Высокочастотная пеленгация , обычно известная под аббревиатурой HF/DF или прозвищем huff-duff , является типом радиопеленгатора (RDF), введенным во Вторую мировую войну . Высокая частота (HF) относится к радиодиапазону, который может эффективно общаться на больших расстояниях; например, между подводными лодками и их наземными штабами. HF/DF в основном использовался для перехвата вражеских радиостанций во время передачи, хотя он также использовался для обнаружения дружественных самолетов в качестве навигационного средства. Базовая техника остается в использовании как одна из фундаментальных дисциплин радиоразведки , хотя обычно включается в более крупный набор радиосистем и радаров, а не является автономной системой.
В более ранних системах RDF оператор механически вращал рамочную антенну или соленоид и прослушивал пики или нули в сигнале, чтобы определить пеленг на передатчик. Это занимало значительное время, порядка минуты или больше. Радисты могли избежать обнаружения, делая свои сообщения короткими. В системах HF/DF набор антенн принимал сигнал в немного разных местах или под разными углами, а затем использовал полученные небольшие различия в сигнале для отображения пеленга на дисплее осциллографа . Этот процесс был по сути мгновенным, что позволяло ему улавливать даже самые короткие сигналы, например, от флота подводных лодок.
Система была первоначально разработана Робертом Уотсоном-Уоттом в 1926 году как система для определения местоположения молний . Ее роль в разведке не была развита до конца 1930-х годов. В ранний период войны блоки HF/DF пользовались очень большим спросом, и между службами было много соперничества в их распределении. Раннее использование было в Истребительном командовании Королевских ВВС как часть системы управления перехватом Даудинга, в то время как наземные блоки также широко использовались для сбора информации для Адмиралтейства с целью определения местоположения подводных лодок. Между 1942 и 1944 годами более мелкие блоки стали широко доступны и стали обычными приспособлениями на кораблях Королевского флота . По оценкам, HF/DF внесли свой вклад в 24% всех подводных лодок, потопленных во время войны. [1]
Основная концепция также известна под несколькими альтернативными названиями, включая пеленгацию катодных лучей (CRDF), [2] двухканальную пеленгацию [1] и по имени ее изобретателя — пеленгация Уотсона-Уотта или Эдкока/Уотсона-Уотта , когда речь идет об антенне. [3]
Радиопеленгация была широко распространенной техникой еще до Первой мировой войны , применявшейся как для морской, так и для воздушной навигации. Основная концепция использовала рамочную антенну , в своей самой базовой форме просто круглую петлю из провода с окружностью, определяемой диапазоном частот обнаруживаемых сигналов. Когда петля выровнена под прямым углом к сигналу, сигнал в двух половинах петли нейтрализуется, создавая внезапное падение выходного сигнала, известное как «ноль».
Ранние системы пеленгации использовали рамочную антенну, которую можно было механически вращать. Оператор настраивался на известную радиостанцию, а затем вращал антенну до тех пор, пока сигнал не исчезал. Это означало, что антенна теперь находилась под прямым углом к вещателю, хотя она могла находиться по обе стороны от антенны. Выполняя несколько таких измерений или используя какую-либо другую форму навигационной информации для исключения одного из неоднозначных направлений, можно было определить пеленг на вещатель.
В 1907 году Этторе Беллини и Алессандро Този ввели усовершенствование, которое значительно упростило систему пеленгации в некоторых установках. Одна петлевая антенна была заменена двумя антеннами, расположенными под прямым углом. Выход каждой направлялся на свой собственный петлевой провод, или, как они называются в этой системе, «полевая катушка». Две такие катушки, по одной на каждую антенну, расположены близко друг к другу под прямым углом. Сигналы от двух антенн создавали магнитное поле в пространстве между катушками, которое улавливалось вращающимся соленоидом , «поисковой катушкой». Максимальный сигнал генерировался, когда поисковая катушка была совмещена с магнитным полем от полевых катушек, которое находилось под углом сигнала по отношению к антеннам. Это устраняло необходимость в перемещении антенн. Пеленгатор Беллини–Този (BT) широко использовался на кораблях, хотя вращающиеся петли продолжали использоваться на самолетах, поскольку они обычно были меньше. [4]
Все эти устройства требовали времени для работы. Обычно оператор радиосвязи сначала использовал обычные радиотюнеры, чтобы найти нужный сигнал, либо с помощью антенны(антенн) пеленгатора, либо на отдельной ненаправленной антенне. После настройки оператор вращал антенны или гониометр, ища пики или нули в сигнале. Хотя приблизительное местоположение можно было найти, быстро вращая ручку управления, для более точных измерений оператору приходилось «охотиться» все более мелкими движениями. С периодическими сигналами, такими как азбука Морзе , или сигналами на краю приема, это был сложный процесс. Обычно указывалось время фиксации порядка одной минуты. [4]
Некоторые работы по автоматизации системы BT были выполнены непосредственно перед началом Второй мировой войны, в частности французскими инженерами Морисом Делорейном и Анри Бузиньи , работавшими во французском подразделении американской корпорации ITT . Их система приводила в действие поисковую катушку, а также круглую дисплейную карту, которая вращалась синхронно. Лампа на дисплейной карте была связана с выходом гониометра и мигала всякий раз, когда она была в правильном направлении. При быстром вращении, около 120 об/мин, вспышки сливались в одну (блуждающую) точку, которая указывала направление. Команда уничтожила всю свою работу во французском офисе и покинула Францию в 1940 году, как раз перед вторжением Германии, и продолжила разработку в США. [5]
Давно известно, что молния испускает радиосигналы. Сигнал распространяется по многим частотам, но особенно силен в длинноволновом спектре, который был одной из основных радиочастот для дальней морской связи. Роберт Уотсон-Уотт продемонстрировал, что измерения этих радиосигналов могут быть использованы для отслеживания гроз и предоставления полезного дальнего оповещения для пилотов и кораблей. В некоторых экспериментах он смог обнаружить грозы над Африкой, на расстоянии 2500 километров (1600 миль). [6]
Удары молнии длились так недолго, что традиционные системы RDF, использующие рамочные антенны, не могли определить пеленг до того, как они исчезали. [7] Все, что можно было определить, — это среднее местоположение, которое давало наилучший сигнал в течение длительного периода, включая сигнал многих ударов. [6] В 1916 году Уатт предложил использовать электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) в качестве индикаторного элемента вместо механических систем, [8] но не имел возможности проверить это.
Уотт работал в Метеорологическом бюро Королевских ВВС в Олдершоте , но в 1924 году они решили вернуть это место для использования другими подразделениями Королевских ВВС. В июле 1924 года Уотт переехал на новое место в Диттон-парке около Слау . На этом месте уже располагался исследовательский участок радиосекции Национальной физической лаборатории (NPL). Уотт был вовлечен в работу отделения атмосферики, проводя основные исследования распространения радиосигналов через атмосферу, в то время как NPL занималась измерениями напряженности поля в полевых условиях и исследованиями по пеленгации. В этих исследованиях NPL использовала два устройства, которые оказались критически важными для разработки метода хафф-дафф: антенну Эдкока и современный осциллограф . [6]
Антенна Adcock представляет собой конструкцию из четырех монопольных мачт, соединенных электрически, чтобы действовать как две виртуальные рамочные антенны, расположенные под прямым углом. Сравнивая сигналы, полученные на двух виртуальных рамочных антеннах, можно определить направление сигнала с помощью существующих методов RDF. Исследователи установили антенну в 1919 году, но пренебрегали ею в пользу более мелких конструкций. Было обнаружено, что они имеют очень плохую производительность из-за электрических характеристик области Слау, что затрудняло определение того, принимается ли сигнал по прямой линии или с неба. Смит-Роуз и Барфилд снова обратили свое внимание на антенну Adcock, которая не имела горизонтальной составляющей и, таким образом, отфильтровывала «небесные волны». В серии последующих экспериментов они смогли точно определить местоположение передатчиков по всей стране. [9]
Постоянное желание Уатта запечатлеть местоположение отдельных ударов молнии привело к последним крупным разработкам в базовой системе хафф-дафф. Лаборатория недавно получила осциллограф WE-224 от Bell Labs , который обеспечивал простоту подключения и имел стойкий люминофор . Работая с Джоком Хердом, в 1926 году Уатт добавил усилитель к каждому из двух плеч антенны и отправил эти сигналы в каналы X и Y осциллографа. Как и ожидалось, радиосигнал создавал на экране рисунок, который указывал направление удара, а медленно затухающий люминофор давал оператору достаточно времени, чтобы измерить его, прежде чем дисплей погаснет. [6] [7]
Ватт и Херд написали обширную статью о системе в 1926 году, назвав ее «мгновенным радиогониометром с прямым считыванием» и заявив, что ее можно использовать для определения направления сигналов, длящихся всего 0,001 секунды. [10] В статье подробно описывается устройство и далее объясняется, как его можно использовать для улучшения радиопеленгации и навигации. Несмотря на эту публичную демонстрацию и фильмы, показывающие, как оно используется для определения местоположения молнии, концепция, по-видимому, оставалась неизвестной за пределами Великобритании. Это позволило тайно разработать ее в практической форме.
Во время спешки по установке радарных систем Chain Home (CH) перед битвой за Британию , станции CH располагались как можно дальше вперед, вдоль береговой линии, чтобы обеспечить максимальное время предупреждения. Это означало, что внутренние районы над Британскими островами не имели радиолокационного покрытия, вместо этого полагаясь на Корпус наблюдателей (позднее Королевский корпус наблюдателей) для визуального отслеживания в этой области. Хотя Корпус наблюдателей мог предоставлять информацию о крупных рейдах, истребители были слишком малы и слишком высоки, чтобы их можно было точно идентифицировать. Поскольку вся система управления воздушным движением Даудинга полагалась на наземное направление, требовалось какое-то решение для определения местоположения собственных истребителей. [11]
Целесообразным решением этой проблемы было использование станций хафф-дафф для настройки на радиостанции истребителей. Каждый сектор управления, отвечающий за выбор истребительных эскадрилий, был оснащен приемником хафф-дафф вместе с двумя другими подстанциями, расположенными в удаленных точках, примерно в 30 милях (48 км). Эти станции прослушивали передачи от истребителей, сравнивали углы для триангуляции их местоположения, а затем передавали эту информацию в диспетчерские. [12] Сравнивая позиции противника, сообщенные Корпусом наблюдателей, и истребителей из систем хафф-дафф, командующие секторов могли легко направлять истребители на перехват противника.
Для содействия этому процессу на некоторых истребителях была установлена система, известная как « пип-сквик », по крайней мере, по два на секцию (до четырех секций на эскадрилью). Пип-сквик автоматически посылал ровный тон в течение 14 секунд каждую минуту, предоставляя операторам хафф-дафф достаточно времени для отслеживания сигнала. У нее был недостаток, заключающийся в том, что она связывала радиостанцию самолета во время трансляции его сигнала пеленгации. [ необходима цитата ]
Потребность в пеленгаторных установках была настолько острой, что Министерство авиации изначально не смогло предоставить количество, запрошенное Хью Даудингом , командующим истребительным командованием Королевских ВВС . В моделируемых боях в 1938 году система продемонстрировала свою такую полезность, что Министерство отреагировало предоставлением систем Bellini-Tosi с обещанием, что версии с ЭЛТ заменят их как можно скорее. Это можно было сделать в полевых условиях, просто подключив существующие антенны к новому приемнику. К 1940 году они были установлены во всех 29 «секторах» истребительного командования и стали основной частью системы, которая выиграла битву.
Наряду с гидролокатором («ASDIC»), разведывательными данными, полученными путем взлома немецких кодов , и радаром , «Хафф-Дафф» был ценной частью арсенала союзников по обнаружению немецких подводных лодок и торговых рейдеров во время битвы за Атлантику .
Кригсмарине знали , что радиопеленгаторы могут использоваться для определения местоположения их кораблей в море, когда эти корабли передают сообщения. Следовательно, они разработали систему, которая превращала обычные сообщения в короткие сообщения. Полученный « kurzsignale » затем кодировался машиной Enigma (для безопасности) и быстро передавался. Опытному радисту могло потребоваться около 20 секунд, чтобы передать типичное сообщение. [13] Если бы Великобритания использовала системы BT, единственную систему, известную немцам в то время, определение местоположения такой передачи потребовало бы значительной удачи. С huff-duff эти сообщения были более чем достаточно длинными, чтобы их можно было легко измерить.
Сначала система обнаружения Великобритании состояла из ряда береговых станций на Британских островах и в Северной Атлантике, которые координировали свои перехваты для определения местоположения. Расстояния, необходимые для обнаружения подводных лодок в Атлантике с береговых станций пеленгации, были настолько велики, а точность пеленгации была относительно неэффективной, поэтому определения не были особенно точными. В 1944 году военно-морская разведка разработала новую стратегию, в которой были построены локализованные группы из пяти береговых станций пеленгации, чтобы пеленги с каждой из пяти станций можно было усреднить для получения более надежного пеленга. Четыре такие группы были созданы в Великобритании: в Форд-Энде в Эссексе, Анструтере в Файфе, Боуэре в Шотландском нагорье и Гунхаверне 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 их показаний, так что плохие и изменчивые показания имели меньший вес, чем те, которые казались стабильными и хорошо определенными. Несколько из этих групп DF продолжали существовать в 1970-х годах как часть Composite Signals Organization . [15]
Наземные системы использовались, поскольку на кораблях возникали серьезные технические проблемы, в основном из-за влияния надстройки на фронт волны приходящих радиосигналов. Эти проблемы были преодолены под техническим руководством польского инженера Вацлава Струшинского , работавшего в Адмиралтейском сигнальном учреждении. [16] По мере оснащения кораблей была проведена сложная серия измерений для определения этих эффектов, и операторам были предоставлены карты, показывающие требуемые поправки на различных частотах. К 1942 году доступность электронно-лучевых трубок улучшилась и больше не была ограничением на количество наборов хафф-дафф, которые могли быть произведены. В то же время были введены улучшенные наборы, которые включали непрерывную настройку с приводом от двигателя для сканирования вероятных частот и подачи автоматического сигнала тревоги при обнаружении любых передач. Затем операторы могли быстро настраивать сигнал до того, как он исчезнет. Эти наборы были установлены на конвоях, что позволило им получать данные о подводных лодках, передающих из-за горизонта, за пределами диапазона радара. Это позволяло истребительным кораблям и самолетам на большой скорости направляться в направлении подводной лодки, которую можно было обнаружить с помощью радара, если она находилась на поверхности, или с помощью гидролокатора, если она находилась под водой.
С августа 1944 года Германия работала над системой «Курьер» , которая передавала бы целый курцсигнал в пакете длительностью не более 454 миллисекунд, что было слишком коротким для обнаружения или перехвата с целью расшифровки, однако к концу войны система так и не была введена в эксплуатацию.
Основная концепция системы huff-duff заключается в отправке сигнала с двух антенн на каналы X и Y осциллографа. Обычно канал Y представляет север/юг для наземных станций или, в случае корабля, выровнен с направлением судна вперед/назад. Таким образом, канал X представляет либо восток/запад, либо левый/правый борт.
Отклонение пятна на дисплее осциллографа является прямым указанием мгновенной фазы и силы радиосигнала. Поскольку радиосигналы состоят из волн, сигнал изменяется по фазе с очень высокой скоростью. Если рассмотреть сигнал, полученный по одному каналу, скажем, Y, точка будет двигаться вверх и вниз так быстро, что будет казаться прямой вертикальной линией, простирающейся на равные расстояния от центра дисплея. Когда добавляется второй канал, настроенный на тот же сигнал, точка будет двигаться в обоих направлениях X и Y одновременно, в результате чего линия станет диагональной. Однако радиосигнал имеет конечную длину волны , поэтому при его прохождении через антенные петли относительная фаза, которая встречается с каждой частью антенны, изменяется. Это заставляет линию отклоняться в эллипс или кривую Лиссажу , в зависимости от относительных фаз. Кривая поворачивается таким образом, что ее большая ось лежит вдоль пеленга сигнала. В случае сигнала на северо-востоке результатом будет эллипс, лежащий вдоль линии 45/225 градусов на дисплее. [17] Поскольку фаза меняется во время прорисовки дисплея, результирующая отображаемая форма включает «размытие», которое необходимо учитывать. [18]
Это оставляет проблему определения того, является ли сигнал северо-восточным или юго-западным, поскольку эллипс одинаково длинный по обе стороны 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 петель примерно на 1/2 длины волны. Когда этот сигнал был смешан, противофазный сигнал от этой антенны сильно подавлял сигнал, когда фаза была в направлении сенсорной антенны. Этот сигнал посылался в канал яркости, или ось Z, осциллографа, заставляя дисплей исчезать, когда сигналы были не в фазе. При подключении сенсорной антенны к одной из петель, скажем, к каналу север/юг, дисплей был бы сильно подавлен, когда он находился в нижней половине дисплея, указывая, что сигнал находится где-то на севере. В этой точке единственным возможным направлением является северо-восточное. [19]
Сигналы, принимаемые антеннами, очень малы и имеют высокую частоту, поэтому они сначала индивидуально усиливаются в двух идентичных радиоприемниках. Это требует, чтобы два приемника были чрезвычайно хорошо сбалансированы, чтобы один не усиливал больше другого и тем самым не изменял выходной сигнал. Например, если усилитель на антенне север/юг имеет немного большее усиление, точка не будет двигаться вдоль линии 45 градусов, а, возможно, вдоль линии 30 градусов. Чтобы сбалансировать два усилителя, большинство установок включали «тестовую петлю», которая генерировала известный направленный тестовый сигнал. [20]
Для судовых систем надстройка корабля представляла собой серьезную причину помех, особенно в фазе, поскольку сигналы перемещались вокруг различных металлических препятствий. Чтобы решить эту проблему, корабль был поставлен на якорь, в то время как второй корабль передавал тестовый сигнал с расстояния около одной мили, а полученные сигналы записывались на калибровочном листе. Затем вещательный корабль перемещался в другое место, и калибровка повторялась. Калибровка была разной для разных длин волн, а также направлений; создание полного набора листов для каждого корабля требовало значительной работы. [21]
Военно-морские подразделения, в частности, обычный набор HF4, включали вращающуюся пластиковую пластину с линией, «курсором», используемую для измерения угла. Это могло быть сложно, если кончики эллипса не достигали края дисплея или выходили за его пределы. Совместив курсор с пиками на обоих концах, это стало просто. Метки решетки по обе стороны от курсора позволяли измерять ширину дисплея и использовать ее для определения степени размытия.