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Forum: HF, Funk und Felder Eintreffwinkel Funksignal mit mehreren Antennen messen


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Autor: Sebbi (Gast)
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Hallo,
Ist es möglich ein Funksignal mit einer Frequenz von 455 KHZ mit 
folgendem Aufbau zu triangulieren?
Das Signal sendet sekündlich für 200ms.

Die Idee ist 4 Empfänger einzusetzen, die zeitlichen Differenzen 
auszuwerten und über die Lichtgeschwindigkeit den Weg zwischen den 
Empfängern bzw. Winkel des Signals festzustellen. Da der Abstand der 
Empfänger fix ist wäre eine Triangulation möglich.

Problematisch wäre die erforderliche Genauigkeit der Wegbestimmung die 
im mm-Bereich liegen müsste, was einer zeitlichen Auflösung im 
Pikosekunden-Bereich entspräche.

Mir kämen dazu zwei Möglichkeiten in den Sinn, entweder einen 
Time-To-Digital-Converter einzusetzen (angebl. Auf 10 ps genau) oder die 
Phasendifferenz zwischen den Signalen auszuwerten (Wie bei 
Laser-Entfernungsmessern).
Problem bei den TDC wäre denke ich das genaue Triggern der Zeitmessung.
Die Phasendifferenz könnte mit einem Frequenzwandler (Mischer) leichter 
bestimmt werden.
Als Versuchsaufbau hätte ich mir überlegt 
Antenne->Bandpass-Opamp->Mischer->Microcontroller

Die Frage ist, bevor ich da viel Zeit investiere, macht das Überhaupt 
Sinn oder ist so etwas völlig utopisch?

Schöne Grüße

: Verschoben durch Moderator
Autor: Der Zahn der Zeit (Gast)
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Das gehört in HF, Funk & Felder.

Es ist üblich, solche Bestimmungen  mit mehreren Antennen zu machen, 
deren Signale miteinander multipliziert werden:

Wenn ein Empfangssignal 90° phasenverschoben wird und kein 
Phasenunterschied vorliegt, ist das Ergebnis der Multiplikation 0. 
Andernfalls ist es positiv bzw. negativ.

Um die Empfangsfeldstärke herauszurechnen, werden die Signale noch 
direkt miteinander multipliziert, das Verhältnis der beiden 
Multiplikatioenn ist ein Maß für die Richtung (aber nicht die Richtung 
selber).

Mit 3 Antennen lässt sich 360° in der Ebene erfassen, mit 4 Antennen 
auch der ganze Raum.

Ob oder mit welchem Antennenabstand das für deine Aufgabenstellung 
reicht, musst du herausfinden.

Autor: Günstige Trolle im Duzendpack (Gast)
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455kHz sind Lawinenfunkgeraete. Die koennen das alles schon. Zahlbar. 
Stromsparend. Was willst du nun machen, das besser, kleiner, sparsamer 
und guenstiger ist ?

Nebenbei arbeiten die im Nahfeld des magnetischen Feldes.

Von welcher Distanz gingst du aus ?

Autor: Ein günstiger Trolle aus dem Duzendpack (Gast)
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Sorry. Lawinenfunkgeraete -> Lawinen Ortungsgeraete

Autor: Sebbi (Gast)
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Danke für die schnellen und guten Antworten.
Genau, es geht um LVS-Geräte.

Der Vorteil wäre sobald ein (schwaches) Signal erfasst wurde eine Ortung 
zu haben, unabhängig der Feldlinien direkt zum Verschütteten zu 
gelangen. Es muss kein Suchraster abgelaufen werden, Fein und Grobsuche 
in einem Schritt. Richtungsanzeige funktioniert um 360 Grad, Tiefe kann 
direkt ermittelt werden. Theoretisch könnte man zum Verschütteten 
sprinten und muss nicht langsam und behutsam den Feldlinien folgen.

Schlechte Koppellagen (Ausrichtung Feldlinien) wären kein Thema, da die 
Signalstärke nicht zur Ortung verwendet wird.

Autor: Tim (Gast)
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Warum muss die Genauigkeit im mm Bereich liegen, wenn es um verschüttete 
Personen geht?

Autor: Sven B. (scummos)
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Um auf 1mm Genauigkeit zu kommen, musst du bei der genannten Wellenlänge 
die Phasenlage auf 1ppm bestimmen. Kannst du das?

Autor: Stefan K. (sebbi)
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Nicht unbedingt, aber wenn die Antennen angenommen mal 3cm auseinander 
liegen und der Signalweg zwischen den Antennen 1cm daneben liegt 
entsteht schon ein hoher Winkelfehler

Autor: Stefan K. (sebbi)
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Wird mit einem AD8302 wohl eher nichts oder?

Autor: Ein günstiger Trolle aus dem Duzendpack (Gast)
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Also dann zeig doch mal, wie du aus einem 200ms langen Puls die Phase 
des Signales auf ppm genau herausziehen willst.
Wie genau ist die Frequenz, wie konstant ist die Frequenz, 
Phasenrauschen der Quelle, usw ?

Es macht ja sicher Sinn sich solche Konzepte zu ueberlegen, ohne dabei 
zu vergessen, dass die derzeitigen Anbieter von Lawinenortungsgerate 
auch keine Deppen sind. Die haben sicher das best Moegliche gemacht. 
Entgegen den ueblichen Maerkten, wo nur das Guenstigste zaehlt, moechte 
hier der Kunde, dh der potentiell Verschuettete, das beste Geraet, das 
ihm die besten Chancen zu ueberleben gibt.

Ein modernes digitales Geraet fuehrt auch ohne Kreise direkt auf das 
Opfer. Die koennen das Feld herausrechnen.

Autor: Max M. (jens2001)
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Stefan K. schrieb:
> wenn die Antennen angenommen mal 3cm auseinander
> liegen

Du willst ein Signal mit einer Wellenlänge von ca. 659m mit Antennen 
triangulieren die 0,03m auseinander sind!
Respekt!

Da fehlt doch wohl etwas physikalisches Grundwissen!

Autor: Ein günstiger Trolle aus dem Duzendpack (Gast)
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Ein AD3202 kann Amplitudenverhaeltnisse und Phasen rechnen. Rechne doch 
mal welchen Daten du haben müsstest, und wie du die bekommst.

Nebenbei.. die Antennen bei 455kHz sind Spulen als Magnetfeldantennen, 
und keine Dipole. Da hast du schon mal eine Selektivitaet wenn du 2 
Spulen senkrecht zueinander verbaust.

Autor: Stefan K. (sebbi)
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Okay, letzter Gedanke: der AD8302 schafft ja bis zu 2 Ghz.
Wenn man mit einem Frequenzumsetzer von 457 khz auf 1.5-2 GHZ geht, 
müsste die Phasenlage ja nicht mehr so genau gemessen werden, wäre das 
ein Ansatz?

Autor: Sven B. (scummos)
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Stefan K. schrieb:
> Okay, letzter Gedanke: der AD8302 schafft ja bis zu 2 Ghz.
> Wenn man mit einem Frequenzumsetzer von 457 khz auf 1.5-2 GHZ geht,
> müsste die Phasenlage ja nicht mehr so genau gemessen werden, wäre das
> ein Ansatz?

Nö, das bringt gar nichts, außer dass du dann zusätzlich noch ein 
Mehrdeutigkeitsproblem gebaut hast.

Autor: Stefan K. (sebbi)
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Danke!

Autor: Stefan K. (sebbi)
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Max M. schrieb:
> Stefan K. schrieb:
>> wenn die Antennen angenommen mal 3cm auseinander
>> liegen
>
> Du willst ein Signal mit einer Wellenlänge von ca. 659m mit Antennen
> triangulieren die 0,03m auseinander sind!
> Respekt!
>
> Da fehlt doch wohl etwas physikalisches Grundwissen!


Wieso, sind doch Magnetantennen?

Autor: Max M. (jens2001)
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Stefan K. schrieb:
> Wieso, sind doch Magnetantennen?

Max M. schrieb:
> Da fehlt doch wohl etwas physikalisches Grundwissen!

Autor: Stefan K. (sebbi)
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Okay, dann erleuchte mich.
Es gibt Messgeräte, die 1 ppm schaffen, zugegebenermaßen nicht bezahlbar 
und in dem Format aber es gibt sie.

Autor: Stefan K. (sebbi)
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Nicht jeder ist gleich Spezialist im HF-Bereich oder Elektrotechniker 
aber die Leute gleich so nieder zu machen ist schon daneben. Wer hat 
dann überhaupt noch Lust sich damit privat zu beschäftigen wenn so etwas 
kommt

Autor: Egon D. (egon_d)
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Sebbi schrieb:

> Mir kämen dazu zwei Möglichkeiten in den Sinn,
> entweder einen Time-To-Digital-Converter
> einzusetzen (angebl. Auf 10 ps genau)

Naja...


> oder die Phasendifferenz zwischen den Signalen
> auszuwerten (Wie bei Laser-Entfernungsmessern).

Das ist der Klassiker.


> Die Phasendifferenz könnte mit einem Frequenzwandler
> (Mischer) leichter bestimmt werden.

Richtig.


> Als Versuchsaufbau hätte ich mir überlegt
> Antenne->Bandpass-Opamp->Mischer->Microcontroller

Im Prinzip vernünftig.
Der OpAmp kann auch durch ein paar geeignete
Transistoren oder einen AM-ZF-IC ersetzt werden... :)


> Die Frage ist, bevor ich da viel Zeit investiere,
> macht das Überhaupt Sinn

Doch, schon.


> oder ist so etwas völlig utopisch?

Utopisch? Nö.

Ggf. gibt es fertige Geräte, die das schon können,
aber das ist beim Selbstbau ja selten der Maßstab.

Autor: Egon D. (egon_d)
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Stefan K. schrieb:

> Okay, dann erleuchte mich.

Gern.

Im Frequenzbereich unter 1MHz ist Phasenmessung auf
ca. 0.3° kein Riesenproblem. Der Vollkreis wird also
in ungefähr 1000 Teile aufgelöst.
Das ist mit einem 1.8MHz-Oszillator, einem Graycode-
Zähler (1 x 74HC74) und ein paar Analogschaltern
machbar.

Bei 600m Wellenlänge gibt 1m Wegdifferenz ungefähr
0.5° Abweichung; das ist gerade noch zu sehen.

Wenn Deine Antennen 1m (!) voneinander entfernt
sind, kannst Du gerade so unterscheiden, ob das
Signal gerade von vorn oder 90° von der Seite
kommt (!!).
Das geht aber auch mit reiner Feldstärkepeilung.


> Es gibt Messgeräte, die 1 ppm schaffen,
> zugegebenermaßen nicht bezahlbar und in dem Format
> aber es gibt sie.

Das hilft nicht viel, weil die Notfallsender nicht
entsprechend genau und stabil sein werden.

Meine Rechnung bedeutet im Übrigen noch nicht, dass
Deine Idee wertlos sein muss. Ich halte es für
denkbar, dass man die Phasenmessung noch deutlich
verbessern kann. Monströse Antennen wirdst Du
trotzdem brauchen; mit Deinen 3cm Abstand kannst
Du da nichts reissen...

Unter Umständen wäre das nicht für den Fern-, sondern
gerade für den Nahbereich interessant.

Autor: Egon D. (egon_d)
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Stefan K. schrieb:

> Max M. schrieb:
>> Stefan K. schrieb:
>>> wenn die Antennen angenommen mal 3cm auseinander
>>> liegen
>>
>> Du willst ein Signal mit einer Wellenlänge von
>> ca. 659m mit Antennen triangulieren die 0,03m
>> auseinander sind!
>> Respekt!
>>
>> Da fehlt doch wohl etwas physikalisches Grundwissen!
>
> Wieso, sind doch Magnetantennen?

???

Das ist doch der Laufzeit und der Phasenlage egal.

Autor: Old P. (old-papa)
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Stefan K. schrieb:
> Nicht unbedingt, aber wenn die Antennen angenommen mal 3cm auseinander
> liegen und der Signalweg zwischen den Antennen 1cm daneben liegt
> entsteht schon ein hoher Winkelfehler

Eher wohl 3 Kilometer.... ;-)

Old-Papa

Autor: Konrad S. (maybee)
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Old P. schrieb:
> Eher wohl 3 Kilometer.... ;-)

Na, na, nicht so übertreiben. Eine Antennenbasislänge von 10 m als 
Minimum sehe ich dafür schon als angebracht an. Allerdings ist ein 
Gelände, wo Lawinenverschüttete üblicherweise anzutreffen sind, denkbar 
ungeeignet für Funkpeilverfahren auf Basis der Phasenlage. Da will man 
keine Schleppliftanlage oder Ähnliches haben. Insofern sind Handgeräte, 
die auf Basis der Feldstärke arbeiten, nicht die dümmste Wahl. Dem TO 
sei ans Herz gelegt, sich mit dem Thema Wellenausbreitung zu befassen. 
Die Physik der Wellenausbreitung im Freiraum ist das Eine. Die Praxis 
der Funkpeilung bei so einer niedrigen Frequenz auf kurze Entfernung 
etwas ganz Anderes. Ich glaube nicht, dass der Ansatz auch nur zu einer 
annähernd befriedigenden Lösung führen kann.

Autor: Max M. (jens2001)
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Stefan K. schrieb:
> sich damit privat zu beschäftigen

Und das fängt damit an das man sich die physikalischen/mathematischen 
Basics aneignet!

Autor: Sven B. (scummos)
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Max M. schrieb:
> Stefan K. schrieb:
>> sich damit privat zu beschäftigen
>
> Und das fängt damit an das man sich die physikalischen/mathematischen
> Basics aneignet!

Und nicht etwa praxisnahe Fragen stellt! Wo kämen wir da hin, wenn Leute 
versuchen würden, Projekte umzusetzen bevor sie sich an ihrem 
Schreibtisch 20 Jahre mit der Theorie dazu beschäftigt haben!

Autor: Bernd K. (prof7bit)
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Sebbi schrieb:
> Die Frage ist, bevor ich da viel Zeit investiere, macht das Überhaupt
> Sinn oder ist so etwas völlig utopisch?

Ein Kreis aus Antennen ist die gängige Praxis wie automatische Peiler 
für Kurz- und Mittelwellen gebaut werden (und natürlich auch für höhere 
Bänder).

Die Bundeswehr hatte (hat?) solche im Einsatz über ganz Deutschland 
verteilt vor der Wende, in den 80ern. Man drückte einen Knopf und ein 
paar Sekunden später hatte man ziemlich gute Koordinaten, basierend auf 
einem halben Dutzend Peilern im ganzen Land. Das war nützlich wenn man 
einen Frequenzwechsel der zu überwachenden Station nicht mitbekommen 
hatte oder (noch) nicht entschlüsseln konnte weil man den Schlüssel für 
diesen Tag noch nicht raus hatte um die gleiche Station auf einer 
anderen Frequenz wieder zu finden.

: Bearbeitet durch User
Autor: Ein günstiger Trolle aus dem Duzendpack (Gast)
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Eine kleine Anmerkung auf eine Phasenmessung bei tiefen frequenzen. 
Eigentlich egal auf welchen Frequenzen.

Wie geht eine Phasenmessung ?
Signal in den Mixer, Lokaloszillator in den Mixer, Multiplizieren, 
Integrieren. Ja, das kann man auch digitalisiert machen, ändert aber 
nichts. Wieviele Schwingungen muessen nun gemessen werden fuer eine 
Aussage ?

In 200ms kommen nur 90'000 Schwingungen zusammen.

Autor: Stefan K. (sebbi)
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Wie sieht es mit der Option Time to Digital Converter (TDC) aus?
Ein TDC mit einer Auflösung von 10 ps könnte den Weg auf ca. 3mm 
bestimmen.

Da das Signal vom Sender nicht kontinuierlich kommt (sekündlich für 
200ms) könnte man ja über einen Voltage Threshold triggern.
Oder ist das ganze viel zu verrauscht um bei allen Antennen den gleichen 
Triggerpunkt zu erwischen?

Autor: Konrad S. (maybee)
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Bernd K. schrieb:
> Die Bundeswehr hatte (hat?) solche im Einsatz über ganz Deutschland
> verteilt vor der Wende, in den 80ern.

Da wurde nach der Wende massiv umgegliedert. Das Zeug gibts aber noch. 
Für so tiefe Frequenzbereiche stehen die Antennen allerdings an sehr 
ausgewählten Standorten.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Es scheitert an einer stabilen Flankenposition durch das Rauschen. Die 
Physik läßt sich nicht überlisten.

Autor: Bernd K. (prof7bit)
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Abdul K. schrieb:
> Es scheitert an einer stabilen Flankenposition durch das Rauschen.
> Die
> Physik läßt sich nicht überlisten.

Du kannst über Hunderdtausende oder gar Millionen von Perioden mitteln 
wenn Du ein paar Sekunden auf das Ergebnis zu warten bereit bist. Da ist 
das dann  das Rauschen in die Bedeutungslosigkeit abgesunken.

Autor: Sven B. (scummos)
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Bernd K. schrieb:
> Abdul K. schrieb:
>> Es scheitert an einer stabilen Flankenposition durch das Rauschen.
>> Die
>> Physik läßt sich nicht überlisten.
>
> Du kannst über Hunderdtausende oder gar Millionen von Perioden mitteln
> wenn Du ein paar Sekunden auf das Ergebnis zu warten bereit bist. Da ist
> das dann  das Rauschen in die Bedeutungslosigkeit abgesunken.

6 signifikante Stellen wirst du aber durch Mitteln von Messwerten mit 
2-3 signifikanten Stellen so blauäugig vermutlich nicht hinbekommen. Ich 
kann dir nicht mal genau sagen, woran es scheitert, aber es gibt 
bestimmt irgendwas. Fängt ja mit irgendwelchen Nichtlinearitäten an.

Autor: Max M. (jens2001)
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Sven B. schrieb:
> bevor sie sich an ihrem
> Schreibtisch 20 Jahre mit der Theorie

Wenn DU für solche grundlegenden Sachen 20 Jahre brauchst....

Autor: Stefan K. (sebbi)
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Was soll das heißen?
Es widerspricht an sich keinen theoretischen physikalischen Grundsätzen, 
die Probleme sind technischer Natur.

Autor: Stefan K. (sebbi)
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Egon D. schrieb:
> Stefan K. schrieb:
>
>> Okay, dann erleuchte mich.
>
> Gern.
>
> Im Frequenzbereich unter 1MHz ist Phasenmessung auf
> ca. 0.3° kein Riesenproblem. Der Vollkreis wird also
> in ungefähr 1000 Teile aufgelöst.
> Das ist mit einem 1.8MHz-Oszillator, einem Graycode-
> Zähler (1 x 74HC74) und

Sagen wir man vergrößert den Antennenanstand auf 30cm und misst die 
Phase auf 0,01 Grad genau (über mehrere Sekunden gemittelt) hätte man 
nur noch einen Wegfehler von 2cm. Das wäre nurzbar

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Ich vermute mal, ein breitbandiger Puls alle Sekunde wäre sinnvoller. Da 
kann man gut die Laufzeit messen und die Sendeschaltung ist auch relativ 
simpel.

Die Frage ist nun, wie sieht der Dämpfungsfrequenzverlauf von Schnee 
aus? Macht der einen Strich durch die Rechnung?

Autor: Stefan K. (sebbi)
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Definitiv, aber damit wären alle bisherigen LVS-Geräte inkompatibel

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Vorher denken ist halt immer besser.

Andererseits hört das doch jetzt jeder BWLer mit leuchtenden Augen. 
Endlich wieder viele viele viele verkaufen...

Autor: Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite
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Es bräuchte doch nur eine Messung des Schwerefeldes und einen 
ausfahrbaren λ/4-Strahler/ Dipol für 44kHz. Das Schwerefeld für die 
Ausrichtung nach oben und da wo der Dipol aus dem Schnee kommt ist 
untendran der Verschüttete. Da kann man zur Not auch eine Kurbel 
dranmachen und spart Batterien. (Umgekehrt werden ja 2m-Antennen von den 
Suchenden von oben hineingesteckt, um ggf. das Glöckchen am Halsband zu 
treffen.)

Für die Messung selbst hätte man reichlich Zeit. Das Signal kann zudem 
sehr einfach sein, eine Trägerwelle genügt, vielleicht ein Chirp. Wenn 
das 30-60min sendet, kann man eine Menge Perioden vergleichen. Dann muss 
auch der Zeitgeber im Sender nicht so präzise sein (der ja 
ausschließlich unter harten Bedingungen hübsche Zeitscheiben liefern 
soll).

Das klingt aber alles nach Tierhalsband und HB9CV. Damit es tragbar 
wird, steigt plötzlich die Frequenz und schrumpft die Antenne.

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