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EP-4063891-B1 - SYSTEM AND METHOD FOR DETECTING AND LOCATING A SIGNAL SOURCE

EP4063891B1EP 4063891 B1EP4063891 B1EP 4063891B1EP-4063891-B1

Inventors

  • KRACH, BERNHARD

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20220304

Claims (7)

  1. A system (10) for detecting and locating a signal source (60), the system comprising: an antenna array (30) having a plurality of antennas (32); a control unit (40) connected to the antenna array (30); an evaluation unit (50) configured to receive data from the control unit (40); wherein the antennas (32) are configured to detect a signal emitted by the signal source (60); wherein the control unit (40) is configured to determine a cross-correlation or covariance matrix of a signal received by the antenna array (30); wherein the control unit (40) is configured to transmit the cross-correlation or covariance matrix to the evaluation unit (50); characterized in that the evaluation unit (50) is configured to determine a position of the signal source (60) based on the cross-correlation or covariance matrix received by the control unit (40); the antenna array (30) and the control unit (40) are arranged on a first carrier platform (20); the evaluation unit (50) is arranged on a second carrier platform (20); the first carrier platform (20) is spatially separated from the second carrier platform (20); the evaluation unit (50) is configured to obtain the cross-correlation or covariance matrix by means of wireless transmission via a data transmission channel; the cross-correlation or covariance matrix is a symmetrical matrix and the control unit (40) is configured to transmit half of the fields of the matrix; the control unit (40) is configured to determine the cross-correlation or covariance matrix of the received signal with the same time base, and thereby determine a coherent cross-correlation or covariance matrix of the signal; the cross-correlation or covariance matrix contains information about the statistical properties of the received signal and expresses how the received signal is correlated from one antenna of the antenna array to another antenna of the same antenna array; the control unit forms the cross-correlation or covariance matrix starting from a reception matrix of the individual antennas of the antenna array; the cross-correlation or covariance matrix contains information about the amplitude and phase of the received signal; the information about the amplitude and phase of the received signal is transmitted by the control unit in the cross-correlation or covariance matrix to the evaluation unit and is used there to determine the position of the signal source; wherein the control unit (40) is configured to transmit the following information about the antenna array to the evaluation unit (50) in addition to the cross-correlation or covariance matrix: position of the antenna array (30) at the time when the signal emitted by the signal source (60) was detected; orientation of the antenna array; size and/or geometry of the antenna array; a noise power level.
  2. The system (10) of claim 1, wherein the system (10) comprises a plurality of antenna arrays (30) and a plurality of control units (40); wherein a respective control unit (40) is associated with an antenna array (30) and the control unit (40) and the associated antenna array (30) are each associated with a first carrier platform (20); wherein each antenna array (30) of the plurality of antenna arrays is spatially spaced from the other antenna arrays of the plurality of antenna arrays and is arranged to detect the signal emitted by the signal source (60) from a respective own direction; wherein each control unit (40) is configured to determine the cross-correlation or covariance matrix of the antenna array assigned to it and to transmit the determined cross-correlation or covariance matrix to the evaluation unit (50); wherein the evaluation unit (50) is configured to determine the position of the signal source (60) based on at least some of the cross-correlation or covariance matrices received by the plurality of control units (40).
  3. The system (10) of one of claims 1 or 2, wherein the second carrier platform (20) comprises an antenna array (30) and an associated control unit (40); and wherein the second carrier platform is a mobile unit.
  4. The system (10) of claim 1, wherein the control unit (40) of the first carrier platform (20) is configured to transmit the cross-correlation or covariance matrix of the antenna array (30) from a plurality of temporally successive signal detection processes to the evaluation unit (50).
  5. A method for detecting and locating a signal source (60), comprising the following steps: detecting a signal emitted by the signal source (60) by means of an antenna array (30); determining a coherent cross-correlation or covariance matrix of the detected signal with the same time base by means of a control unit (40) which is arranged together with the antenna array (30) on a first carrier platform (20), wherein the cross-correlation or covariance matrix is a symmetrical matrix; transmitting half of the fields of the cross-correlation or covariance matrix to an evaluation unit (50) by means of wireless transmission via a data transmission channel, wherein the evaluation unit (50) is arranged on a second carrier platform (20) and the second carrier platform (20) is spatially separated from the first carrier platform (20); determining a position of the signal source (60) in the evaluation unit (50) based on the cross-correlation or covariance matrix; wherein the cross-correlation or covariance matrix contains information about the statistical properties of the received signal and expresses how the received signal is correlated from one antenna of the antenna array to another antenna of the same antenna array; wherein the control unit forms the cross-correlation or covariance matrix starting from a reception matrix of the individual antennas of the antenna array; wherein the cross-correlation or covariance matrix contains information about the amplitude and phase of the received signal; wherein the information about the amplitude and phase of the received signal is transmitted by the control unit in the cross-correlation or covariance matrix to the evaluation unit and is used there to determine the position of the signal source; wherein the following information about the antenna array is also transmitted to the evaluation unit (50) in addition to the cross-correlation or covariance matrix: position of the antenna array (30) at the time when the signal emitted by the signal source (60) was detected; orientation of the antenna array; size and/or geometry of the antenna array; a noise power level.
  6. The method of claim 5, wherein the signal emitted by the signal source is detected by means of a plurality of antenna arrays (30) which are each arranged with an associated control unit (40) at different geographical positions on respective first carrier platforms (30); wherein a cross-correlation or covariance matrix is determined for each detection of the signal emitted by the signal source with each antenna array (30); wherein the position of the signal source (60) is determined based on at least some of the determined cross-correlation or covariance matrices.
  7. The method of claim 5, wherein the signal emitted by the signal source is detected with an individual antenna array (30) at different times at different positions; wherein a cross-correlation or covariance matrix is determined for each detection of the signal emitted by the signal source with the individual antenna array; wherein the position of the signal source (60) is determined based on at least some of the determined cross-correlation or covariance matrices.

Description

Technisches Gebiet Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein das technische Gebiet der Signalaufklärung, beispielsweise der elektromagnetischen oder akustischen Aufklärung, sowie das Aufspüren von signalemittierenden Quellen, sog. Signalquellen. Insbesondere betrifft die Beschreibung Systeme und Verfahren zum Detektieren und Lokalisieren einer Signalquelle. Technischer Hintergrund Das Detektieren und Lokalisieren von elektromagnetischen Signalquellen hat insbesondere im militärischen Umfeld eine hohe Bedeutung für das Erstellen eines zutreffenden Lagebildes. Elektromagnetische Signale werden beispielsweise von feindlichen Waffensystemen oder Aufklärungssystemen emittiert. Das Detektieren und Lokalisieren von solchen Signalquellen bietet damit die Möglichkeit, sich dem Einfluss feindlicher Waffensysteme und/oder der Detektion durch feindliche Aufklärung zu entziehen. Ein herkömmlicher Ansatz für das Detektieren und Lokalisieren von Signalquellen ist unter dem Begriff "Triangulation" bekannt. Hierbei detektieren und lokalisieren mehrere Sensoren eine Signalquelle und bestimmen die relative Position der Signalquelle zu der eigenen Position der Sensoren. Diese relative Position der Signalquelle zu der Position der Sensoren kann als Richtungsvektor angegeben werden. Die Richtungsvektoren von mehreren (mindestens zwei, zumeist mindestens drei) Sensoren können verwendet werden, um ihren Schnittpunkt zu bestimmen. Als Ort der Signalquelle kann dann der Schnittpunkt bzw. ein Bereich um den Schnittpunkt herum angegeben werden. Während dieser Ansatz durch seine Einfachheit besticht, kann er aber auch gewisse Nachteile haben. Wenn beispielsweise ein Sensor aus welchen Gründen auch immer die Richtung zu der Signalquelle nicht bestimmen kann, ist im schlimmsten Fall eine Positionsbestimmung der Signalquelle gar nicht möglich. WO 99/57574 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Einfallsrichtung eines Signals. Zwei Antennenarrays sind mit jeweiligen Prozessoren verbunden, um unabhängig voneinander in jeweils einem Richtungsschätzer eine Einfallsrichtung eines Signals zu bestimmen. Diese unabhängig voneinander bestimmten Einfallsrichtungen können mit einer Kovarianzmatrix ausgedrückt werden. Die unabhängig voneinander bestimmten Einfallsrichtungen werden an eine zentrale Ähnlichkeitsüberprüfungseinheit übermittelt, welche die Abweichung zwischen den unabhängig voneinander bestimmten Einfallsrichtungen ermittelt. WO 2016/207603 A1 beschreibt ein Verfahren zum Konfigurieren eines drahtlosen Netzes mit mehreren Knoten, um den Einfluss von externen Interferenzquellen zu reduzieren. Eine Untermenge der Knoten des Netzes nehmen an einem Interferenzerfassungsvorgang teil. In diesem Interferenzerfassungsvorgang erfasst jeder Knoten der Untermenge Signale, die von einem Antennenarray des jeweiligen Knotens erfasst wurden. Ein Messbericht enthält einen Signalquellenwinkel und eine erfasste Signalstärke. Ein Ort der externen Interferenzquelle wird unter Verwendung des von einem Knoten erhaltenen Messberichts geschätzt. Die externe Interferenzquelle wird charakterisiert unter Verwendung des geschätzten Ortes der externen Interferenzquelle und der empfangenen Signalstärke, um für die externe Interferenzquelle unter anderem eine Quellenleistung oder eine Strahlweite zu berechnen. Die mehreren Knoten werden so konfiguriert, dass der Einfluss der externen Interferenzquelle in Abhängigkeit von der Charakterisierung reduziert wird. Beschreibung Es kann als Aufgabe betrachtet werden, die Effizienz in einem System zum Detektieren und Lokalisieren einer Signalquelle mit räumlich verteilten Antennenarrays und einer davon getrennten Auswerteeinheit zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung. Gemäß der Erfindung ist ein System zum Detektieren und Lokalisieren einer Signalquelle angegeben. Das System weist ein Antennenarray mit einer Mehrzahl von Antennen, eine Steuereinheit, welche mit dem Antennenarray verbunden ist, und eine Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit ist ausgestaltet, Daten von der Steuereinheit zu empfangen. Die Antennen sind ausgestaltet, ein von der Signalquelle emittiertes Signal zu erfassen. Die Steuereinheit ist ausgestaltet, eine Kreuzkorrelations- oder Kovarianzmatrix eines von dem Antennenarray empfangenen Signals zu ermitteln. Die Steuereinheit ist ausgestaltet, die Kreuzkorrelations- oder Kovarianzmatrix an die Auswerteeinheit zu übertragen. Die Auswerteeinheit ist ausgestaltet, eine Position der Signalquelle basierend auf der von der Steuereinheit empfangenen Kreuzkorrelations- oder Kovarianzmatrix zu ermitteln. Das Antennenarray und die Steuereinheit sind auf einer ersten Trägerplattform angeordnet. Die Auswerteeinheit ist auf einer zweiten Plattform angeordnet. Die erste Trägerplattform ist von der zweiten Trägerplattform räumlich get