu ermitteln. Werden die Peilfehler durch Frequenzänderung an verschiedenen Senderstandorten in einem als gleichmässig zu betrachtenden Gelände gemessen, erkennt man eine Streuung der Ergebnisse Bei diesbezüglichen Versuchen an 10 Senderstandorten schwankten die Ergebnisse zwischen 2,2 und 3,9. Die Schwankung ist ausschliesslich auf unterschiedliche Geländebeschaffenheit der verschiedenen Ausbreitungswege zurückzuführen. Um eine Aussage über ein gesamtes Aufklärungsgebiet zu erhalten, müssen deshalb Messungen mit mehreren Senderstandorten durchgeführt werden. Zur Ermittlung des ausbreitungsbedingten Peilfehlers in einem gegebenen Gelände hat sich eine Kombination aus Orts- und Frequenzänderung als praktikabel erwiesen. An ca. 10 Standorten die über das Gelände verteilt sind, werden bei 5-10, gleichmässig über den Frequenzbereich verteilten Frequenzen, jeweils mindestens 20 Peilungen nach Ortsänderungen von jeweils etwa 1 m im VHF/UHF und etwa 10 m im HF-Bereich ermittelt. Dadurch erhält man mehr als 1000 Ergebnisse mit welchen eine statistische Aussage möglich ist. Die Peilwerte, die auf die jeweiligen Sollwerte bezogen werden, enthalten auch die Gerätefehler und die Peilgeländefehler. Werden ausschliesslich die ausbreitungsbedingten Fehler gewünscht, können die Gerätefehler mit Hilfe des Fehlerfortpflanzungsgesetzes eliminiert werden. Der Peilantennenstandort ist dann so zu wählen dass er keinen wesentlichen Fehlerbeitrag liefert. Eine sehr übersichtliche Darstellung der Peilgenauigkeit ist die Summenhäufigkeit der Peilfehler Es wird die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Fehlergrössen dargestellt. Im Falle normalverteilter Peilfehler liegen 68 % (genau 68,26 %) aller Peilungen im Winkelbereich 0 bis o- 95 % (genau 95,44 %) aller Peilungen im Bereich 0 bis 2 a a und 99 % (genau 99,73 %) im Bereich 0 bis 3a a. Bei einer Normalverteilung entspricht der quadratische Mittelwert der Peilfehler (rms-wert) dem la-wert der Summenhäufigkeitsdarstellung. Der quadratische Mittelwert errechnet sich zu a RMS = \ - I ' n i=l Man kann also - bei einer Normalverteilung der Peilfehler - vom quadratischen Mittelwert sehr einfach auf den 95 %-Wert (2o a) und 99 %-Wert (3o a) schliessen. HAMFU - Seite 5

7 7-6 Bild 7 zeigt die Summenhäufigkeit gemessener Peilfehler im Vergleich zur Normalverteilung der Fehler Man erkennt, dass in der Praxis von keiner exakten Normal Verteilung ausgegangen werden kann. 68 X der Peilfehler sind S 2,3, 92 X (statt 95 X bei Normalverteilung) S 4,6" und 98 X (statt 99 X) bei ä 6,9. Der quadratische Hittelwert des Peilfehlers liegt bei 2,46. Trotz der Abweichung von einer Normal Verteilung kann man bei der Fehlerbetrachtung das Verhalten durch die Annahme einer Normal Verteilung recht gut beschreiben und die dafür geltenden Regeln anwenden. Bild 7 Summenhäufigkeitsdarstellung von Peilfehlern Im folgenden werden die Peilergebnisse verschiedener im VHF-Bereich mit Kleinbasissystemen durchgeführten Betriebsversuche vorgestellt (Bild 8). Damit sie für Planungszwecke brauchbar sind, sind die Versuchsbedingungen nachfolgend näher beschrieben: 1 a Entfernung Frequenzbereich Kurve 1 2, km HHz Kurve km HHz Anzahl der Peilungen Geländebeschaffenheit A h ca. 100 m Waldgebiete, kleinere Ortschaften A h ca. 600 m Kurve 3 6, HHz 7541 Waldgebiete, kleinere Ortschaften A h ca m Waldgebiete, grössere Ortschaften Es handelt sich hierbei um die operationellen Peilfehler. Sie enthalten neben den ausbreitungsbedingten Fehlern auch die Fehler durch das Peilgelände und die Gerätefehler. Der Gerätefehler der bei den Peilversuchen verwendeten Peilanlagen liegt bei 1,5 rms. Die Fehler durch das Peilgelande (Antennenstandort) können bei Kurve 1 vernachlässigt werden. Es stand ein sehr gutes Peilgelände zur Verfügung. Bei den Peilversuchen in bergigem Gelände (Kurve 2 und 3) waren die Standorte für die Peilantenne nicht ideal. Aber selbst wenn man beispielsweise bei Kurve 3 einen Fehler von 3 rms durch das Peilgelände annimmt, ergibt sich kein wesentlich anderes Bild. Nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz ergibt sich ein ausbreitungsbedingter Peilfehler von Acxges = 14,7 2-1, = 5,8 rms. Die erzielbare Genauigkeit in einem vorgegebenen Gelände ist von dessen "Rauhigkeit" abhängig. Die Rauhigkeit - gemeint ist die Abweichung der Geländeform von einer idealen ebenen Fläche - ist dabei auf die Wellenlänge zu beziehen. Im HF-Bereich spielen aufgrund der Beugungseigenschaft der Welle Abschattungen, beispielsweise durch Hügel, eine geringere Rolle als im VHF-Bereich. Ausserdem ist das Rückstrahlverhalten von möglichen Reflektoren frequenzabhängig. Fur die Peilgenauigkeit in einem gegebenen Gelände wird deshalb bei der Streuausbreitung, und damit auch beim ausbreitungsbedingten Peilfehler, eine Frequenzabhängigkeit erwartet. HAMFU - Seite 6

8 8-7 5? m gì '(0 nca E 3 co Peilfehler (Grad) Bild 8 Peilfehlerverteilung von Kleinbasissystemen in unterschiedlichem Ausbreitungsgelände (3) MHz MHz MHz 60 km 60 km? A h < 100 m A h ca. 600 m A h ca m = 2,5 = 5 = 6,7 Bild 9 zeigt Ergebnisse von Messungen in verschiedenen Frequenzbereichen. Erwartungsgemäss sind die Ausbreitungsfehler im UHF-Bereich grösser als im VHF-Bereich. Die Ergebnisse im HF-Bereich sind etwas schlechter als vom Ausbreitungsmodell der Bodenwelle zu erwarten wäre. Als Ursache ist eine Ausbreitungsstörung durch Ueberlagerung der Raumwelle mit der Bodenwelle zu vermuten. Bei den Darstellungen handelt es sich um die operationeile Peilgenauigkeit einschliesslich der Gerätefehler. a jt CT «ü ra.c co E 3 W Peilfehler (Grad) Bild 9 Peilgenauigkeit der Bodenwelle in verschiedenen Frequenzbereichen und flachem Gelände (1) HF-Bereich km 2-8 MHz a a = 2,2 (2) VHF-Bereich 5-60 km MHz o a = 2,5" (3) UHF-Bereich 5-35 km MHz = 3 HAMFU - Seite 7

9 ERHOEHUNG DER PEILGENAUIGKEIT DURCH GROSSBASIS-PEILVERFAHREN Der Peilfehler lässt sich nicht nur beim Zweiwellenfall, sondern auch bei Streuausbreitung durch Grossbasis-Peilverfahren reduzieren. Ein Adcocksystem mit Watson-Watt-Peilempfänger besitzt keine Grossbasiseigenschaft, da die Antennen so verschaltet sind, dass sich ein Strahlungsdiagramm ergibt, das von der auf die Wellenlänge bezogenen Basis unabhängig ist. Wenn gelegentlich vom Grossbasis-Adcock gesprochen wird, ist dabei ein Adcockpaar (Drehadcock) gemeint, dessen Strahlungsdiagramm sich mit der Antennenbasis ändert und bei Abständen > 0,5 X vieldeutige Nullstellen aufweist. Die ausbreitungsbedingten Peilfehler eines Adcocksystems mit Watson-Watt Auswertung sind beispielsweise bei einer Basis von 1 \ so gross wie bei einer Basis von 0,25 Die durch Grossbasisverfahren erzielbare Verbesserung hängt von der Stärke der Ausbreitungsstörung ab. Aus der Literatur ist zu entnehmen, dass bei mittelstarken Ausbreitungsstörungen, was etwa dem Normalfall entspricht, sich der Fehler durch eine Vergrösserung der Basis um die Wurzel des Basisverhältnisses reduziert. Bild 10 zeigt das Ergebnis von Peilversuchen im Frequenzbereich von MHz in bergigem Gelände mit einem Interferometer mit drei Basisgrössen a H Bild 10 Mittlerer quadratischer Peilfehler eines Interferometers in Abhängigkeit von der Antennenapertur in bergigem Gelände. Frequenzbereich MHz b/a 2 Die Verbesserung der Peilgenauigkeit ist etwas besser als die in der Literatur angegebene Wurzel der Basisverhältnisse, was auf die ungünstige Geländeform zurückzuführen ist. AUSBREITUNG IN DER STADT Wenn sich Peiler und Sender im Stadtgebiet befinden, ergeben sich besonders schwierige Verhältnisse. Brauchbare Ergebnisse lassen sich nur dann erzielen, wenn die Peilantenne soweit erhöht angebracht wird, dass sie die nähere Umgebung überragt. Am besten eignen sich einzeln stehende Hochhäuser. Eine direkte Wellenausbreitung findet praktisch nicht statt. Man kann sich als Ausbreitungsmodell eine strahlende Fläche vorstellen. Der Streuwinkelbereich am Peilort hängt von dem Durchmesser der "aktiven Zone" und von deren Entfernung vom Sender ab. Aus diesem Grund ist im Stadtgebiet die zu erwartende Peilgenauigkeit entfernungsabhängig. Bild 11 zeigt die im 2 m Bereich in Berlin erzielte Peilgenauigkeit in Abhängigkeit von der Entfernung. Als Peilanlage wurde ein Interferometer mit einer Basis von 2 X verwendet. Auch hier zeigt sich die bei kleinen Entfernungen wesentlich schlechtere Peilgenauigkeit. Die Standardabweichungen aller Peilfehler liegt bei 2,2. Die Zahlenreihe Uber der Abstandsachse gibt die Anzahl der im jeweiligen Entfernungsbereich durchgeführten Peilungen an. Bild 11 Peilfehler (rms) in Abhängigkeit von der Entfernung im Stadtgebiet Berlin o 1 I i I I 2 3 i i I n I i r I I I I I M II Abstand/km HAMFU - Seite 8

10 7-9 PEILGENAUIGKEIT BEI RAUHWELLENAUSBREITUNG Im HF-Bereich breitet sich zusatzlich zur Bodenwelle auch eine Raumwelle aus. Aufgrund der Ausbreitungsgeometrie muss mit grösseren Fehlern gerechnet werden als bei Bodenwellenausbreitung. Beim Peilvorgang wird nicht - wie bei der Bodenwelle - der Azimutwinkel des Senderstandorts über die kürzeste Entfernung zum Sender gemessen, sondern über den, besonders bei kurzen Senderentfernungen wesentlich längeren Ausbreitungsweg über die Ionosphäre. Dadurch verschlechtert sich das azimutale Peilergebnis mit wachsendem Elevationswinkel des Welleneinfalls unabhängig von der Hessgenauigkeit des Peilsystems. Das Ergebnis ist eine von der Senderentfernung abhängige Peilgenauigkeit, die in Bild 12 für 1 Gerätegenauigkeit dargestellt ist. Verfahrensbedingte Einflüsse - wie etwa durch das vertikale Strahlungsdiagramm eines Adcocks - sind dabei nicht berücksichtigt. Man kann eindeutig erkennen, dass die Peilgenauigkeit von Raumwellen für ein taktisches Aufklärungssystem zur Unterscheidung von Funkstellen im Entfernungsbereich bis 100 km bei weitem nicht ausreicht. Ueber die Raumwelle kann lediglich erkannt werden, ob sich ein Sender im Aufklärungsgebiet befindet oder nicht. Eine Auflösung der Funkstellen ist nur über die Bodenwelle möglich. Senderentfernung (km) Bild 12 Azimutale Peilgenauigkeit bei 1 Gerätegenauigkeit (isotrope Peilabdeckung) PEILFEHLER DURCH AUSBREITUNGSSTOERUNGEN Beim Peilvorgang ist die Raumwelle durch eine typische Peilschwankung mit einer Quasi-Periode im Sekundenbereich erkennbar. Sie ist mit der Peilschwankung von Bodenwellenpeilungen im VHF-Bereich bei langsam bewegtem Sender vergleichbar. Allein dieser Vergleich lässt darauf schliessen, dass es sich bei der Ionosphärenausbreitung, wie bei der Bodenwelle, um eine Streuausbreitung handelt. Während sich bei der Bodenwellenausbreitung bei stationärem Sender und Peiler im allgemeinen ein konstantes Interferenzfeld bildet, ergibt sich bei Ionosphärenausbreitung ein zeitvariables Interferenzfeld. Das ist darauf zurückzuführen, dass sich durch die dynamischen Vorgänge in der Ionosphäre die Ausbreitungswege der Wellen unkorreliert mit der Zeit ändern. Am Empfangsort überlagern sich die Wellen mit zeitabhängigen Phasenbeziehungen zu einem Zeitvarianten Interferenzfeld. Als Ursache kommen in Frage: Aufspaltung der Welle in ordentlichen und ausserordentlichen Pfad, Hehrfachreflexionen, beispielsweise an E- und F-Schicht, sowie diffuse Reflexionen, besonders in den Abendstunden, wenn die Rekombination der ionisierten Teilchen überwiegt und in den Morgenstunden, wenn die Ionisation grösser ist als die Rekombination, sich also die Elektronendichte aufbaut. Bei Raumwellenausbreitung kann das Peilergebnis durch zeitliche Hittelung über mehrere Sekunden verbessert werden. Da wir es mit Interferenzfeldern zu tun haben, kann die Peilstreuung durch Grossbasis-Peilverfahren reduziert werden. Bild 13 zeigt die mit einem Interferometer und einem Adcock parallel gewonnene Peilanzeige einer Raumwelle mit F-Schicht-Ausbreitung. Die Beobachtungszeit war ca. 10 Sekunden. Trotz einer Peilstreuung von etwa ± 22 kann beim Adcock durch Hittelung ein relativ genauer Peilwert gewonnen werden. Beim Interferometer ist aufgrund des Grossbasisverhaltens die Peilschwankung wesentlich geringer, so dass selbst bei Kurzzeitpeilungen ein wesentlich genauerer Peilwert erzielt werden kann. HAMFU - Seite 9

11 7-10 i Bild 13 Streuung der Peilanzeige eines Adcocks (o) und eines Interferometers (x) bei Raumwellenausbreitung 9. PEILFEHLER DURCH TRAVELLING IONOSPHERIC DISTURBANCES (TIP) Neben der Streuausbreitung können im HF-Bereich auch Peilfehler durch TID's (Travelling Ionospheric Disturbances) entstehen. TID's sind atmosphärische Schwerewellen, deren Ursache im allgemeinen auf den Einfall hochenergetischer Teilchen in den Polarlichtzonen zurückzuführen ist. Von dort aus breiten sich diese Wellen zum Aequator aus. Für die HF-Ausbreitung bedeutet das, dass die Reflexionsebene in der Ionosphäre geneigt ist und daher Anlass zu Peilfehlern geben kann. Der azimutale Peilfehler ist orts- und zeitabhängig, er kann 5 und mehr betragen. Bild 14 zeigt beobachtete Peilfehler dreier Sender als Funktion der Zeit. Deutlich ist eine Quasi-Periode von etwa einer Stunde zu erkennen. Fehlergrösse und -verlauf der Peilergebnisse sind unterschiedlich. Wegen der Zeit- und Ortsabhängigkeit ist eine Korrektur der Peilwerte durch die Beobachtung bekannter Sender praktisch ausgeschlossen. Grtot circi» Bild 14 Zeitlicher Peilfehlerverlauf bei TID 10. PEILERGEBNISSE IN ABHAENGIGKEIT VON DER SENDERENTFERNUNG» Bild 15 zeigt die mit U-Adcock und Interferometer erzielte Genauigkeit in Abhängigkeit von der Entfernung. Die Peilungen wurden zur gleichen Zeit vom gleichen Sender durchgeführt, so dass die Interferometer- und Adcockergebnisse vergleichbar sind. Eine absolute Aussage über die erzielba- re Genauigkeit kann daraus nicht abgeleitet werden, da die Ionosphärenbedingungen sehr wechselhaft sind und der jeweilige Zustand nicht exakt beschreibbar ist. HAMFU - Seite 10

12 Theoretische Genauigkeit f ü r 1 Insfrumentengenauigkeit F-Schicht + I n t e r f e ro m e t e r U-Adcock Entf e rn u ng vom Sender (km) Bild 15 Vergleich der Peilgenauigkeit eines U-Adcocks und Interferometers BEEINFLUSSUNG DER PEILGENAUIGKEIT DURCH DIE UEBERLAGERUNG VON BODEN- UND RAUHWELLEN Wie bereits erläutert, bereitet sich im Kurzwellenbereich von einer Sendeantenne eine Bodenwelle und eine Raumwelle aus. Bisher wurde die Peilung von Bodenwelle und Raumwelle getrennt betrachtet. Im praktischen Betrieb treten Fälle auf, in welchen Boden- und Raumwelle gleichzeitig auftreten. Bild 16 zeigt eine schematische Darstellung der relativen Feldstärken von Bodenwelle und Entfernung zum Sender Bild 16 HF-Ausbreitung NZ = Nahzone VZ = Verwirrungszone FZ = Fernzone a) Vertikale Polarisation der Sendeantenne b) Horizontale Polarisation der Sendeantenne atm Rauschen Entfernung zum Sender Raumwelle in Abhängigkeit von der Entfernung zur Sendeantenne. Man kann den Entfernungsbereich in 3 Zonen mit unterschiedlichen Ausbreitungsbedingungen aufteilen: In eine Nahzone, in der die Bodenwelle überwiegt, in eine Verwirrungszone, in der Boden- und Raumwelle mit vergleichbaren Feldstärken einfallen und in eine Fernzone, in der die Raumwelle überwiegt. Die Verwirrungszone liegt bei Ausbreitung über Land im allgemeinen zwischen 30 und 80 km. Durch die Ueberlagerung von Bodenwelle und Raumwelle können sehr grosse Peilfehler auftreten. Die Raumwelle fällt so steil ein, dass deren Peilergebnisse für taktische Aufgaben kaum brauchbar sind. Um in diesem Entfernungsbereich brauchbare Peilergebnisse zu erzielen, muss die Bodenwelle aus dem Interferenzfeld herausgelöst und gepeilt werden. Hierzu werden Peilanlagen eingesetzt, die die Raumwelle ausblenden. Das Ausblenden der Raumwelle kann durch vertikale Strahlungsdiagramme mit vertikaler Nullstelle erzielt werden. Durch diese Massnahme kann die Bodenwelle auch noch in der Verwirrungszone mit ausreichender Genauigkeit gepeilt werden. HAMFU - Seite 11