PA8W's
Radio Direction Finding Technology Good
challenge, great fun!
Radio Direction Finding (=RDF) is a fascinating activity with many
aspects.
As a licensed Radio Amateur starting in 2010 (callsign PA8W)
I
spent a great deal of my hobby time developing and building
RDF
tools,
mainly for enthusiasts like me.
To sharpen my skills I participated
in many radio-foxhunts, located numerous land based transmitters and
recovered more than 130 Meteo-Radio-Sondes, just for the sheer fun of
it!
I hope this website may help you find your way into this
fascinating
hobby:
Radio
Direction Finding (RDF) is a technology to determine the
direction from which a radio signal arrives.
The found direction is called the bearing.
Multiple bearings can be used to pinpoint the approximate location of a
transmitter.
This
technology is extensively used for military purposes, to find enemy
locations, and by government agencies as well as radio amateurs to
locate (possibly illegal-) transmitters or sources of radio
interference. Or, in case of the radio amateurs, radio direction
finding may be done simply for fun.
The most basic form of radio
direction finding is by means of a simple receiver that is used to
manually scan the area for the highest field strength.
A faster way to get to the source is to use some kind of directional
antenna on your receiver.
The
fastest way is to use some form of automatic radio direction finder,
which may produce a useful bearing within less than half a second.
In the
amateur world the pseudo doppler RDF is a popular technique since
it uses a standard single channel amateur receiver and the necessary
antennas and RDF-processor are within the technical and financial range
of most radio amateurs.
A pseudo doppler direction finder generally uses 4 (or more)
antennas around a central point and the RDF processor sequentially
switches those antennas so that at all times 1 of 4 antennas is
connected to the receiver.
This is done in a fast pace, like 2000
steps to a next antenna per second. That is 500 cycles per second in a
4 antenna doppler.
The moment the next antenna is selected the
receiver notices a phase jump in the received signal and transforms
this
into a voltage spike in the receivers audio.
The audio is fed into
the RDF-processor so it can compare the audio voltage spikes with the
moment of antenna commutation and based on that information it can
calculate a bearing estimate.
Equally simple but much less known
is the amplitude radio direction finder: Instead of switching through 4
omni-directional antennas for phase comparison the Amplitude direction finder
switches through a number of directional antennas, to compare the
strength (=amplitude) of the received signal.
Instead of the
cumbersome approach with 4 or more directional antennas, I prefer to use a single antenna in the center and 4
switched reflectors to give the antenna a switchable directional
pattern.
In this website you will find a few proven designs I developed and built in the
past years.
So,
simply by switching (2000 times per second) to the next reflector we
get a directional pattern that rotates 500 times per second, which
modulates the incoming signal in amplitude and as a result
the
connected receiver (in AM mode!) will produce a massive 500Hz audio
tone which is fed into the RDF processor.
Just like in the doppler direction finder example the RDF processor compares the audio with the moments of
antenna commutation and based on that information it can calculate a
bearing estimate.
An amateur grade 4 antenna pseudo doppler direction finder has an
intrinsic accuracy of better than 5 degrees, as stated by several
manufacturers and RDF specialists.
That is, if the display resolution is high enough: A
simple 16 LED display has only 22.5 degrees resolution....
Tests have proven that my doppler radio direction finders are closer to 2.5
degrees, or even less in case of the amplitude direction finders.
This is perfect, but the accuracy will generally be degraded massively
by the environment.
Driving around with a pseudo doppler direction finder will teach you very
quickly that there are a lot of disturbing factors.
First
of all, to get maximum accuracy you need a
line-of-sight situation, which is pretty rare in the real world.
Generally,
a direct line-of-sight is blocked by buildings, trees, etcetera. They
all block, reflect or re-transmit the desired signal.
But also
objects beside you and behind you will reflect a part of the received
energy towards your antenna. So, what the antenna receives is the sum
of the direct signal plus all of the thousands micro-reflections from
objects in your vicinity.
To make things even worse, a reflection
may be as strong as, or even stronger than the direct signal, creating
a massive inaccuracy in ANY RDF system that is used there.
So, these
real world complications not only impact a pseudo-doppler,
but
all possible means of radio direction finding. Having said that, the
bigger the RDF array, the more it is capable of coping with a
reflective environment, but size is very often severely limited by
practical considerations.
The only way to really tackle above
problems is to avoid them, so try to produce enough bearings
in
open, preferably elevated areas and avoid taller buildings as long as
possible.
The real advantages of a pseudo doppler direction finder (or amplitude direction finder) over manual RDF
means are:
1: Reaction speed, even short signal bursts produce a good bearing.
2: The possibility to RDF on-the-move, so you don't loose time
stopping, getting out of the car, etc.
3:
The possibility to RDF from higher places where you are not allowed to
be on foot, like high bridges, highway crossings and so on.
4: The possibility to plot your bearings on a map using MapApp or
RDF-Mapper.
This way you can pinpoint an area of probability before you "dive" into
a city environment with all difficulties I described.
2023 Level of technology of an amateur RDF system:
Ever since I started off with a simple "WA2EBY Doppler" many years ago, many
improvements were made to that basic design:
First of all soft antenna commutation was added, to get rid of most of the switching noise of that hard switching doppler.
The phase detector was improved and automatic gain control was added.
The digital filter was improved and the LED pelorus was upgraded to 32
LED's to benefit from the improved accuracy.
Later I even "wobbled" the LED pelorus to get a virtual resolution of 64 LED's.
After
that I switched to Arduino base radio direction finders with the
benefit of a nice display which offers a much better user
interface.
Another benefit, the possibility to calculate numerically, turned out
to be much bigger than I ever expected.
In
other words, the algorithms I developed over the years to judge the
incoming data and use the best possible data for a much higher accuracy
exceeded my expectations massively.
And when I felt that -almost- no
further improvement was possible, I concentrated on creating an app
that plots the RDF bearings on a map.
And also this was a journey of several years of testing, adding
features
etcetera.
So, if a simple 16 LED doppler direction finder couldn't convince you many
years ago then
maybe it's time to try something new...
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Radiopeiling of Radio Direction Finding (RDF) is een technologie
om de richting te bepalen van waaruit een radio signaal komt.
De gevonden richting noemen we de Bearing.
Meerdere bearings kunnen worden gebruikt om de vermoedelijke locatie
van een radiozender te bepalen.
Radio peiling wordt uitgebreid gebruikt voor militaire doeleinden om de
vijandelijke locaties op te sporen, en door b.v. Agentschap Telecom en
door radio amateurs om (mogelijk illegale-) zenders en storingsbronnen
op te sporen.
En in het geval van de radio amateurs word radio peiling ook gewoon voor
de lol beoefent.
De eenvoudigste vorm van peilen is met een simpele ontvanger rondgaan en
kijken waar het signaal het sterkste is.
Een snellere manier oom bij de bron te komen is gebruik maken van een
richtantenne aan je ontvanger.
De
snelste manier maakt gebruik van een of ander automatisch peilsysteem,
die meestal binnen een halve seconde een bruikbare bearing oplevert.
In
de amateurwereld is de pseudo doppler peiler een populaire techniek vanwege
zijn eenvoud en het feit dat het een standaard enkel kanaals ontvanger
gebruikt.
De noodzakelijke elektronica en antennes vallen binnen het technische
en financiële bereik van de meeste radio amateurs.
Een
pseudo doppler peiler gebruikt meestal 4 (of meer) antennes rond een centraal
punt en de RDF processor schakelt om de beurt deze antennes door naar
de ontvanger.
Dit gebeurt razend snel, b.v. met 2000 stapjes per seconde naar een
volgende antenne.
Dat is 500 rondjes per seconde in een 4 antenne doppler peiler.
Op het moment dat de volgende antenne wordt gekozen reageert
de aangesloten FM ontvanger met een pulsje in zijn audio.
De
audio wordt aangeboden aan de RDF-processor en deze vergelijkt de pulsjes
met de timing van de antenne rotatie, en gebaseerd op deze informatie
berekent hij een bearing.
Net zo simpel als de doppler peiler maar veel onbekender is de
amplitude peiler: In plaats van schakelen door 4
rondgevoelige antennes voor fase-vergelijking, schakelt een
Amplitude peiler door een aantal richtantennes, om de onderlinge
signaalsterkten (=amplitude) te vergelijken.
In plaats van de nogal
bewerkelijke opzet met 4 of meer richtantennes, kies ik voor
de
eenvoud voor een enkele antenne in het centrum en 4 geschakelde
reflectors om de antenne een omschakelbaar richtpatroon te geven. In
deze website vind je een paar beproefde ontwerpen die ik de afgelopen paar jaren heb ontwikkeld en gebouwd
Dus, door simpelweg 2000x
per seconde door te stappen naar de volgende reflector krijgen we een
richtpatroon dat 500 rondjes per seconde maakt.
Dit
moduleert het inkomende signaal in amplitude en dus produceert een
aangesloten AM-ontvanger een luide 500Hz audio toon die dan weer in
de RDF processor wordt gevoed.
En net als in het doppler
peiler voorbeeld vergelijkt de RDF processor dat met de omschakeling van de
reflectors en rekent daarmee een bearing uit.
Een amateur level 4
antenne pseudo doppler peiler heeft een intrinsieke nauwkeurigheid van
beter dan 5 graden, volgens verschillende fabrikanten en deskundigen.
Tenminste, als de display resolutie hoog genoeg is. (Een simpele 16 LED kompasroos heeft echter slechts 22.5 graden
resolutie...)
Tests hebben aangetoond dat mijn Radio peilers dichter bij de
2.5 graad zitten of zelfs nog minder in het geval van de amplitude peiler.
Dat is perfect, maar de precisie wordt meestal flink verminderd door
de omgevingsomstandigheden.
Rondrijden met een pseudo doppler peiler zal je heel snel leren dat er nogal
wat verstorende factoren zijn.
Allereerst heb je voor de beste precisie een line-of-sight situatie
nodig, en dat is nogal zeldzaam in de echte wereld.
Normaal gesproken staan er talloze bomen en gebouwen tussen de zender
en jou.
Deze
blokkeren of reflecteren het gewenste signaal. Maar ook objecten naast
je en achter je reflecteren een deel van de ontvangen energie naar je
antenne.
Dus, wat je antenne ontvangt is een optelsom van het
directe signaal en de duizenden micro-reflecties van objecten in je
nabijheid.
En om het nog erger te maken kan een reflectie sterker
zijn dan -of even sterk als- het directe signaal, en zo een stevige
afwijking bewerkstelligen in ELK radio peil systeem dat op die plek
wordt gebruikt.
Dus, deze complicaties beïnvloeden niet alleen een pseudo-doppler peiler, maar
alle denkbare peilsystemen.
Dat
gezegd hebbende: Hoe groter de RDF antenna array is, des te minder gevoelig is
hij voor reflecties, maar formaat wordt meestal bepaald door praktische
overwegingen.
De enige manier om bovenstaande problemen te tacklen,
is door ze te vermijden, dus probeer genoeg goede bearings te
verzamelen op een open, liefst wat hoger gelegen plek en vermijd hoge
gebouwen zo lang als mogelijk is.
De echte voordelen van een pseudo doppler peiler (of Amplitude peiler) t.o.v.
handmatige peilmethodes zijn:
1: Reactiesnelheid, zelfs een korte signaal burst kan een goede bearing
produceren.
2: De mogelijkheid om rijdend te peilen, dus je verliest geen tijd door
stoppen, uitstappen, peilen en weer verder.
3:
De mogelijkheid om te peilen op hogere plekken waar je als voetganger
niet mag komen, zoals hoge bruggen, snelwegviaducten etc.
4: De
mogelijkheid om je peilingen automatisch te plotten op een kaart d.m.v.
MapApp or RDF-Mapper.
Hierdoor kan je vanuit een open gebied al een
wijk in een stad pinpointen voordat je daadwerkelijk een duik in die
stad neemt.
2023 Level van technologie van amateur peilsystemen:
Sinds ik lang geleden begon met een eenvoudige "WA2EBY Doppler" zijn er heel veel
verbeteringen doorgevoerd:
Allereerst
heb ik zachte antenne omschakeling ingevoerd, om de schakelruis van die
primitieve doppler flink terug te dringen.
De fase-detector werd sterk verbeterd en automatische
versterkingsregeling toegevoegd.
Het
digitale filter werd verbeterd en de LED pelorus werd verdubbeld naar
32 LED's om de verbeterde precisie te kunnen benutten.
Later "wobbelde" ik de LED-pelorus om een resolutie van 64 te
bewerkstelligen.
Daarna
schakelde ik naar Arduino- gebaseerde peilers met het voordeel van een
mooi display waarmee je een veel betere user-interface kan maken.
Een ander voordeel, de mogelijkheid om berekeningen te maken, bleek
veel groter dan ik had kunnen vermoeden.
In
andere woorden: de algoritmes die ik daardoor heb kunnen maken om
inkomende peilingen te kunnen beoordelen en alleen de beste data te
kunnen gebruiken om de bearing uit te rekenen hebben veel meer
opgeleverd dan verwacht.
En toen ik langzamerhand het gevoel
kreeg dat het plafond bereikt was heb ik me geconcentreerd op het maken
en verfijnen van een app die mijn peilingen kon plotten op een kaart.
En dit was opnieuw een traject van jaren testen, features toevoegen
enzovoort.
Dus, als een 16 LED doppler peiler je jaren geleden
niet echt heeft kunnen
overtuigen wordt het misschien eens tijd om wat nieuws te proberen...
--------------------- Funkpeilung
oder Radio Direction Finding (RDF) ist eine Technologie zur Bestimmung der
Richtung, aus der ein Funksignal kommt. Die gefundene Richtung wird als Peilung oder Bearing bezeichnet. Mehrere
Peilungen können verwendet werden, um den wahrscheinlichen Standort eines
Radiosenders zu bestimmen. Funkpeilung wird in großem Umfang für militärische
Zwecke verwendet, um feindliche Standorte zu erkennen, und z.B. von Peildienste
und von Funkamateuren, um (möglicherweise illegale) Sender und Störquellen
aufzuspüren. Und bei den Funkamateuren
wird Funkpeilung auch nur zum Spaß praktiziert. Die einfachste Form der
Funkpeilung besteht darin, mit einem einfachen Empfänger herumzugehen und zu
sehen, wo das Signal am stärksten ist. Ein schnellerer Weg, um zur Quelle zu gelangen, ist die Verwendung einer
Richtantenne, die an Ihrem Empfänger angebracht ist. Der schnellste Weg ist ein automatisches Funkpeilsystem,
das in der Regel innerhalb einer halben Sekunde ein brauchbares Peilung erzeugt.
In der Amateurwelt ist das Pseudo-Doppler-Peiler aufgrund seiner Einfachheit
und der Tatsache, dass es einen Standard-Einkanalempfänger verwendet, eine
beliebte Technik. Die notwendige
Elektronik und Antennen liegen in der technischen und finanziellen Reichweite
der meisten Funkamateure. Ein Pseudo-Doppler-Peiler verwendet normalerweise 4
(oder mehr) Antennen um einen zentralen Punkt, und der RDF-Prozessor schaltet
diese Antennen abwechselnd auf den Empfänger. Dies geschieht sehr schnell, z.B. mit 2000 Schritten pro Sekunde zur
nächsten Antenne.Das sind 500 Runden pro
Sekunde in einem Doppler-Messgerät mit 4 Antennen. In dem Moment, in dem die nächste Antenne
ausgewählt wird, antwortet der angeschlossene UKW-Empfänger mit einem Impuls in
seinem Audio.
Das Audio wird dem RDF-Prozessor angeboten, der die Impulse mit dem Timing der
Antennendrehung vergleicht und auf der Grundlage dieser Informationen eine
Peilung berechnet. Genauso einfach wie ein Doppler Peiler, aber viel
unbekannter ist die Amplituden Peiler: Statt durch 4 rundempfindliche Antennen
zum Phasenvergleich zu schalten, schaltet eine Amplituden Peiler durch eine
Reihe von Richtantennen, um die gegenseitigen Signalstärken (=Amplitude) zu
vergleichen. Statt des eher umständlichen Aufbaus mit 4 oder mehr Richtantennen
entscheide ich mich der Einfachheit halber für eine einzelne Antenne in der
Mitte und 4 geschaltete Reflektoren, um der Antenne eine schaltbare
Richtcharakteristik zu geben. Auf dieser
Website findet man einige bewährte Designs, die ich in den letzten Jahren
entwickelt und gebaut habe.
Wenn wir also einfach mit 2000x pro Sekunde zum nächsten Reflektor
durchschreiten, erhalten wir ein Richtmuster, das 500 Runden pro Sekunde
macht. Dieser moduliert das eingehende
Signal in der Amplitude und so erzeugt ein angeschlossener AM-Empfänger einen
lauten 500Hz-Audioton, der dann in den RDF-Prozessor eingespeist wird. Und genau wie im Beispiel der Doppler Peiler vergleicht
der RDF-Prozessor dies mit dem Schalten der Reflektoren und berechnet eine
Peilung. Ein Amateur-Antennen-Pseudo-Doppler-Peiler mit 4 Antennen hat laut
mehreren Herstellern und Experten eine intrinsische Genauigkeit von besser als
5 Grad. Das heißt, wenn die
Bildschirmauflösung hoch genug ist.(Eine einfache 16-LED-Kompassrose hat jedoch nur eine Auflösung von 22,5
Grad...) Tests haben gezeigt, dass meine Funkpeiler näher an 2,5 Grad oder
sogar weniger im Falle des Amplitudenmessers liegen. Das ist perfekt, aber die
Präzision wird in der Regel durch die Umgebungsbedingungen stark reduziert.:
Wenn Sie mit einem Pseudo-Doppler-Peiler herumfahren, werden Sie sehr schnell
feststellen, dass es mehrere Störfaktoren gibt. Zunächst einmal braucht man für die beste Präzision eine
Sichtverbindung, und das ist in der realen Welt eher selten. Normalerweise befinden sich unzählige Bäume
und Gebäude zwischen dem Sender und Empfänger. Diese blockieren oder reflektieren das gewünschte Signal.Aber auch Objekte neben dir und hinter dir
reflektieren einen Teil der empfangenen Energie an ihre Antenne. Was Ihre Antenne also empfängt, ist eine
Summe aus dem direkten Signal und den Tausenden von Mikroreflexionen von
Objekten in Ihrer Nähe. Und um die Sache
noch schlimmer zu machen, kann eine Reflexion stärker oder so stark sein wie
das direkte Signal und somit eine solide Abweichung in JEDEM Funkpeilsystem
verursachen, das an diesem Ort verwendet wird. Diese Komplikationen betreffen
also nicht nur einen Pseudo-Doppler-Peiler, sondern alle denkbare Peilsysteme.
Je größer das RDF-Antennenarray ist, desto unempfindlicher ist es jedoch
gegenüber Reflexionen, aber die Größe wird in der Regel durch praktische
Überlegungen bestimmt. Die einzige Möglichkeit, die oben genannten Probleme
anzugehen, besteht darin, sie zu vermeiden, also versuchen Sie, genügend gute
Peilungen an einem offenen, vorzugsweise höheren Ort zu sammeln und hohe
Gebäude so lange wie möglich zu meiden. Die wirklichen Vorteile eines
Pseudo-Doppler-Peiler (oder Amplituden Peiler) gegenüber manuellen Methoden
sind: 1: Reaktionsgeschwindigkeit, selbst ein kurzer Signalstoß kann eine gute
Peilung erzeugen. 2: Die Fähigkeit, während der Fahrt zu messen, damit Sie
keine Zeit beim Anhalten, Aussteigen, Messen und Weiterfahren verlieren. 3: Die
Möglichkeit, an höher gelegenen Orten zu peilen, an denen Sie als Fußgänger
nicht hingehen dürfen, wie z. B. hohe Brücken, Autobahnviadukte usw. 4: Die
Möglichkeit, Ihre Peilungen automatisch auf einer Karte darzustellen durch MapApp
oder RDF-Mapper. Auf diese Weise können
Sie eine Nachbarschaft in einer Stadt von einem offenen Bereich aus lokalisieren.
2023 Stand der Technik von Amateur-Peilsystemen: Seit ich vor langer
Zeit mit einem einfachen "WA2EBY-Doppler" angefangen habe, wurden
viele Verbesserungen vorgenommen: Zunächst habe ich die weiche
Antennenumschaltung eingeführt, um das Schaltgeräusch dieses primitiven
Dopplers deutlich zu reduzieren. Der
Phasendetektor wurde stark verbessert und um eine automatische
Verstärkungsregelung erweitert. Der digitale Filter wurde verbessert und der
LED-Kreis wurde auf 32 LEDs verdoppelt, um die verbesserte Präzision zu
nutzen. Später habe ich den LED-Kreis
"gewackelt", um eine Auflösung von 64 zu erreichen. Dann bin ich auf
Arduino-basierte Peiler umgestiegen mit dem Vorteil eines schönen Displays, mit
dem man eine viel bessere Benutzeroberfläche erstellen kann. Ein weiterer Vorteil, die Rechenfähigkeit,
erwies sich als viel größer, als ich es mir hätte vorstellen können. Mit
anderen Worten, die Algorithmen, die ich erstellen konnte, um eingehende Messungen
zu bewerten und nur die besten Daten zur Berechnung der Peilung zu verwenden,
haben viel mehr gebracht als erwartet. Und als ich allmählich das Gefühl hatte,
dass die Obergrenze erreicht war, konzentrierte ich mich darauf, eine App zu
erstellen und zu verfeinern, die meine Umfragen auf einer Karte darstellen
konnte. Und dies war ein weiterer Prozess des jahrelangen Testens, Hinzufügens
von Funktionen und so weiter.
Wenn Sie also vor Jahren ein 16-LED-Doppler-Peiler nicht wirklich überzeugt
hat, ist es vielleicht an der Zeit, etwas Neues auszuprobieren ...