Высокочастотная радиопеленгация - High-frequency direction finding

Оборудование FH4 "Хафф-Дафф" на корабле-музее. HMSБелфаст

Высокочастотная радиопеленгация, обычно называемый аббревиатурой HF / DF или ник бред, это тип радиопеленгатор (RDF), представленный в Вторая Мировая Война. Высокая частота (HF) относится к диапазону радиосвязи, который позволяет эффективно передавать данные на большие расстояния; например, между Подводные лодки и их наземный штаб. HF / DF в основном использовался для перехвата вражеских радиостанций во время их передачи, хотя он также использовался для обнаружения дружественных самолетов в качестве средства навигации. Базовая техника используется по сей день как одна из фундаментальных дисциплин разведка сигналов, хотя обычно включается в более крупный набор радиосистем и радаров вместо того, чтобы быть отдельной системой.

HF / DF использовали набор антенны для приема одного и того же сигнала в немного разных местах или под разными углами, а затем использовать эти небольшие различия в сигнале для отображения пеленга на передатчик на осциллограф отображать. В более ранних системах использовалась антенна с механическим поворотом (или соленоид ) и оператор, который отслеживает пики или нули в сигнале, на определение которых требуется значительное время, часто порядка минуты или более. Дисплей HF / DF производил те же измерения практически мгновенно, что позволяло улавливать мимолетные сигналы, например, от флота подводных лодок.

Система изначально была разработана Роберт Уотсон-Ватт начиная с 1926 г., как система определения местонахождения молния. Его роль в разведке не была развита до конца 1930-х годов. В начале войны блоки HF / DF пользовались очень большим спросом, и в их распределении было серьезное соперничество между службами. Раннее использование было Истребительное командование RAF как часть Система Dowding управления перехватом, в то время как наземные подразделения также широко использовались для сбора информации для Адмиралтейства с целью обнаружения подводных лодок. Между 1942 и 1944 годами стали широко доступны более мелкие устройства, которые обычно использовались на Королевский флот корабли. По оценкам, на HF / DF пришлось 24% всех подводных лодок, потопленных во время войны.[1]

Основная концепция также известна под несколькими альтернативными именами, в том числе Определение направления катодного луча (CRDF),[2] Двойной Путь DF,[1] и для его изобретателя, Уотсон-Ватт DF или Adcock / Watson-Watt когда антенна считается.[3]

История

Перед HF / DF

Радиопеленгация была широко используемой техникой еще до Первая Мировая Война, используется как для морской, так и для воздушной навигации. Базовая концепция использовала рамочная антенна, в своей самой основной форме просто круглая петля из провода с окружностью, определяемой частотным диапазоном сигналов, которые должны быть обнаружены. Когда контур выровнен под прямым углом к ​​сигналу, сигнал в двух половинах контура отменяется, вызывая внезапное падение выходного сигнала, известное как «ноль».

Ранние системы радиопеленгации использовали рамочную антенну, которая могла вращаться механически. Оператор настраивался на известную радиостанцию, а затем вращал антенну до исчезновения сигнала. Это означало, что антенна теперь находилась под прямым углом к ​​телевещательной, хотя могла быть по обе стороны от антенны. Выполнив несколько таких измерений или используя другую форму навигационной информации для устранения одного из неоднозначных направлений, несущий к телеведущему можно определить.

В 1907 году Этторе Беллини и Алессандро Този представили усовершенствование, которое значительно упростило систему пеленгования в некоторых установках. Однокамерная антенна была заменена двумя антеннами, расположенными под прямым углом. Выход каждого был направлен на отдельный провод с петлей или, как их называют в этой системе, «катушка возбуждения». Две такие катушки, по одной на каждую антенну, расположены близко друг к другу под прямым углом. Сигналы от двух антенн генерировали магнитное поле в пространстве между катушками, которое было захвачено вращающимся соленоид, "поисковая катушка". Максимальный сигнал генерировался, когда поисковая катушка была выровнена с магнитным полем от катушек возбуждения, которое находилось под углом сигнала по отношению к антеннам. Это устранило необходимость в перемещении антенн. В Пеленгатор Беллини – Този (B-T) широко использовался на кораблях, хотя вращающиеся петли по-прежнему использовались на самолетах, поскольку они обычно были меньше.[4]

Для работы всех этих устройств требовалось время. Обычно радист сначала использует обычные радиотюнеры, чтобы найти рассматриваемый сигнал, либо используя антенну (антенны) пеленгации, либо отдельную ненаправленную антенну. После настройки оператор повернул антенны или гониометр поиск пиков или нулей в сигнале. Хотя приблизительное местоположение можно было найти, быстро вращая ручку управления, для более точных измерений оператору приходилось «искать» все более мелкими движениями. С периодическими сигналами типа азбука Морзе, или сигналы на грани приема, это был трудный процесс. Обычно указывалось фиксированное время порядка одной минуты.[4]

Некоторые работы по автоматизации системы B-T были выполнены незадолго до начала Второй мировой войны, особенно французскими инженерами. Морис Делорейн и Анри Бизиньи, работающий во французском подразделении США Корпорация ITT. Их система моторизовала поисковую катушку, а также круглую карту дисплея, которая вращалась синхронно. Лампа на карте дисплея была привязана к выходу гониометра и вспыхивала всякий раз, когда показывала правильное направление. При быстром вращении, около 120 об / мин, вспышки сливались в одну (блуждающую) точку, указывающую направление. Команда уничтожила всю свою работу во французском офисе и покинула Францию ​​в 1940 году, незадолго до вторжения Германии, и продолжила разработку в США.[5]

Уотсон-Ватт

Давно было известно, что молния издает радиосигналы. Сигнал распространяется на множество частот, но особенно силен в длинноволновый спектр, который был одной из основных радиочастот для морской связи дальнего действия. Роберт Уотсон-Ватт продемонстрировали, что измерения этих радиосигналов можно использовать для отслеживания грозы и обеспечивать полезное дальнее предупреждение для пилотов и кораблей. В некоторых экспериментах ему удавалось обнаруживать грозы над Африкой на расстоянии 2500 километров (1600 миль).[6]

Однако удары молнии длились так быстро, что традиционные системы RDF с рамочными антеннами не могли определить несущий прежде, чем они исчезли.[7] Все, что можно было определить, - это среднее местоположение, которое давало лучший сигнал за длительный период, включая сигнал многих ударов.[6] В 1916 году Ватт предложил электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) может использоваться в качестве показывающего элемента вместо механических систем,[8] но не имел возможности это проверить.

Ватт работал в РАФ Метеорологический офис в Aldershot, но в 1924 году было принято решение вернуть это место для использования RAF. В июле 1924 г. Ватт переехал на новое место в г. Ditton Park возле Slough. На этом сайте уже размещалась Национальная физическая лаборатория (NPL) Исследовательский участок радиосекции. Ватт был вовлечен в отдел атмосферных исследований, проводя фундаментальные исследования распространения радиосигналов в атмосфере, в то время как NPL занимались измерениями напряженности поля в полевых условиях и исследованиями пеленгации. В этих исследованиях у NPL было два устройства, которые оказались критически важными для развития хафф-дафф, Антенна Adcock и современный осциллограф.[6]

Антенна Adcock представляет собой систему из четырех несущих мачт, которые действуют как две виртуальные рамочные антенны, расположенные под прямым углом. Сравнивая сигналы, полученные в двух виртуальных петлях, направление сигнала можно определить с использованием существующих методов RDF. Исследователи установили антенну в 1919 году, но пренебрегли ею в пользу небольших конструкций. Было обнаружено, что они имеют очень низкую производительность из-за электрических характеристик района Слау, что затрудняло определение того, принимался ли сигнал по прямой линии или вниз с неба. Смит-Роуз и Барфилд снова обратили внимание на антенну Адкока, которая не имела горизонтального компонента и, таким образом, отфильтровывала «небесные волны». В серии последующих экспериментов им удалось точно определить местоположение передатчиков по всей стране.[9]

Непрекращающееся желание Ватта фиксировать местоположение отдельных ударов молнии привело к последним крупным изменениям в базовой системе хафф-дафф. Лаборатория недавно получила осциллограф WE-224 из г. Bell Labs, который обеспечивал легкое подключение и имел длительный люминофор. Работая с Джоком Хердом, в 1926 году Ватт добавил усилитель к каждому из двух плеч антенны и отправил эти сигналы в каналы X и Y осциллографа. Как и ожидалось, радиосигнал произвел на экране узор, указывающий на место удара, а долговечный люминофор дал оператору достаточно времени, чтобы измерить его, прежде чем дисплей погаснет.[6][7]

Ватт и Херд написали обширную статью об этой системе в 1926 году, назвав ее «мгновенным радиогониометром прямого считывания» и заявив, что ее можно использовать для определения направления сигналов длительностью всего 0,001 секунды.[10] В документе подробно описывается устройство и объясняется, как его можно использовать для улучшения радиопеленгации и навигации. Несмотря на эту публичную демонстрацию и фильмы, демонстрирующие ее использование для определения местоположения молнии, концепция, очевидно, оставалась неизвестной за пределами Великобритании. Это позволило тайно довести его до практической формы.

Битва за Британию

Основная статья: Пип-писк

В спешке с установкой Сеть Главная (CH) радар системы до Битва за Британию, Станции CH были расположены как можно дальше вперед, вдоль береговой линии, чтобы обеспечить максимальное время предупреждения. Это означало, что внутренние районы над Британские острова не имели радиолокационного покрытия, полагаясь вместо этого на вновь сформированные Королевский корпус наблюдателей (ROC) для визуального отслеживания в этой области. Хотя ОКР могла предоставить информацию о крупных рейдах, боевики были слишком маленькими и слишком высокими, чтобы их можно было точно идентифицировать. Поскольку весь Система Dowding управления воздушным движением полагалось на наземное направление, требовалось какое-то решение для размещения собственных истребителей.[11]

Целесообразным решением этой проблемы было использование станций «хафф-дафф» для настройки радио истребителя. Каждый сектор управления, отвечающий за выбор эскадрилий истребителей, был оборудован приемником хафф-дафф, вместе с двумя другими подстанциями, расположенными в отдаленных точках, примерно в 30 милях (48 км) от них. Эти станции слушали трансляции истребителей, сравнивали ракурсы на триангулировать их местонахождение, а затем передать эту информацию в диспетчерские.[12] Сравнивая позиции противника, сообщаемые ОКР и истребителями из систем хафф-дафф, командиры секторов могли легко направить истребители на перехват врага.

Чтобы помочь в этом процессе, система, известная как "писк "был установлен на некоторых истребителях, по крайней мере, по два на секцию (до четырех секций на эскадрилью). Pip-squeak автоматически издавал устойчивый сигнал в течение 14 секунд каждую минуту, давая достаточно времени операторам, чтобы отследить их. У него был недостаток, заключающийся в том, что радио самолета зависало во время передачи радиопеленгаторного сигнала.[нужна цитата ]

Потребность в DF-наборах была настолько острой, что Министерство авиации изначально не мог предоставить номера, запрошенные Хью Даудинг, командующий Истребительное командование RAF. В смоделированных боях в 1938 году система была продемонстрирована настолько полезной, что министерство в ответ предоставило системам Беллини-Този обещание, что версии CRT заменят их как можно скорее. Это можно сделать в полевых условиях, просто подключив существующие антенны к новому набору приемников. К 1940 году они были на всех 29 «секторах» истребительного командования и составляли основную часть системы, выигравшей сражение.

Битва за Атлантику

Оборудование "Супер Дафф" на корабле-музее. HMSБелфаст. Круговой индикатор обеспечивает прямое считывание относительного несущий откуда принимаются сигналы - красные цифры для порт корабля, зеленый для правый борт

Вместе с сонар ("АСДИК"), разведка от взлома немецких кодов, и радар, "Хафф-Дафф" был ценным элементом арсенала союзников в обнаружении немецких подводных лодок и коммерческие рейдеры вовремя Битва за Атлантику.

В Кригсмарине знал, что радиопеленгаторы могут использоваться для определения местоположения его кораблей в море, когда эти корабли передают сообщения. Следовательно, они разработали систему, которая превращала обычные сообщения в короткие сообщения. Результирующий "Kurzsignale "был закодирован Энигма машина (для безопасности) и передается быстро. Опытному радисту может потребоваться около 20 секунд, чтобы передать типичное сообщение.[13]

Сначала британская система обнаружения состояла из нескольких береговых станций на Британских островах и в Северной Атлантике, которые координировали свои перехваты для определения местоположения. Расстояния, необходимые для определения местоположения подводных лодок в Атлантике от береговых станций радиопеленгации, были настолько большими, а точность радиопеленгации была относительно неэффективной, поэтому определения местоположения не были особенно точными. В 1944 году военно-морская разведка разработала новую стратегию, в которой были построены локализованные группы из пяти береговых станций радиопеленгации, чтобы пеленги каждой из пяти станций можно было усреднить для получения более надежного пеленга. В Британии было создано четыре таких группы: Ford End в Эссексе, Анструтер в Файфе, Бауэре в Шотландском нагорье и Goonhavern в Корнуолле. Предполагалось, что другие группы будут созданы в Исландии, Новой Шотландии и Ямайке.[14] Простое усреднение оказалось неэффективным, и позже были использованы статистические методы. Операторов также попросили оценить надежность своих показаний, чтобы плохим и изменчивым показаниям уделялось меньше внимания, чем тем, которые казались стабильными и четко определенными. Некоторые из этих групп DF продолжали работать до 1970-х годов как часть Организация композитных сигналов.[15]

Наземные системы использовались из-за серьезных технических проблем, возникающих на судах, в основном из-за воздействия надстройки на волновой фронт прибывающих радиосигналов. Однако эти проблемы были преодолены под техническим руководством польского инженера. Вацлав Струшинский, работает на Адмиралтейском сигнальном заводе.[16] По мере того, как суда были оборудованы, была проведена комплексная серия измерений для определения этих эффектов, и операторам были предоставлены карточки для отображения необходимых поправок на различных частотах. К 1942 г. наличие электронно-лучевые трубки улучшена и больше не является ограничением на количество выпускаемых наборов хафф-дафф. В то же время были введены улучшенные наборы, которые включали в себя непрерывную настройку с моторным приводом для сканирования вероятных частот и подачи автоматического сигнала тревоги при обнаружении любой передачи. После этого операторы могли быстро настроить сигнал, прежде чем он исчез. Эти комплекты были установлены на эскортах конвоев, что позволяло им фиксировать подводные лодки, ведущие передачу из-за горизонта, за пределами радиолокационной дальности. Это позволяло направлять корабли и самолеты охотников-убийц на высокой скорости в направлении подводной лодки, которая могла быть обнаружена с помощью радара, если она все еще была на поверхности, или ASDIC, если она находилась под водой.

С августа 1944 года Германия работала над Курьер система, который передавал бы весь Kurzsignale в лопаться не более 454 миллисекунд, слишком мало, чтобы быть обнаруженным или перехваченным для дешифрования, но к концу войны система не заработала.

Описание

Антенна Хафф-Дафф (увеличено) на пакистанском фрегате. Обратите внимание на расположение четырех вертикальных антенн, образующих две петли.

Основная концепция системы Хафф-Дафф заключается в отправке сигнала от двух антенн в каналы X и Y осциллографа. Обычно канал Y представляет север / юг для наземных станций или, в случае корабля, совмещается с судном. Заголовок нос / корма. Таким образом, канал X представляет собой восток / запад или левый / правый борт.

Отклонение пятна на экране осциллографа является прямым показателем мгновенной фазы и силы радиосигнала. Поскольку радиосигналы состоят из волн, сигнал меняется по фазе с очень высокой скоростью. Если рассматривать сигнал, полученный на одном канале, скажем Y, точка будет перемещаться вверх и вниз так быстро, что будет казаться прямой вертикальной линией, простирающейся на равные расстояния от центра экрана. Когда добавляется второй канал, настроенный на тот же сигнал, точка будет перемещаться в направлениях X и Y одновременно, в результате чего линия станет диагональной. Однако радиосигнал имеет конечную длина волны, поэтому при прохождении через петли антенны относительная фаза, которая встречается с каждой частью антенны, изменяется. Это вызывает отклонение линии в эллипс или Кривая Лиссажу, в зависимости от относительных фаз. Кривая поворачивается так, что ее большая ось проходит вдоль направления сигнала. В случае сигнала на северо-восток результатом будет эллипс, расположенный вдоль линии под углом 45/225 градусов на дисплее.[17] Поскольку фаза изменяется во время рисования на дисплее, результирующая отображаемая форма включает «размытие», которое необходимо учитывать.[18]

Это оставляет проблему определения того, является ли сигнал северо-востоком или юго-западом, поскольку эллипс имеет одинаковую длину с обеих сторон от центральной точки дисплея. Чтобы решить эту проблему, к этому миксу была добавлена ​​отдельная антенна, «сенсорная антенна». Это была всенаправленная антенна, расположенная на фиксированном расстоянии от контуров примерно на 1/2 длины волны. Когда этот сигнал был подмешан, сигнал в противофазе от этой антенны сильно подавлял бы сигнал, когда фаза направлена ​​в направлении антенны считывания. Этот сигнал был отправлен в канал яркости или ось Z осциллографа, в результате чего дисплей исчезал, когда сигналы были не в фазе. При подключении сенсорной антенны к одной из петель, скажем, к каналу север / юг, отображение будет сильно подавлено, когда оно находится в нижней половине экрана, указывая, что сигнал находится где-то на севере. На данный момент единственный возможный пеленг - северо-восточный.[19]

Сигналы, принимаемые антеннами, очень малы и имеют высокую частоту, поэтому сначала они индивидуально усиливаются в двух идентичных радиоприемниках. Для этого требуется, чтобы два приемника были очень хорошо сбалансированы, чтобы один не усиливал больше, чем другой, и тем самым не изменял выходной сигнал. Например, если усилитель на антенне север / юг имеет немного большее усиление, точка будет двигаться не по линии под углом 45 градусов, а, возможно, по линии под углом 30 градусов. Чтобы уравновесить два усилителя, большинство установок включали «тестовую петлю», которая генерировала известный направленный тестовый сигнал.[20]

Для судовых систем надстройка корабля представляла серьезную причину помех, особенно по фазе, поскольку сигналы перемещались вокруг различных металлических препятствий. Чтобы решить эту проблему, судно было поставлено на якорь, в то время как второе судно транслировало тестовый сигнал с расстояния примерно в одну милю, и полученные сигналы были записаны на калибровочном листе. Затем передающий корабль переместится в другое место, и калибровка будет повторена. Калибровка была разной для разных длин волн и направлений; Построение полного набора листов для каждого корабля потребовало значительных работ.[21]

Военно-морские подразделения, особенно обычный набор HF4, включали вращающуюся пластиковую пластину с линией, «курсором», которая использовалась для измерения угла. Это может быть сложно, если кончики эллипса не доходят до края дисплея или выходят за его пределы. Это стало просто, если выровнять курсор с пиками на обоих концах. Знаки решетки по обе стороны от курсора позволяли измерять ширину дисплея и использовать это для определения степени размытия.

Смотрите также

Рекомендации

Цитаты
  1. ^ а б Бауэр 2004, п. 1.
  2. ^ «Разработка высокочастотного электронно-лучевого пеленгатора для морского применения»
  3. ^ "Радиопеленгация Adcock / Watson-Watt"
  4. ^ а б Бауэр 2004, п. 2.
  5. ^ Pexee le Vrai (16 октября 2006 г.). "Le HF / DF (ou Huff-Duff): Une Invention Française" [HF / DF (или Huff-Duff): французское изобретение] (на французском языке). Получено 18 июля 2014.[постоянная мертвая ссылка ]
  6. ^ а б c d Бауэр 2004, п. 4.
  7. ^ а б «Битва за Атлантику», ближе к концу и в начале следующего сегмента
  8. ^ "Роберт Уотсон-Ватт", Биографический словарь истории техники, стр. 1280.
  9. ^ Гардинер 1962.
  10. ^ Уотсон Уотт, Р.А.; Херд, Дж. Ф. (февраль 1926 г.). «Радиогониометр мгновенного действия прямого отсчета». Журнал Института инженеров-электриков. 64 (353): 611–622. Дои:10.1049 / jiee-1.1926.0051.
  11. ^ Циммерман, Дэвид (2010). Британский щит: радар и поражение люфтваффе. Эмберли Паблишинг. п. Глава 10. ISBN  9781445600611.
  12. ^ «Высокочастотная пеленгация»
  13. ^ Дирк Райменанц, "Курцсигнален на немецких подводных лодках", Шифровальные машины и криптология
  14. ^ «Операции военно-морской радиосвязи во время Второй мировой войны».
  15. ^ "The Evesdroppers" (PDF). Тайм-аут: 8–9. 21 мая 1976 г.
  16. ^ Бауэр 2004, п. 7.
  17. ^ Бауэр 2004, п. 6.
  18. ^ Бауэр 2004, стр. 6-7.
  19. ^ Бауэр 2004 С. 14-15.
  20. ^ Бауэр 2004, п. 16.
  21. ^ Бауэр 2004 С. 17-19.
Библиография

дальнейшее чтение

  • Бизли, Патрик (1978). Особая разведка: история Центра оперативной разведки Адмиралтейства во время Второй мировой войны.. Spere. ISBN  978-0-7221-1539-8.
  • деРоса, Л. А. "Пеленгация". В Blyd, J. A .; Харрис, Д. Б.; King, D. D .; и другие. (ред.). Электронные меры противодействия. Лос-Альтос, Калифорния: Peninsula Publishing. ISBN  978-0-932146-00-7.
  • Уильямс, Кэтлин Брум (1996-10-01). Секретное оружие: высокочастотная пеленгация США в битве за Атлантику. Издательство Военно-морского института. ISBN  978-1-55750-935-2.

внешняя ссылка