Doppler-Peiler


Als Doppler-Peiler bezeichnet man einen Phasenpeiler, der die Richtung eines Senders unter Ausnutzung des Doppler-Effektes [1] schätzt. Der Doppler-Peiler zählt in die Kategorie der Phasenpeiler und wird zur Funkaufklärung im HF- und V/U-HF Bereich benutzt.

Prinzipschaltung eines einfachen Doppler-Peilers.
Prinzipschaltung eines einfachen Doppler-Peilers.

Ein Doppler-Peiler besteht aus einer um einen Bezugspunkt rotierenden Einzelantenne, einem Empfangszug bestehend aus Empfänger mit Demodulator, und einem Peilprozessor (der als Phasenmesser fungiert).

Doppler-Peiler PP055S der Firma Rohde & Schwarz. [Quelle: Werksfoto Rohde & Schwarz]
Doppler-Peiler PP055S der Firma Rohde & Schwarz als stationärer Peiler. [Quelle: Werksfoto Rohde & Schwarz]

Der nach dem gleichnamigen Effekt benannte Doppler-Peiler funktioniert nach der Gesetztmäßigkeit, dass ein relativ zur Quelle, einer elektromagnetischen Welle, bewegter Empfänger die Frequenz des Sendesignals scheinbar erhöht wahrnimmt wenn er sich auf die Quelle zubewegt bzw. abgesunken wahnimmt wenn er sich von der Quelle wegbewegt.

Szenario zum Doppler-Effekt.
Szenario zum Doppler-Effekt.

Der elektromagnetische Doppler-Effekt hängt nur von der Relativgeschwindigkeit zwischen Quelle und Beobachter ab, weil die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, im Gegensatz zu akustischen Wellen, ohne Trägermedium erfolgt [2]. Für die vom Doppler-Effekt verursachte Frequenzerhöhung gilt folglich:

Formel46

Als Bewegungsmuster des Empfängers, relativ zum Sender, kommen folgende Bahnen in Frage:

    • die Linearbewegung auf einer Geraden und
    • die kreisförmige Bahn.

Theoretisch führt auch eine rein tangentiale, lineare, Bewegung der Antenne (α=90°) zu einer Frequenzverschiebung. Diese ist jedoch vernachlässigbar klein (transversaler Doppler-Effekt).

In der Praxis hat sich die Kreisbewegung als vorteilhaftestes Bewegungsmuster herausgestellt. Hierdurch kommt es zu einer Frequenzmodulation der Sendefrequenz im Rhytmus der Antennenbewegung (Umlauffrequenz) die dann am größten ist, wenn die Antenne genau auf den Sender zuläuft (siehe Punkt 4, folgende Abbildung).

Kreisförmige Bewegung einer Empfangsantenne.
Kreisförmige Bewegung einer Empfangsantenne relativ zu einem Sender. Die Frequenz-verschiebung ist in den Punkten 2 (Minimum) und 4 (Maximum) am größten. In den Punkten 1 und 3 enstpricht die Empfangsfrequenz der Sendefrequenz.
Verlauf der Phase der Modulationsschwingung in Abhänigkeit der Antennenposition.
Verlauf der Phase der Modulationsschwingung in Abhängigkeit der Antennenposition. Die maximale Frequenzabweichung wird erreicht, wenn der Dipol in Richtung der Isophasen der einfallenden Welle zeigt (Punkt 4).

Die bei Rotation um einen Bezugspunkt gewonnene Antennenausgangspannung lautet:

Formel47

Die maximale Frequenzabweichung (in der Nachrichtentechnik auch als Frequenzhub η bezeichnet) ist unahbhänig von der Einfallsrichtung der Welle und wird nur durch:

    • den Radius der Antennengruppe,
    • die Elevation der einfallenden Welle und
    • der Umlauffrequenz der rotierenden Antenne bestimmt.

Formel48

Die Phase der Modulationsschwingung hingegen ist nur von der Einfallsrichtung der Welle  (als Nullphasenverschiebung) bestimmt und kann daher zur Ermittlung des Einfallswinkels ausgewertet werden.

Durch den Demodulator im Peilempfänger wird die Phase des Antennensignals nach der Zeit abgeleitet:Formel52

und anschließend von ihrem Gleichanteil befreit:

Formel50

Die so gewonnene Demodulatorspannung zeigt in ihrer Phase eine Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Welle. Wird diese Spannung mit einer von der Antennenrotation gesteuerten Referenzspannung (mit Nulldurchgang in Bezugsrichtung) verglichen ergibt sich der Einfallswinkel der Welle aus der Phasendifferenz von Referenzspannung und Demodulatorspannung.

Formel51

Der angesprochene Vergleich wird in der Praxis am einfachsten durch einen Zähler realisiert der die Zeit vom Nulldurchgang der Referenzspannung bis zum negativen Nulldurchgang der Demodulatorspannung misst und diese in eine Phasendifferenz umrechnet.

Berechnung des Peilwinkels durch Nullphasendifferenz-Messung (vgl. Abbildung
Berechnung des Peilwinkels durch Nullphasendifferenz-Messung (vgl. Abbildungen oberhalb) zwischen demodulierter Antennenspannung und einer Referenzspannung. Die obere Abbildung kann auch als u(x), der Ausgangsspannung als Funktion des Ortes der Antenne auf dem Kreis interpretiert werden.

Digitale Doppler-Peiler nutzen zur Peilwertbildung im Phasenmesser die Korrelation der Modulations- mit der Referenzphase. Hierzu wird die Modulationsphase unter Zuhilfenahme eines orthogonalen Hilfsraumes (hier: Sinus und Kosinus der Referenzphase) in den Azimut-Raum transformiert:

Formel53

und kann dort mit Hilfe von trigonometischen Funktionen ausgewertet werden:

Formel54

Weil die mechanische Rotation einer Antenne um einen Bezugspunkt in der Praxis mit Schwierigkeiten verbunden ist (mechanischer Verschleiß) wird durch eine zyklische Abtastung von mehreren, gleichmäßig auf einem Kreis verteilten, Einzelelementen eine  bewegte Einzelantenne nachgebildet. Dies kann, im einfachsten Fall, durch eine mechanische Rotation des Antennenumschalters (des Kommutators) oder elektronisch gesteuert erfolgen.

Quasi-Doppler-Antenne (links) deren Einzelelmente durch zylkische Abtastung  eine mechanische Rotation eines Einzelementes um einen Bezugspunkt nachbilden.
Quasi-Doppler-Antenne (links) deren Einzelelmente durch zyklische Abtastung eine mechanische Rotation eines Einzelementes um einen Bezugspunkt nachbilden.
Dopplerpeiler zur Funkaufklärung im Luftraum um einen Flughafen.
Doppler-Peilantenne zur Funkaufklärung im Luftraum um einen Flughafen. [Quelle: Werksfoto Rohde & Schwarz]

Der Doppler-Peiler zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

    • hohe Empfindlichkeit,
    • eine weitgehende Immunität gegenüber Mehrwelleneinfall durch Großbasisverhalten,
    • dem Wegfall von periodischen Kalibriervorgängen und Anforderungen wie Phasengleichlauf, da es sich um ein einzügiges System handelt und
    • einem geringen Peilfehler bei steil einfallenden oder depolarisierten Wellen, da der Doppler-Effekt unabhängig von Polarisations- und Erhebungswinkel der einfallenden Welle ist.

Nachteilig wirken sich beim Doppler-Peiler die durch das Messverfahren (den Doppler-Effekt) bedingten Einschränkungen aus:

    • kurze Pulse können nicht gepeilt werden (die minimal erfassbare Pulsdauer ist abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit der Antenne) und
    • die Erfassungswahrscheinlichkeit eines Signals ist proportional zur Umlaufgeschwindigkeit der Antenne.

Eine Verbesserung des hier skizzierten Doppler-Peilers stellt der Doppler-Peiler mit Kommpensationsprinzip (auch: „Links-Rechts“ Doppler-Peiler) dar. Dieser gleicht durch simultan gegenläufige Abtastung der Antennengruppe laufzeitbedingte Peilfehler aus, die im Empfänger durch unterschiedliche Gruppenlaufzeiten enstehen.

VHF-Dopplerpeiler der Firma Rohde & Schwarz.
VHF-Dopplerpeiler PA010 der Firma Rohde & Schwarz . [Quelle: Werksfoto Rohde & Schwarz]

Doppler-Peiler können im mobilen Bereich für Peilungen im HF-Bereich eingesetzt werden. Hier sieht man jedoch, aufgrund der sich aus den Wellenlängen ableitenden Anforderungen an die Dimensionierung der Antennengruppe, von einer klassischen Realisierung der Antenne als Kreisgruppe ab. Stattdessen werden die Rahmenspannungen einer Kreuzrahmenantenne periodisch abgetastet und auf ein Summierglied gegeben, sodass die resultierende Spannung der eines rotierenden Doppelkreises entspricht. Diese Spannung wird mit der um 90° Phasenverschobenen Spannung einer Rundelementantenne verschalten und auf einen Frequenzdemodulator gegeben [3].

Gatow, Luftwaffe, Peiler
Antennenelemente einer elektrisch rotierenden Doppler-Peilantenne.

[1] nach Christian Doppler, österreichischer Mathematiker.

[2] nach “Funkpeiltechnik”, Grabau – Franckh’sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart (1989)

[3] Rohde & Schwarz – Patent 0036531, Europäisches Patentamt (EP 81101615.3)

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