Высокочастотная пеленгация , обычно известная под аббревиатурой HF/DF или прозвищем «хафф-дафф» , представляет собой тип радиопеленгатора (RDF), представленный во время Второй мировой войны . Высокая частота (ВЧ) относится к радиодиапазону, позволяющему эффективно общаться на больших расстояниях; например, между подводными лодками и их наземным штабом. HF/DF в основном использовался для перехвата вражеских радиостанций во время их передачи, хотя он также использовался для обнаружения дружественных самолетов в качестве навигационного средства. Базовый метод по-прежнему используется как одна из фундаментальных дисциплин радиоразведки , хотя обычно он включается в более крупный набор радиосистем и радаров, а не является отдельной системой.
В более ранних системах RDF оператор механически вращал рамочную антенну или соленоид и прислушивался к пикам или нулям сигнала, чтобы определить пеленг на передатчик. Это заняло значительное время, порядка минуты или больше. Радисты могли избежать обнаружения, если бы их сообщения были короткими. В системах ВЧ/пеленгации набор антенн принимал сигнал в несколько 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 улавливать даже самые короткие сигналы, например, от флота подводных лодок.
Первоначально система была разработана Робертом Уотсоном-Ваттом в 1926 году как система обнаружения молний . Его роль в разведке не была разработана до конца 1930-х годов. В начале войны подразделения HF/DF пользовались очень большим спросом, и при их распределении между службами существовала серьезная конкуренция. Первое использование было истребительным командованием Королевских ВВС как часть системы управления перехватом Даудинга, в то время как наземные подразделения также широко использовались для сбора информации для Адмиралтейства по обнаружению подводных лодок. Между 1942 и 1944 годами более мелкие агрегаты стали широко доступны и стали обычным оборудованием на кораблях Королевского флота . По оценкам, на долю HF/DF пришлось 24% всех подводных лодок, потопленных во время войны. [1]
Основная концепция также известна под несколькими альтернативными названиями, включая электропеленгацию (CRDF), [2] Twin Path DF, [1] и, по имени ее изобретателя, Watson-Watt DF или Adcock/Watson-Watt , когда антенна обдуманный. [3]
Радиопеленгация широко использовалась еще до Первой мировой войны и использовалась как для морской, так и для воздушной навигации. В базовой концепции использовалась рамочная антенна , в ее самой базовой форме это просто круглая петля из провода, длина окружности которой определяется диапазоном частот обнаруживаемых сигналов. Когда контур выравнивается под прямым углом к сигналу, сигнал в двух половинах контура гасится, вызывая внезапное падение выходного сигнала, известное как «нулевой».
В ранних пеленгационных системах использовалась рамочная антенна, 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 вещательной станции, хотя она могла находиться по обе стороны от антенны. Проведя несколько таких измерений или используя какую-либо другую навигационную информацию для устранения одного из неоднозначных направлений, можно было определить пеленг на радиовещательную станцию.
В 1907 году Этторе Беллини и Алессандро Този внесли усовершенствование, которое значительно упростило систему пеленгации в некоторых установках. Однорамочная антенна была заменена двумя антеннами, расположенными под прямым углом. Выходной сигнал каждого направлялся на отдельный замкнутый провод или, как их называют в этой системе, на «катушку возбуждения». 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 катушек возбуждения, которое находилось под углом сигнала по отношению к антеннам. Это устранило необходимость перемещения антенн. Пеленгатор Беллини-Този ( BT) широко использовался на кораблях, хотя вращающиеся петли продолжали использоваться на самолетах, поскольку обычно они были меньше. [4]
Все эти устройства требовали времени для работы. Обычно радист сначала использует обычные радиотюнеры, чтобы найти рассматриваемый сигнал, либо с помощью пеленгаторной антенны, либо с помощью отдельной ненаправленной антенны. После настройки оператор вращал антенны или гониометр в поисках пиков или нулей сигнала. Хотя приблизительное местоположение можно было найти, быстро вращая рычаг управления, для более точных измерений оператору приходилось «охотиться», совершая все более мелкие движения. С периодическими сигналами, такими как азбука Морзе , или сигналами, находящимися на границе приема, это был трудный процесс. Обычно указывается фиксированное время порядка одной минуты. [4]
Некоторые работы по автоматизации системы BT проводились незадолго до начала Второй мировой войны, особенно французскими инженерами Морисом Делореном и Анри Бузинье , работавшими во французском подразделении американской корпорации ITT . Их система приводила в движение поисковую катушку, а также круглый дисплей, который вращался синхронно. Лампа на видеокарте была привязана к выходу гониометра и мигала всякий раз, когда она двигалась в правильном направлении. 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]
Давно было известно, что молния излучает радиосигналы. Сигнал распространяется по многим частотам, но особенно силен в длинноволновом спектре, который был одной из основных радиочастот для морской связи на большие расстояния. Роберт Уотсон-Ватт продемонстрировал, что измерения этих радиосигналов можно использовать для отслеживания гроз и обеспечения полезного предупреждения пилотов и кораблей на большом расстоянии. В некоторых экспериментах ему удалось обнаружить грозы над Африкой на расстоянии 2500 километров (1600 миль). [6]
Удары молний длились так недолго, что традиционные системы RDF, использующие рамочные антенны, не смогли определить пеленг, прежде чем они исчезли. [7] Все, что можно было определить, это среднее местоположение, которое давало лучший сигнал в течение длительного периода, включая сигнал многих ударов. [6] В 1916 году Уатт предложил использовать электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) в качестве показывающего элемента вместо механических систем, [8] но не имел возможности проверить это.
Ватт 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 недалеко от Слау . На этом сайте уже размещался исследовательский участок радиоотдела Национальной физической лаборатории (НПЛ). Ватт работал в отделе атмосферы, проводя фундаментальные исследования распространения радиосигналов через атмосферу, в то время как НПЛ занималась измерениями напряженности поля в полевых условиях и исследованиями пеленгации. В этих исследованиях NPL использовала два устройства, которые сыграли решающую роль в разработке хафф-даффа: антенну Adcock и современный осциллограф . [6]
Антенна Adcock представляет собой конструкцию из четырех монопольных мачт, соединенных электрически, которые действуют как две виртуальные рамочные антенны, расположенные под прямым углом. Сравнивая сигналы, полученные в двух виртуальных контурах, направление сигнала можно определить с использованием существующих методов RDF. Исследователи установили антенну в 1919 году, но пренебрегли ею в пользу меньших по размеру конструкций. Было обнаружено, что они имеют очень низкую производительность из-за электрических характеристик района Слау, из-за которых было трудно определить, принимается ли сигнал по прямой линии или с неба. Смит-Роуз и Барфилд снова обратили свое внимание на антенну Адкока, которая не имела горизонтальной составляющей и, таким образом, отфильтровывала «небесные волны». В серии последующих экспериментов им удалось точно определить местоположение передатчиков по всей стране. [9]
Постоянное желание Уотта зафиксировать местонахождение отдельных ударов молний привело к окончательным крупным изменениям в базовой системе «хафф-дафф». Лаборатория недавно получила от Bell Labs осциллограф WE-224 , который обеспечивал простоту подключения и имел постоянный люминофор . Работая с Джоком Хердом, в 1926 году Уотт добавил по усилителю к каждому из двух плеч антенны и отправил эти сигналы в каналы X и Y осциллографа. Как и ожидалось, радиосигнал создал на экране рисунок, указывающий направление удара, а медленно затухающий 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 «радиогониометром мгновенного действия с прямым отсчетом» 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, показывающие, как она используется для обнаружения молний, эта концепция, по-видимому, осталась неизвестной за пределами Великобритании. Это позволило тайно довести его до практической формы.
Во время спешки по установке радиолокационных систем Chain Home (CH) перед битвой за Британию станции CH были расположены 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 они полагались на Корпус наблюдателей (позже Королевский корпус наблюдателей) для визуального слежения в этом районе. Хотя Корпус наблюдателей мог предоставлять информацию о крупных рейдах, истребители были слишком маленькими и слишком высокими, чтобы их можно было точно идентифицировать. Поскольку вся система управления воздушным движением Даудинга опиралась на наземное управление, требовалось какое-то решение по обнаружению собственных истребителей. [11]
Целесообразным решением этой проблемы стало использование станций «Хафф-Дафф» для настройки радиостанций истребителей. Каждый сектор управления, отвечающий за выборку истребительных эскадрилий, был оснащен приемником «хафф-дафф», а также две другие подстанции, расположенные в отдаленных точках, на расстоянии около 30 миль (48 км). Эти станции будут прослушивать передачи истребителей, сравнивать углы, чтобы определить свое местоположение, а затем передавать эту информацию в диспетчерские. [12] Сравнивая позиции противника, сообщаемые Корпусом наблюдателей, и истребителями систем «хафф-дафф», командиры секторов могли легко направить истребители на перехват противника.
Чтобы облегчить этот процесс, на некоторых истребителях была установлена система, известная как « пип-писк », по крайней мере по две на секцию (до четырех секций на эскадрилью). Пип-писк автоматически издает устойчивый сигнал в течение 14 секунд каждую минуту, предоставляя операторам достаточно времени для отслеживания сигнала. У него был недостаток: радиостанция самолета отключалась во время передачи пеленгаторного сигнала. [ нужна цитата ]
Потребность в комплектах пеленгации была настолько острой, что министерство авиации первоначально не смогло предоставить их в количестве, запрошенном Хью Даудингом , командующим истребительным командованием Королевских ВВС . В смоделированных боях в 1938 году система была настолько полезна, что министерство в ответ предоставило системам Беллини-Този обещание, что версии с ЭЛТ заменят их как можно скорее. Этого можно добиться в полевых условиях, просто подключив существующие антенны к новому приемнику. К 1940 году они существовали во всех 29 «секторах» истребительного командования и были основной частью системы, которая выиграла битву.
Наряду с гидролокатором («ASDIC»), разведкой по взлому немецких кодов и радаром , «Хафф-Дафф» был ценной частью арсенала союзников в обнаружении немецких подводных лодок и коммерческих рейдеров во время битвы за Атлантику .
В Кригсмарине знали, что радиопеленгаторы можно использовать для определения местоположения кораблей в море, когда эти корабли передают сообщения. В результате они разработали систему, которая превращала обычные сообщения в сообщения небольшой длины. Полученный « курцсигнал » затем был закодирован с помощью машины «Энигма» (в целях безопасности) и быстро передан. Опытному радисту на передачу типичного сообщения может потребоваться около 20 секунд. [13] Если бы Великобритания использовала системы BT, единственную систему, известную немцам в то время, определение места такой передачи потребовало бы значительной удачи. При хафф-даффе эти сообщения были более чем достаточно длинными, чтобы их можно было легко измерить.
Поначалу 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 от береговых радиопеленгаторов, были настолько велики, а точность пеленгации была относительно неэффективной, поэтому определения местоположения не были особенно точными. В 1944 году военно-морская разведка разработала новую стратегию, согласно которой были построены локализованные группы из пяти береговых радиопеленгаторов, чтобы пеленги каждой из пяти станций можно было усреднить для получения более надежного пеленга. В Великобритании было создано четыре таких группы: в Форд-Энде в Эссексе, Анструтере в Файфе, Бауэре в Шотландском Хайленде и Гунхаверне в Корнуолле. Предполагалось, что другие группы будут созданы в Исландии, Новой Шотландии и на Ямайке. [14] Простое усреднение оказалось неэффективным, и позже были использованы статистические методы. Операторов также просили оценить надежность своих показаний так, чтобы плохим и переменным показаниям придавался меньший вес, чем тем, которые казались стабильными и четко определенными. Некоторые из этих групп пеленгации продолжали работать в 1970-е годы в составе Организации композитных сигналов . [15]
Наземные системы использовались потому, что на кораблях существовали серьезные технические проблемы, в основном из-за воздействия надстройки на волновой фронт приходящих радиосигналов. Эти проблемы были преодолены под техническим руководством польского инженера Вацлава Струшинского , работавшего в Адмиралтейском заводе связи. [16] По мере оснащения кораблей была проведена сложная серия измерений для определения этих эффектов, а операторам были предоставлены карты, показывающие необходимые поправки на различных частотах. К 1942 году доступность электронно-лучевых трубок улучшилась, и количество устройств «хафф-дафф», которые можно было произвести, больше не было ограничением. В то же время были представлены улучшенные наборы, которые включали непрерывную настройку с приводом от двигателя для сканирования вероятных частот и подачи автоматического сигнала тревоги при обнаружении каких-либо передач. Затем операторы могли быстро настроить сигнал до его исчезновения. Эти комплекты были установлены на конвоях сопровождения, что позволяло им фиксировать подводные лодки, передающие сигналы из-за горизонта, за пределами зоны действия радара. Это позволило кораблям и самолетам-охотникам-убийцам на высокой скорости направиться в направлении подводной лодки, которую можно было обнаружить с помощью радара, если она все еще находилась на поверхности, или ASDIC, если она находилась под водой.
С августа 1944 года Германия работала над системой «Курьер» , которая должна была передавать весь курц-сигнал пакетом длительностью не более 454 миллисекунд, слишком коротким для того, чтобы его можно было обнаружить или перехватить для расшифровки, но к концу войны система так и не вступила в строй. война.
Основная концепция системы хафф-дафф заключается в отправке сигнала с двух антенн в каналы X и Y осциллографа. Обычно канал Y представляет север/юг для наземных станций или, в случае корабля, совмещен с курсом корабля вперед/назад. Таким образом, канал X представляет либо восток/запад, либо левый/правый борт.
Отклонение пятна на дисплее осциллографа является прямым показателем мгновенной фазы и силы радиосигнала. Поскольку радиосигналы состоят из волн, сигнал меняется 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 перемещаться одновременно в направлениях X и Y, в результате чего линия станет диагональной. Однако радиосигнал имеет конечную длину волны , поэтому по мере прохождения через контуры антенны относительная фаза, соответствующая каждой части антенны, меняется. Это приводит к отклонению линии в эллипс или кривую Лиссажу , в зависимости от относительных фаз. Кривая повернута так, что ее главная ось лежит вдоль направления сигнала. В случае сигнала на северо-восток результатом будет эллипс, лежащий вдоль линии 45/225 градусов на дисплее. [17] Поскольку фаза меняется во время рисования на дисплее, результирующая отображаемая форма включает в себя «размытие», которое необходимо учитывать. [18]
Это оставляет проблему определения того, является ли сигнал северо-восточным или юго-западным, поскольку эллипс имеет одинаковую длину по обе стороны от центральной точки дисплея. Чтобы решить эту проблему, к этому миксу была добавлена отдельная антенна, «чувствительная антенна». Это была всенаправленная антенна, расположенная на фиксированном расстоянии от петель примерно на расстоянии 1/2 длины волны. Когда этот сигнал был подмешан, противофазный сигнал от этой антенны сильно подавлял сигнал, когда фаза находится в направлении сенсорной антенны. 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 одному из контуров, скажем, каналу север/юг, изображение будет сильно подавлено, когда оно будет находиться в нижней половине дисплея, что указывает на то, что сигнал находится где-то на севере. На данный момент единственным возможным направлением является северо-восточный. [19]
Сигналы, принимаемые антеннами, очень малы и имеют высокую частоту, поэтому сначала они индивидуально усиливаются в двух одинаковых радиоприемниках. Это требует, 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 северной/южной антенне имеет немного большее усиление, точка будет перемещаться не по линии 45 градусов, а, возможно, по линии 30 градусов. Чтобы сбалансировать два усилителя, большинство установок включали «тестовый контур», который генерировал тестовый сигнал известной направленности. [20]
Для корабельных систем надстройка корабля представляла собой серьезную причину помех, особенно по фазе, поскольку сигналы перемещались вокруг различных металлических препятствий. Чтобы решить эту проблему, корабль стоял на якоре, в то время как второй корабль транслировал тестовый сигнал на расстоянии примерно одной мили, а полученные сигналы записывались в калибровочный лист. Затем вещательный корабль переместился в другое место, и калибровка повторилась. Калибровка была разной для разных длин волн и направлений; построение полного комплекта листов для каждого корабля потребовало значительных работ. [21]
Военно-морские подразделения, особенно обычный комплект HF4, включали вращающуюся пластиковую пластину с линией, «курсором», используемой для измерения угла. Это может быть затруднительно, если кончики эллипса не достигают края дисплея или выходят за его пределы. Это стало проще, если совместить курсор с пиками на обоих концах. Решетки по обе стороны от курсора позволяли измерить ширину дисплея и использовать ее для определения степени размытия.