Vysokofrekvenční vyhledávání směru - High-frequency direction finding

Zařízení FH4 „Huff-duff“ na muzejní lodi HMS  Belfast

Vysokofrekvenční vyhledávání směru , obvykle známé pod zkratkou HF/DF nebo přezdívka huff-duff , je typ rádiového zaměřovače (RDF) zavedeného ve druhé světové válce . Vysokofrekvenční (HF) označuje rádiové pásmo, které může účinně komunikovat na dlouhé vzdálenosti; například mezi ponorkami a jejich pozemními velitelstvími. HF/DF byl primárně používán k zachycení nepřátelských rádií během jejich vysílání, ačkoli to bylo také používáno k vyhledání přátelských letadel jako navigační pomůcka. Základní technika se dodnes používá jako jedna ze základních disciplín inteligence signálů , ačkoli je obvykle začleněna do větší sady rádiových systémů a radarů místo toho, aby byla samostatným systémem.

Dřívější systémy používaly mechanicky otáčenou anténu nebo solenoid a operátor naslouchal špičkám nebo nulovým hodnotám signálu, což často trvalo značnou dobu, než se určilo ložisko v řádu minut nebo více. Pozdější systémy používaly sadu antén pro příjem stejného signálu v mírně odlišných místech nebo úhlech a poté používaly tyto drobné rozdíly v signálu k zobrazení směru k vysílači na displeji osciloskopu, který provedl stejné měření v podstatě okamžitě, umožnil zachytit letmé signály, například signály z ponorkové flotily.

Systém byl původně vyvinut Robertem Watsonem-Wattem počínaje rokem 1926 jako systém pro lokalizaci blesků . Jeho role v inteligenci byla vyvinuta až koncem třicátých let minulého století. V raném válečném období byly jednotky HF/DF velmi žádané a do jejich distribuce byla zapojena značná rivalita mezi službami. Rané použití bylo ze strany RAF Fighter Command jako součást Dowding systému řízení odposlechu, zatímco pozemní jednotky byly také široce používány ke shromažďování informací pro admirality k lokalizaci ponorek. V letech 1942 až 1944 se staly široce dostupné menší jednotky, které byly běžnou součástí lodí Royal Navy . Odhaduje se, že HF/DF přispělo k 24% všech ponorek potopených během války.

Základní koncept je také znám pod několika alternativními názvy, včetně Cathode-Ray Direction Finding (CRDF), Twin Path DF a pro jeho vynálezce, Watson-Watt DF nebo Adcock/Watson-Watt, když je zvažována anténa.

Dějiny

Před HF/DF

Rádiové určování směru bylo široce používanou technikou již před první světovou válkou a používalo se jak pro námořní, tak pro leteckou navigaci. Základní koncept používal smyčkovou anténu , ve své nejzákladnější formě jednoduše kruhovou smyčku drátu s obvodem určeným frekvenčním rozsahem signálů, které mají být detekovány. Když je smyčka zarovnána v pravém úhlu k signálu, signál ve dvou polovinách smyčky se zruší a způsobí náhlý pokles výstupu známý jako „null“.

Rané systémy DF používaly smyčkovou anténu, kterou bylo možné mechanicky otáčet. Operátor by naladil známou rozhlasovou stanici a poté otáčel anténou, dokud signál nezmizel. To znamenalo, že anténa byla nyní v pravém úhlu k vysílači, i když mohla být na obou stranách antény. Provedením několika takových měření nebo použitím jiné formy navigačních informací k eliminaci jednoho z nejednoznačných směrů bylo možné určit vztah k provozovateli vysílání.

V roce 1907 zavedli Ettore Bellini a Alessandro Tosi zlepšení, které v některých nastaveních výrazně zjednodušilo systém DF. Jednokruhová anténa byla nahrazena dvěma anténami uspořádanými v pravých úhlech. Výstup každého z nich byl odeslán na jeho vlastní smyčkový vodič, nebo jak jsou v tomto systému označováni, „polní cívku“. Dvě takové cívky, jedna pro každou anténu, jsou uspořádány blízko sebe v pravém úhlu. Signály ze dvou antén generovaly v prostoru mezi cívkami magnetické pole , které bylo zachyceno rotujícím solenoidem , „vyhledávací cívkou“. Maximální signál byl generován, když byla vyhledávací cívka zarovnána s magnetickým polem z cívek pole, které bylo v úhlu signálu vzhledem k anténám. To eliminovalo potřebu pohybu antén. Bellini-Tosi zaměřovač (BT) byl široce používán na lodích, i když rotující smyčky zůstal v použití v letadle, jak byly obvykle menší.

Provoz všech těchto zařízení trval dlouho. Rádiový operátor by obvykle nejprve použil konvenční rádiové tunery k nalezení příslušného signálu, buď pomocí antény DF, nebo na samostatné nesměrové anténě. Po vyladění operátor otočil antény nebo goniometr a hledal špičky nebo nuly v signálu. Přestože hrubé místo bylo možné najít rychlým otáčením ovladače, pro přesnější měření musel operátor „lovit“ stále menšími pohyby. S periodickými signály, jako je Morseova abeceda , nebo signály na okraji příjmu, to byl obtížný proces. Běžně se uváděly fixní časy v řádu jedné minuty.

Některé práce na automatizaci systému BT byly provedeny těsně před zahájením druhé světové války, zejména francouzskými inženýry Maurice Deloraine a Henri Busignies , kteří pracovali ve francouzské divizi americké ITT Corporation . Jejich systém motorizoval vyhledávací cívku i kruhovou zobrazovací kartu, která se synchronizovaně otáčela. Na výstup z goniometru byla přivázána lampa na zobrazovací kartě, která blikala, kdykoli byla ve správném směru. Při rychlém točení, asi 120 ot / min, se záblesky spojily do jediné (bloudící) tečky, která udávala směr. Tým zničil veškerou jejich práci ve francouzské kanceláři a opustil Francii v roce 1940, těsně před vpádem Německa, a pokračoval ve vývoji v USA.

Watson-Watt

Již dlouho bylo známo, že blesky vyzařují rádiové signály. Signál se šíří na mnoha frekvencích, ale je obzvláště silný v dlouhovlnném spektru, které bylo jednou z hlavních rádiových frekvencí pro námořní komunikaci s dlouhým dosahem. Robert Watson-Watt předvedl, že měření těchto rádiových signálů lze použít ke sledování bouřek a poskytnutí užitečného varování na dlouhou vzdálenost pro piloty a lodě. V některých experimentech byl schopen detekovat bouřky nad Afrikou vzdálenou 2 500 kilometrů.

Údery blesku však trvaly tak krátkou dobu, že tradiční systémy RDF využívající smyčkové antény nedokázaly určit ložisko, než zmizely. Jediné, co bylo možné určit, bylo průměrné místo, které po dlouhou dobu produkovalo nejlepší signál, zahrnující signál mnoha úderů. V roce 1916 Watt navrhl, že katodová trubice (CRT) by mohla být použita jako indikační prvek namísto mechanických systémů, ale neměl schopnost to otestovat.

Watt pracoval v Met Office RAF v Aldershotu , ale v roce 1924 se rozhodli vrátit místo, které bude použito pro RAF. V červenci 1924 se Watt přestěhoval na nové místo v Ditton Parku poblíž Slough . Tento web již hostil výzkumnou stránku Národní sekce fyzikálních laboratoří (NPL). Watt se podílel na větvi Atmospherics, kde prováděl základní studie šíření rádiových signálů atmosférou, zatímco NPL se podílela na měření intenzity pole při vyšetřování pole a směru. NPL měla v těchto studiích použita dvě zařízení, která by byla klíčová pro vývoj huff-duff, anténu Adcock a moderní osciloskop .

Adcockova anténa je uspořádání čtyř monopólových stožárů, které fungují jako dvě virtuální smyčkové antény uspořádané v pravém úhlu. Porovnáním signálů přijatých na dvou virtuálních smyčkách lze určit směr k signálu pomocí stávajících technik RDF. Vědci zřídili anténu v roce 1919, ale zanedbávali ji ve prospěch menších provedení. Bylo zjištěno, že mají velmi špatný výkon kvůli elektrickým charakteristikám oblasti Slough, což ztěžovalo určit, zda byl signál přijímán na přímce nebo dolů z oblohy. Smith-Rose a Barfield obrátili svou pozornost zpět na anténu Adcock, která neměla žádnou horizontální složku, a tak odfiltrovala „skywaves“. V sérii navazujících experimentů dokázali přesně určit umístění vysílačů po celé zemi.

Právě Wattova neustálá touha zachytit umístění jednotlivých úderů blesku vedla ke konečnému zásadnímu vývoji v základním systému huff-duff. Laboratoř nedávno převzala dodávku osciloskopu WE-224 od Bell Labs , který zajišťoval snadné připojení a měl dlouhotrvající luminofor . Ve spolupráci s Jockem Herdem přidal Watt v roce 1926 ke každému ze dvou ramen antény zesilovač a vysílal tyto signály do kanálů X a Y osciloskopu. Jak se doufalo, rádiový signál vytvořil na obrazovce vzor, ​​který indikoval místo úderu, a dlouhotrvající luminofor poskytl operátorovi dostatek času na jeho měření, než displej vybledl.

Watt a Herd napsali o systému v roce 1926 rozsáhlý dokument, který jej označil jako „Okamžitý radiogoniometr s přímým čtením“ a uvedl, že jej lze použít k určení směru signálů trvajících pouhých 0,001 sekundy. Článek popisuje zařízení do hloubky a dále vysvětluje, jak by jej bylo možné použít ke zlepšení radiového vyhledávání a navigace. Navzdory této veřejné demonstraci a filmům, které ukazují, že byla použita k lokalizaci blesků, zůstal koncept mimo Spojené království zjevně neznámý. To jí umožnilo v tajnosti rozvinout do praktické podoby.

Bitva o Británii

Hlavní článek: Pip-pískot

Během spěchu instalovat radarové systémy Chain Home (CH) před bitvou o Británii byly stanice CH umístěny co nejdále vpřed, podél pobřeží, aby byla zajištěna maximální doba varování. To znamenalo, že vnitrozemské oblasti na Britských ostrovech neměly radarové pokrytí, místo toho se při vizuálním sledování v této oblasti spoléhaly na nově vytvořený Royal Observer Corps (ROC). Zatímco ROC dokázala poskytnout informace o velkých náletech, bojovníci byli příliš malí a příliš vysoko na to, aby je bylo možné pozitivně identifikovat. Protože celý systém řízení vzduchu Dowding spoléhal na pozemní směr, bylo zapotřebí nějaké řešení pro lokalizaci vlastních stíhaček.

Vhodným řešením bylo použití nafukovacích stanic k naladění stíhacích vysílaček. Každá sektorová kontrola, která měla na starosti výběr stíhacích perutí, byla vybavena přijímačem na nárazy a dalšími dvěma stanicemi umístěnými ve vzdálených bodech vzdálených asi 48 km. Tyto stanice poslouchaly vysílání od bojovníků, porovnávaly úhly, aby určovaly jejich polohu, a poté předávaly tyto informace do velínů. Srovnáním postavení nepřítele hlášeného ROC a bojovníků ze systémů huff-duff mohli sektoroví velitelé snadno nasměrovat bojovníky k zachycení nepřítele.

Na pomoc v tomto procesu byl na některé z bojovníků nainstalován systém známý jako „ pip-squeak “, nejméně dva na sekci (s až čtyřmi sekcemi na letku). Pip-squeak automaticky vysílá stálý tón po dobu 14 sekund každou minutu, což operátorům huff-duff nabízí dostatek času na sledování signálu. Mělo to tu nevýhodu, že při vysílání signálu DF vázalo rádio letadla.

Potřeba DF souprav byla tak akutní, že ministerstvo vzduchu zpočátku nebylo schopno dodat čísla požadovaná Hughem Dowdingem , velitelem stíhacího velení RAF . V simulovaných bitvách v roce 1938 byl systém prokázán tak užitečný, že ministerstvo reagovalo poskytnutím systémů Bellini-Tosi s příslibem, že verze CRT je nahradí co nejdříve. Toho lze dosáhnout v terénu jednoduše připojením stávajících antén k nové přijímací sadě. V roce 1940 už byly na místě ve všech 29 „sektorech“ Velitelství stíhacích letounů a byly hlavní součástí systému, který bitvu vyhrál.

Bitva o Atlantik

Vybavení „Super Duff“ na muzejní lodi HMS  Belfast . Kruhový indikátor poskytuje přímé čtení relativního ložiska, ze kterého jsou přijímány signály - červené číslice pro přístav lodi, zelené pro pravý bok

Spolu se sonarem („ASDIC“), inteligencí z prolomení německých kódů a radarem , byl „Huff-Duff“ cennou součástí zbrojnice spojenců při odhalování německých ponorek a obchodních nájezdníků během bitvy o Atlantik .

Kriegsmarine věděl, že rádiové zaměřovače by mohly být použity k vyhledání svých lodí na moři, když tyto lodě přenášeny zprávy. V důsledku toho vyvinuli systém, který z rutinních zpráv udělal zprávy krátkého rozsahu. Výsledné „ kurzsignale “ bylo poté zakódováno strojem Enigma (pro bezpečnost) a rychle vysláno . Zkušenému radistovi může přenos typické zprávy trvat přibližně 20 sekund.

Britský detekční systém zpočátku sestával z několika pobřežních stanic na Britských ostrovech a v severním Atlantiku, které by koordinovaly jejich zachycení za účelem určení míst. Vzdálenosti při lokalizaci ponorek v Atlantiku od pobřežních stanic DF byly tak velké a přesnost DF byla relativně neefektivní, takže opravy nebyly nijak zvlášť přesné. V roce 1944 byla vyvinuta novou strategií Naval Intelligence, kde byly postaveny lokalizované skupiny pěti pobřežních stanic DF, takže ložiska z každé z pěti stanic mohla být zprůměrována, aby získala spolehlivější směr. V Británii byly zřízeny čtyři takové skupiny: Ford End v Essexu, Anstruther ve Fife, Bower na Skotské vysočině a Goonhavern v Cornwallu. Bylo zamýšleno, že další skupiny budou zřízeny na Islandu, v Novém Skotsku a na Jamajce. Jednoduché průměrování bylo shledáno neúčinným a později byly použity statistické metody. Operátoři byli také požádáni, aby ohodnotili spolehlivost jejich odečtů tak, aby chudým a proměnlivým byla přikládána menší váha než těm, které vypadaly stabilní a dobře definované. Několik těchto skupin DF pokračovalo do 70. let minulého století jako součást organizace Composite Signals Organization .

Byly použity pozemní systémy, protože na lodích docházelo k vážným technickým problémům, hlavně kvůli účinkům nástavby na vlnoplochu přicházejících rádiových signálů. Tyto problémy však byly překonány pod technickým vedením polského inženýra Wacława Struszyńského , pracujícího v Admirality Signal Establishment. Když byly lodě vybaveny, byla provedena komplexní série měření k určení těchto účinků a operátorům byly dodány karty, které ukázaly požadované opravy na různých frekvencích. V roce 1942 se dostupnost katodových trubic zlepšila a již nebyla limitem počtu souprav nafukovacích duffů, které bylo možné vyrobit. Současně byly zavedeny vylepšené sady, které zahrnovaly nepřetržité ladění poháněné motorem, aby skenovaly pravděpodobné frekvence a spustily automatický alarm, když byly detekovány jakékoli přenosy. Operátoři pak mohli signál rychle vyladit, než zmizel. Tyto sady byly instalovány na doprovod konvojů, což jim umožňovalo získat opravy na ponorkách vysílajících přes horizont, mimo dosah radaru. To umožnilo loveckým zabijáckým lodím a letadlům být odeslány vysokou rychlostí ve směru ponorky, která mohla být lokalizována radarem, pokud byla stále na hladině, nebo ASDIC, pokud byla ponořena.

Od srpna 1944 bylo Německo pracuje na Kurier systému , který by přenášet celý kurzsignale v návalu ne delší než 454 milisekund, příliš krátký, které mají být umístěny, nebo zachytil pro dešifrování, ale tento systém neměl být uveden do provozu do konce z válka.

Popis

Huff-duff anténa (zvětšená) na pákistánské fregatě. Všimněte si uspořádání čtyř svislých antén, které tvoří dvě smyčky.

Základní koncept systému huff-duff je odeslat signál ze dvou antén do kanálů X a Y osciloskopu. Kanál Y by normálně představoval sever/jih pro pozemní stanice, nebo v případě lodi by byl zarovnán se směrem lodi dopředu/dozadu. Kanál X tím představuje buď východ/západ, nebo přístav/pravý bok.

Vychýlení bodu na displeji osciloskopu je přímou indikací okamžité fáze a síly rádiového signálu. Protože rádiové signály sestávají z vln, signál se mění ve fázi velmi rychlým tempem. Pokud vezmeme v úvahu signál přijímaný na jednom kanálu, řekněme Y, tečka se bude pohybovat nahoru a dolů tak rychle, že by se zdálo, že je to rovná svislá čára, prodlužující stejné vzdálenosti od středu displeje. Když je přidán druhý kanál, naladěný na stejný signál, tečka se bude pohybovat ve směru X i Y současně, což způsobí, že se čára stane diagonální. Rádiový signál má však konečnou vlnovou délku , takže při putování smyčkami antény se mění relativní fáze, která se setkává s každou částí antény. To způsobí, že se čára vychýlí do elipsy nebo Lissajousovy křivky v závislosti na relativních fázích. Křivka je otočena tak, že její hlavní osa leží podél ložiska signálu. V případě signálu na severovýchod by výsledkem byla elipsa ležící podél čáry 45/225 stupňů na displeji. Protože se fáze během kreslení displeje mění, zahrnuje výsledný zobrazený tvar „rozmazání“, se kterým je třeba počítat.

Tím zůstává problém určit, zda je signál na severovýchodě nebo jihozápadě, protože elipsa je stejně dlouhá na obou stranách středového bodu displeje. K vyřešení tohoto problému byla do této směsi přidána samostatná anténa, „smyslová anténa“. Jednalo se o všesměrovou anténu umístěnou v pevné vzdálenosti od smyček vzdálených asi 1/2 vlnové délky. Když byl tento signál smíchán, signál opačné fáze z této antény by silně potlačil signál, když je fáze ve směru smyslové antény. Tento signál byl odeslán do kanálu jasu nebo osy Z osciloskopu, což způsobilo zmizení displeje, když byly signály mimo fázi. Připojením smyslové antény k jedné ze smyček, řekněme severního/jižního kanálu, by byl displej silně potlačen, pokud by byl v dolní polovině displeje, což naznačuje, že signál je někde na severu. V tomto okamžiku je jediným možným ložiskem severovýchodní.

Signály přijímané anténami jsou velmi malé a na vysoké frekvenci, takže jsou nejprve jednotlivě zesíleny ve dvou identických rádiových přijímačích. To vyžaduje, aby byly dva přijímače extrémně dobře vyvážené, aby jeden nezesiloval více než druhý a tím se změnil výstupní signál. Pokud má například zesilovač na severní/jižní anténě o něco větší zisk, tečka se nebude pohybovat po 45stupňové linii, ale možná po 30stupňové linii. Aby se vyvážily dva zesilovače, většina set-upů obsahovala „testovací smyčku“, která generovala známý směrový testovací signál.

U palubních systémů představovala lodní nástavba vážnou příčinu rušení, zejména ve fázi, kdy se signály pohybovaly kolem různých kovových překážek. Aby se to vyřešilo, loď byla ukotvena, zatímco druhá loď vysílala testovací signál přibližně ze vzdálenosti jedné míle a výsledné signály byly zaznamenány na kalibrační list. Vysílací loď by se poté přesunula na jiné místo a kalibrace by se opakovala. Kalibrace byla odlišná pro různé vlnové délky i pro směry; vybudování kompletní sady listů pro každou loď vyžadovalo značnou práci.

Námořní jednotky, zejména společná sada HF4, obsahovaly rotující plastovou desku s čárou, „kurzor“, který pomáhal měřit úhel. To by mohlo být obtížné, kdyby se špičky elipsy nedostaly na okraj displeje nebo z něj odešly. Zarovnáním kurzoru s vrcholy na obou koncích to bylo jednoduché. Zaškrtávací značky na obou stranách kurzoru umožňovaly měřit šířku displeje a podle toho určit míru rozmazání.

Viz také

Reference

Citace
Bibliografie

Další čtení

  • Beesly, Patrick (1978). Very Special Intelligence: Příběh Operačního zpravodajského centra admirality ve druhé světové válce . Spere. ISBN 978-0-7221-1539-8.
  • deRosa, LA „Směrové vyhledávání“. V Blydu, JA; Harris, DB; Král, DD; a kol. (eds.). Elektronická protiopatření . Los Altos, CA: Peninsula Publishing. ISBN 978-0-932146-00-7.
  • Williams, Kathleen Broome (1996-10-01). Secret Weapon: US High-Frequency Direction Finding in the Battle of the Atlantic . Naval Institute Press. ISBN 978-1-55750-935-2.

externí odkazy