Пеленгация

Measurement of the direction from which a received signal was transmitted

Схема радиотриангуляции с использованием двух пеленгаторных антенн (А и Б)

Антенна пеленгации возле города Люцерн , Швейцария

Пеленгация ( DF ) или радиопеленгация ( RDF ) — это использование радиоволн для определения направления на радиоисточник. Источником может быть сотрудничающий радиопередатчик или непреднамеренный источник, природный радиоисточник или незаконная или вражеская система. Радиопеленгация отличается от радиолокации тем, что каким-либо одним приемником определяется только направление; радиолокационная система обычно также определяет расстояние до интересующего объекта, а также направление. С помощью триангуляции местоположение радиоисточника можно определить путем измерения его направления из двух или более мест. Радиопеленгация используется в радионавигации кораблей и самолетов, для обнаружения аварийных передатчиков для поиска и спасения , для отслеживания дикой природы, а также для обнаружения незаконных или мешающих передатчиков. Во время Второй мировой войны радиопеленгация использовалась обеими сторонами для обнаружения и наведения самолетов, надводных кораблей и подводных лодок.

Системы RDF могут использоваться с любым источником радиосигнала, хотя очень длинные волны (низкие частоты) требуют очень больших антенн и обычно используются только в наземных системах. Тем не менее эти длины волн используются для морской радионавигации , поскольку они могут преодолевать очень большие расстояния «за горизонтом», что ценно для кораблей, когда прямая видимость может составлять всего несколько десятков километров. Для использования в воздухе, где горизонт может простираться на сотни километров, можно использовать более высокие частоты, что позволяет использовать антенны гораздо меньшего размера. Автоматический пеленгатор , который можно было настроить на радиомаяки, называемые ненаправленными маяками или коммерческими AM- радиовещателями, в 20 веке был особенностью большинства самолетов, но постепенно выводится из употребления. ^[1]

Для военных RDF является ключевым инструментом радиоразведки . Способность определять местоположение вражеского передатчика имела неоценимое значение со времен Первой мировой войны и сыграла ключевую роль в битве за Атлантику во время Второй мировой войны . По оценкам, передовые британские системы « хафф-дафф » были прямо или косвенно ответственны за 24% всех подводных лодок , потопленных во время войны. В современных системах часто используются антенны с фазированной решеткой , обеспечивающие быстрое формирование луча для получения высокоточных результатов, и они являются частью более крупного комплекса средств радиоэлектронной борьбы .

В первых радиопеленгаторах использовались механически вращающиеся антенны, которые сравнивали мощность сигнала, после чего последовало несколько электронных версий той же концепции. Современные системы используют сравнение фазовых или доплеровских методов , которые, как правило, проще автоматизировать. Ранние британские радары назывались RDF, что часто называют обманом. Фактически, системы Chain Home использовали большие приемники RDF для определения направления. Более поздние радиолокационные системы обычно использовали одну антенну для передачи и приема и определяли направление по направлению, в котором была обращена антенна. ^[2]

История

Ранние механические системы

У. Г. Уэйд из Национального бюро стандартов использует большую многоконтурную антенну для выполнения RDF на этой фотографии 1919 года. Это довольно небольшой агрегат для той эпохи.

Самые ранние эксперименты с RDF были проведены в 1888 году, когда Генрих Герц обнаружил направленность разомкнутой проволочной петли, используемой в качестве антенны. Когда антенна была направлена ​​на сигнал, она давала максимальное усиление и нулевой сигнал, когда она была направлена ​​лицом. Это означало, что всегда существовала неопределенность в местоположении сигнала: выходной сигнал был бы одинаковым, если бы сигнал находился перед или позади антенны. Более поздние экспериментаторы также использовали дипольные антенны , которые работали в противоположном направлении, достигая максимального усиления под прямым углом и нуля при выравнивании. Системы RDF, использующие рамочные или дипольные антенны с механическим поворотом, были обычным явлением на рубеже 20-го века. Выдающиеся примеры были запатентованы Джоном Стоуном Стоуном в 1902 году (патент США 716 134) и Ли де Форестом в 1904 году (патент США 771 819), а также многими другими примерами.

К началу 1900-х годов многие экспериментаторы искали способы использовать эту концепцию для определения местоположения передатчика. Ранние радиосистемы обычно использовали средневолновые и длинноволновые сигналы. Длинноволновые волны, в частности, имели хорошие характеристики передачи на большие расстояния из-за их ограниченного взаимодействия с землей и, таким образом, обеспечивали превосходное распространение наземных волн по маршруту большого круга , которые были направлены непосредственно на передатчик. Методы выполнения RDF на длинноволновых сигналах были основной областью исследований в 1900-х и 1910-х годах. ^[3]

Антенны обычно чувствительны к сигналам только в том случае, если их длина составляет значительную часть длины волны или больше. Большинство антенн имеют длину не менее 1/4 длины волны, чаще 1/2 – полуволновой диполь – очень распространенная конструкция. Для использования на длинных волнах это приводило к использованию рамочных антенн длиной в десятки футов по сторонам, часто с более чем одной петлей, соединенных вместе для улучшения сигнала. Другое решение этой проблемы было разработано компанией Маркони в 1905 году. Оно состояло из ряда горизонтальных проволок или стержней, направленных наружу из общей центральной точки. Подвижный переключатель мог соединить противоположные пары этих проводов, образуя диполь, и, вращая переключатель, оператор мог искать самый сильный сигнал. ^[4] ВМС США в некоторой степени решили эту проблему, установив антенны на кораблях и плавая по кругу. ^[5] Такие системы были громоздкими и непрактичными для многих целей. ^[6]

Беллини-Този

Эта модель Royal Navy типична для гониометров B – T. Видны два набора «катушек возбуждения» и вращающаяся «чувствительная катушка».

Ключевое усовершенствование концепции RDF было представлено Этторе Беллини и Алессандро Този в 1909 году (патент США № 943960). В их системе использовались две такие антенны, обычно треугольные петли, расположенные под прямым углом. Сигналы от антенн передавались в катушки, обернутые вокруг деревянной рамы размером с консервную банку , где сигналы воссоздавались в области между катушками. Отдельную рамочную антенну, расположенную в этой области, можно было бы затем использовать для определения направления, не перемещая основные антенны. Это сделало RDF настолько более практичным, что вскоре его начали широко использовать для навигации, часто как первую доступную форму воздушной навигации, когда наземные станции наводились на радиостанцию ​​самолета. Пеленгаторы Беллини-Този получили широкое распространение с 1920-х по 1950-е годы.

Ранние системы RDF были полезны в основном для длинноволновых сигналов. Эти сигналы способны передаваться на очень большие расстояния, что делает их полезными для дальней навигации. Однако когда тот же метод был применен к более высоким частотам, возникли неожиданные трудности из-за отражения высокочастотных сигналов от ионосферы . Станция RDF теперь могла получать один и тот же сигнал из двух или более мест, особенно в течение дня, что вызывало серьезные проблемы с определением местоположения. Это привело к появлению в 1919 году антенны Адкока (патент Великобритании № 130490), которая состояла из четырех отдельных монопольных антенн вместо двух рамок, устраняя горизонтальные компоненты и, таким образом, отфильтровывая небесные волны , отраженные от ионосферы. Антенны Адкока широко использовались с детекторами Беллини – Този с 1920-х годов.

В 1931 году авиакорпус армии США испытал примитивный радиокомпас, который использовал в качестве маяка коммерческие станции. ^[7]

Хафф-дафф

Оборудование FH4 «Хафф-дафф» на корабле-музее HMS  Belfast

Значительное усовершенствование техники RDF было введено Робертом Уотсоном-Ваттом в рамках его экспериментов по обнаружению ударов молний как метода указания направления грозы для моряков и летчиков. Он долгое время работал с обычными системами RDF, но их было трудно использовать из-за мимолетных сигналов молний. Вначале он предложил использовать осциллограф для почти мгновенного отображения этих данных, но не смог найти его во время работы в Метеорологическом бюро . Когда офис переехал, его новое место на радиоисследовательской станции обеспечило его антенной Адкока и подходящим осциллографом, и он представил свою новую систему в 1926 году.

Несмотря на то, что система представлена ​​публично, а ее измерения широко освещаются в Великобритании, ее влияние на искусство RDF кажется странным образом сдержанным. Разработка была ограничена до середины 1930-х годов, когда различные британские войска начали широкомасштабную разработку и развертывание этих « высокочастотных пеленгационных систем», или «хафф-дафф». Чтобы избежать RDF, немцы разработали метод передачи коротких сообщений продолжительностью менее 30 секунд, что меньше 60 секунд, которые потребуются обученному оператору Беллини-Този для определения направления. Однако это было бесполезно против систем типа «хафф-дафф», которые обнаруживали сигнал с достаточной точностью за считанные секунды. Немцы осознали эту проблему только в середине войны и не предпринимали никаких серьезных шагов для ее решения до 1944 года. К тому времени хафф-дафф помог примерно в четверти всех успешных атак на У-1. лодочный флот.

Послевоенные системы

Некоторые разработки в области электроники во время и после Второй мировой войны привели к значительному улучшению методов сравнения фазы сигналов. Кроме того, система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) позволяла легко настраивать сигналы, которые не дрейфовали. Усовершенствованные электронные лампы и внедрение транзистора позволили экономично использовать гораздо более высокие частоты, что привело к широкому использованию сигналов ОВЧ и УВЧ. Все эти изменения привели к появлению новых методов RDF и их гораздо более широкому использованию.

В частности, возможность сравнивать фазы сигналов привела к созданию метода RDF фазового сравнения, который сегодня, пожалуй, является наиболее широко используемым методом. В этой системе рамочная антенна заменена одним ферритовым сердечником квадратной формы с петлями, намотанными вокруг двух перпендикулярных сторон. Сигналы из контуров подаются в схему сравнения фаз, выходная фаза которой напрямую указывает направление сигнала. Отправив его на любой способ отображения и заблокировав сигнал с помощью ФАПЧ, можно непрерывно отображать направление на вещательную станцию. Работа состоит исключительно из настройки станции и настолько автоматизирована, что эти системы обычно называют автоматическими пеленгаторами .

Были разработаны другие системы, требующие большей точности. В системах псевдодоплеровского радиопеленгатора используется серия небольших дипольных антенн, расположенных кольцом, и электронное переключение для быстрого выбора диполей для подачи в приемник. Результирующий сигнал обрабатывается и генерирует звуковой тон. Фаза этого звукового тона по сравнению с вращением антенны зависит от направления сигнала. Доплеровские системы RDF широко заменили систему «хафф-дафф» для обнаружения мимолетных сигналов.

21-го века

Различные процедуры радиопеленгации для определения положения на море больше не являются частью системы морской безопасности ГМССБ , действующей с 1999 года. Поразительную поперечную рамочную антенну с прикрепленной к ней вспомогательной антенной можно встретить лишь на сигнальных мачтах некоторых судов. более старые корабли, потому что они там не мешают и демонтаж обошелся бы слишком дорого.

Современные методы позиционирования, такие как GPS, DGPS, радар и устаревший Loran C, имеют методы радиопеленгации, которые неточно соответствуют сегодняшним потребностям.

Сети радиопеленгации также больше не существуют. ^[8] Однако спасательные суда, такие как спасательные шлюпки RNLI в Великобритании, а также поисково-спасательные вертолеты, имеют пеленгаторные приемники морских ОВЧ-сигналов и сигналов самонаведения 121,5 МГц, встроенные в маяки EPIRB и PLB, хотя современные маяки GPS-EPIRBS и AIS постепенно делая их ненужными.

Оборудование

Lockheed Model 10 Electra Амелии Эрхарт с круглой антенной RDF , видимой над кабиной

Радиопеленгатор ( RDF ) — это устройство для определения направления или пеленга на источник радиосигнала . Процесс измерения направления известен как радиопеленгация или иногда просто пеленгация ( DF ). Используя два или более измерений из разных мест, можно определить местоположение неизвестного передатчика; альтернативно, используя два или более измерений известных передатчиков, можно определить местоположение транспортного средства. RDF широко используется в качестве радионавигационной системы, особенно на лодках и самолетах.

Системы RDF можно использовать с любым источником радиосигнала, хотя размер приемных антенн зависит от длины волны сигнала; очень длинные волны (низкие частоты) требуют очень больших антенн и обычно используются только в наземных системах. Тем не менее, эти длины волн очень полезны для морской навигации , поскольку они могут перемещаться на очень большие расстояния и «за горизонт», что ценно для кораблей, когда прямая видимость может составлять всего несколько десятков километров. Для самолетов, где горизонт на высоте может достигать сотен километров, можно использовать более высокие частоты, что позволяет использовать антенны гораздо меньшего размера. Автоматический пеленгатор, часто способный настраиваться на коммерческие AM- радиопередатчики, является особенностью почти всех современных самолетов.

Для военных системы RDF являются ключевым компонентом систем и методологий радиотехнической разведки . Возможность определить местоположение вражеского передатчика имела неоценимое значение со времен Первой мировой войны и сыграла ключевую роль в битве за Атлантику во время Второй мировой войны . По оценкам, передовые британские системы « хафф-дафф » были прямо или косвенно ответственны за 24% всех подводных лодок , потопленных во время войны. ^[9] В современных системах часто используются антенны с фазированной решеткой , позволяющие быстро формировать луч и получать высокоточные результаты. Обычно они интегрируются в более широкий комплекс средств радиоэлектронной борьбы .

Вслед за новыми разработками в электронике со временем использовалось несколько различных поколений систем RDF. В ранних системах использовались механически вращающиеся антенны, которые сравнивали мощность сигнала с разных направлений, а затем последовало несколько электронных версий той же концепции. Современные системы используют сравнение фазовых или доплеровских методов , которые, как правило, проще автоматизировать. Современные псевдодоплеровские системы пеленгации состоят из ряда небольших антенн, прикрепленных к круглой карте, при этом вся обработка выполняется программным обеспечением.

Ранние британские радары также назывались RDF, что представляло собой тактику обмана. Однако терминология не была неточной; Системы Chain Home использовали отдельные всенаправленные передатчики и большие приемники RDF для определения местоположения целей. ^[2]

Антенны

В одном типе пеленгации используется направленная антенна , которая более чувствительна в определенных направлениях, чем в других. Многие конструкции антенн обладают этим свойством. Например, антенна Яги имеет достаточно выраженную направленность, поэтому источник передачи можно определить, направив ее в ту сторону, где достигается максимальный уровень сигнала. Поскольку характеристики направленности могут быть очень широкими, для повышения точности можно использовать большие антенны или нулевые методы для улучшения углового разрешения.

Антенна со скрещенными петлями на мачте буксира представляет собой пеленгаторную конструкцию.

Обнаружение нуля с помощью рамочных антенн

Простейшей формой направленной антенны является рамочная антенна . Он состоит из разомкнутой петли провода на изолирующей рамке или металлического кольца, которое само образует рамочный элемент антенны; часто диаметр петли составляет десятую часть длины волны или меньше на целевой частоте. Такая антенна будет наименее чувствительна к сигналам, перпендикулярным ее лицевой стороне, и наиболее чувствительна к сигналам, приходящим с ребра. Это вызвано фазой принимаемого сигнала: разница в электрической фазе по краю петли в любой момент вызывает разницу в напряжениях, индуцированных по обе стороны петли.

Поворот плоскости контура «лицом» к сигналу так, чтобы поступающие фазы были идентичны по всему ободу, не будет вызывать никакого тока в контуре. Таким образом, простой поворот антенны для получения минимума полезного сигнала установит два возможных направления (спереди и сзади), из которых могут приходить радиоволны. Это называется нулем в сигнале и используется вместо направления самого сильного сигнала, поскольку небольшие угловые отклонения рамочной антенны от ее нулевых положений вызывают гораздо более резкие изменения принимаемого тока, чем аналогичные изменения направления вокруг самого сильного сигнала петли. ориентация. Поскольку нулевое направление дает более четкое представление о направлении сигнала (нулевое значение «резче», чем максимальное), при использовании рамочной антенны нулевое направление используется для определения местоположения источника сигнала.

«Чувствующая антенна» используется для разрешения двух направлений; Считывающая антенна представляет собой ненаправленную антенну, имеющую ту же чувствительность, что и рамочная антенна. Добавляя постоянный сигнал от сенсорной антенны к переменному сигналу от сигнала контура при его вращении, теперь существует только одно положение, когда контур вращается на 360°, в котором ток равен нулю. Это действует как опорная точка фазы, позволяя определить правильную нулевую точку и устраняя неопределенность в 180°. Дипольная антенна демонстрирует те же свойства, что и небольшая петля, хотя ее нулевое направление не такое «острое».

Антенна Яги для более высоких частот

Антенна Яги-Уда известна как обычная телевизионная антенна ОВЧ или УВЧ . Антенна Яги использует несколько дипольных элементов, в том числе дипольные элементы «отражатель» и «директор». «Отражатель» является самым длинным дипольным элементом и блокирует почти весь сигнал, поступающий сзади, поэтому Яги не имеет неоднозначности направления вперед или назад: максимальный сигнал возникает только тогда, когда самый узкий конец Яги направлен в направлении от куда приходят радиоволны. При наличии достаточного количества более коротких элементов «директора» максимальное направление Яги можно приблизить к резкости нуля небольшого цикла. ^{[ нужна цитата ]}

Параболические антенны для сверхвысоких частот

Для гораздо более высоких частот, таких как миллиметровые волны и микроволны , можно использовать параболические антенны или «тарелочные» антенны . Параболические антенны имеют узконаправленную форму и направляют принимаемые сигналы под очень узким углом на небольшой приемный элемент, установленный в фокусе параболы.

Электронный анализ сигналов двух антенн

Более сложные методы, такие как фазированные решетки, обычно используются для высокоточных систем пеленгации. Современные системы называются гониометрами по аналогии с направленными схемами времен Второй мировой войны , которые использовались для измерения направления путем сравнения различий в принимаемых сигналах двух или более согласованных эталонных антенн, которые использовались в старой системе разведки сигналов (SIGINT). Современная вертолетная система пеленгации была разработана компанией ESL Incorporated для правительства США еще в 1972 году.

Методы разницы во времени прихода сравнивают время прихода радиоволны на две или более разные антенны и определяют направление прихода на основе этой временной информации. В этом методе можно использовать механически простые неподвижные всенаправленные антенные элементы, подаваемые в многоканальную систему приемника.

Антенна RDF на этом B-17F расположена в выступающем каплевидном корпусе под носом.

Операция

Высокочастотный радиопеленгатор ВМС США времен Второй мировой войны

Одна из форм радиопеленгации работает путем сравнения мощности сигнала направленной антенны , направленной в разных направлениях. Сначала эта система использовалась радистами наземного и морского базирования с использованием простой вращающейся рамочной антенны, связанной с указателем градуса. Позднее эта система была принята как на кораблях, так и на самолетах и ​​широко использовалась в 1930-х и 1940-х годах. На самолетах, выпущенных до Второй мировой войны , антенны RDF легко узнать по круглым петлям, установленным над или под фюзеляжем. Более поздние конструкции рамочной антенны были заключены в аэродинамический обтекатель каплевидной формы. На кораблях и небольших лодках в приемниках RDF сначала использовались большие металлические рамочные антенны, похожие на авиационные, но обычно монтируемые на портативном приемнике с батарейным питанием.

При использовании оператор RDF сначала настраивал приемник на правильную частоту, затем вручную поворачивал контур, либо слушая, либо наблюдая за S-метром , чтобы определить направление нуля ( направление, в котором данный сигнал является самым слабым) длинного диапазона . волновой (LW) или средневолновый (AM) радиомаяк или радиостанция (прослушивание нулевого сигнала проще, чем прослушивание пикового сигнала, и обычно дает более точный результат). Этот ноль был симметричным и, таким образом, определял как правильный курс в градусах, отмеченный на розетке компаса радио, так и его противоположность на 180 градусов. Хотя эта информация обеспечивала базовую линию от станции до корабля или самолета, штурману все равно нужно было заранее знать, находится ли он к востоку или западу от станции, чтобы избежать прокладки курса на 180 градусов в неправильном направлении. Определяя пеленги на две или более радиовещательных станций и нанося на график пересекающиеся пеленги, штурман мог определить относительное положение своего корабля или самолета.

Позже комплекты RDF были оснащены вращающимися ферритовыми петлевыми антеннами, что сделало комплекты более портативными и менее громоздкими. Некоторые из них позже были частично автоматизированы с помощью моторизованной антенны (ADF). Ключевым прорывом стало введение вторичной вертикальной штыревой или «чувствительной» антенны , которая подтверждала правильный пеленг и позволяла навигатору избегать построения пеленга на 180 градусов, противоположного фактическому курсу. Модель SE 995 RDF ВМС США, в которой использовалась сенсорная антенна, использовалась во время Первой мировой войны. ^[10] После Второй мировой войны существовало множество мелких и крупных фирм, производящих пеленгаторное оборудование для моряков, в том числе Apelco , Aqua Guide, Bendix , Gladding (и ее подразделение морской пехоты Pearce-Simpson), Рэй Джефферсон, Raytheon и Sperry. К 1960-м годам многие из этих радиоприемников фактически производились японскими производителями электроники, такими как Panasonic , Fuji Onkyo и Koden Electronics Co., Ltd. В области авиационного оборудования Bendix и Sperry-Rand были двумя крупнейшими производителями радиоприемников RDF и навигационные приборы.

Одноканальный пеленгатор

В одноканальной пеленгации используется многоантенная решетка с одноканальным радиоприемником. Этот подход к DF имеет некоторые преимущества и недостатки. Поскольку используется только один приемник, преимуществами являются мобильность и более низкое энергопотребление. Без возможности смотреть на каждую антенну одновременно (что было бы в случае использования нескольких приемников, также известных как N-канальная пеленгация) на антенне должны выполняться более сложные операции, чтобы представить сигнал приемнику.

Двумя основными категориями, на которые попадает одноканальный алгоритм пеленгации, являются сравнение амплитуд и сравнение фаз . Некоторые алгоритмы могут быть гибридами этих двух.

Псевдодопплеровский метод пеленгации

Метод псевдодопплера представляет собой метод пеленгации на основе фазы, который производит оценку пеленга принятого сигнала путем измерения доплеровского сдвига , вызванного сигналом путем выборки вокруг элементов круговой решетки. В исходном методе использовалась одна антенна, которая физически перемещалась по кругу, но современный подход использует круговую решетку из нескольких антенн, в которой каждая антенна опрашивается последовательно.

Антенная решетка Уотсона – Ватта или Адкока

Метод Уотсона-Ватта использует две пары антенн для сравнения амплитуд входящего сигнала. Популярный метод Уотсона-Ватта использует решетку из двух ортогональных катушек (магнитных диполей) в горизонтальной плоскости, часто дополненную всенаправленным электрическим диполем с вертикальной поляризацией для разрешения неоднозначностей на 180 °.

Антенная решетка Adcock использует пару монопольных или дипольных антенн, которые принимают разность векторов принимаемого сигнала на каждой антенне, так что от каждой пары антенн поступает только один выходной сигнал. Две из этих пар расположены рядом, но перпендикулярно ориентированы для создания так называемых сигналов N–S (Север-Юг) и E–W (Восток-Запад), которые затем будут переданы приемнику. Затем в приемнике угол пеленга можно вычислить, взяв арктангенс отношения сигналов с севера на юг к сигналу с востока на запад.

Корреляционный интерферометр

Основной принцип работы корреляционного интерферометра заключается в сравнении измеренных разностей фаз с разностями фаз, полученными для пеленгаторной антенной системы известной конфигурации при известном угле волны (набор справочных данных). Для этого как минимум три антенных элемента (с характеристиками всенаправленного приема) должны образовывать неколлинеарную основу. Сравнение производится для разных значений азимута и угла места опорного набора данных. Результат пеленга получается на основе корреляционной и стохастической оценки, для которой коэффициент корреляции имеет максимум. Если пеленгаторные антенные элементы имеют направленную диаграмму направленности, то в сравнение может быть включена амплитуда.

Обычно пеленгаторная система корреляционного интерферометра состоит из более чем пяти антенных элементов. Они сканируются один за другим с помощью специальной матрицы переключения. В многоканальной пеленгационной системе n антенных элементов объединяются с m каналами приемника для улучшения характеристик пеленгационной системы.

Приложения

Радионавигация

Портативный автоматический пеленгатор GT-302 Accumatic с батарейным питанием для морского использования.

Радиопеленгация , радиопеленгатор , или RDF , когда-то была основным авиационным навигационным средством. ( Дальномерность и пеленгация — аббревиатура, используемая для описания предшественника радара . ^[2] ) Маяки использовались для обозначения пересечений «воздушных трасс» и для определения процедур вылета и захода на посадку. Поскольку передаваемый сигнал не содержит информации о пеленге или расстоянии, в мире авиации эти маяки называются ненаправленными маяками или NDB . Начиная с 1950-х годов эти маяки обычно были заменены системой VOR , в которой пеленг на навигационное средство измеряется на основе самого сигнала ; поэтому не требуется никакой специальной антенны с движущимися частями. Из-за относительно низких затрат на приобретение, обслуживание и калибровку NDB до сих пор используются для обозначения местоположений небольших аэродромов и важных площадок для посадки вертолетов.

Подобные маяки, расположенные в прибрежных районах, также используются для морской радионавигации, поскольку почти каждое судно было оборудовано пеленгатором (Appleyard, 1988). Сегодня (2008 г.) остаются активными очень немногие морские радионавигационные маяки, поскольку корабли отказались от навигации через RDF в пользу GPS-навигации.

В Соединенном Королевстве служба радиопеленгации доступна на частотах 121,5 МГц и 243,0 МГц для пилотов самолетов, терпящих бедствие или испытывающих трудности. Служба базируется на ряде радиопеленгаторов, расположенных в гражданских и военных аэропортах, а также на некоторых станциях береговой охраны Ее Величества. ^[11] Эти станции могут получить «фиксацию» самолета и передать ее по радио пилоту.

Локализатор ILS

Морская и авиационная навигация

Историческая реклама радиокомпаса Kolster

Компоненты радиокомпаса Р-5/АРН7 с блоком радиоуправления (слева), индикатором (в центре) и блоком радиокомпаса (справа)

Радиопередатчики для воздушной и морской навигации известны как маяки и являются радиоэквивалентом маяка . Передатчик отправляет передачу кода Морзе на длинных волнах (150–400 кГц) или средних волнах (520–1720 кГц), включая идентификатор станции, который используется для подтверждения станции и ее рабочего состояния. Поскольку эти радиосигналы передаются во всех направлениях (всенаправленно) в течение дня, сам сигнал не включает в себя информацию о направлении, и поэтому эти радиомаяки называются ненаправленными маяками или NDB .

Поскольку диапазон коммерческого средневолнового вещания находится в пределах частотных возможностей большинства устройств RDF, эти станции и их передатчики также могут использоваться для определения навигационных целей. Хотя эти коммерческие радиостанции могут быть полезны из-за их высокой мощности и расположения вблизи крупных городов, между местоположением станции и ее передатчиком может быть несколько миль, что может снизить точность «фиксации» при приближении к транслируемому городу. Вторым фактором является то, что некоторые AM-радиостанции днем ​​работают всенаправленно, а ночью переключаются на направленный сигнал пониженной мощности.

RDF когда-то был основной формой авиации и морской навигации. Ряды маяков образовывали «воздушные пути» от аэропорта к аэропорту, а морские NDB и коммерческие радиовещательные станции AM оказывали навигационную помощь небольшим судам, приближающимся к берегу. В Соединенных Штатах коммерческие AM-радиостанции должны были передавать идентификатор своей станции один раз в час для использования пилотами и моряками в качестве вспомогательного средства навигации. В 1950-х годах авиационные NDB были дополнены системой VOR , в которой направление на маяк можно определить из самого сигнала, отсюда и различие с ненаправленными маяками. Использование морских NDB было в значительной степени вытеснено в Северной Америке разработкой LORAN в 1970-х годах.

Сегодня многие NDB выведены из эксплуатации в пользу более быстрых и гораздо более точных навигационных систем GPS . Однако низкая стоимость систем ADF и RDF, а также продолжающееся существование радиовещательных станций AM (а также навигационных маяков в странах за пределами Северной Америки) позволили этим устройствам продолжать функционировать, в первую очередь для использования на небольших лодках, в качестве вспомогательного или вспомогательного средства. резервное копирование на GPS.

Местоположение незаконных, секретных или враждебных передатчиков – SIGINT

Грузовик RDF британского почтового отделения 1927 года для поиска нелицензированных любительских радиопередатчиков . Его также использовали для поиска регенеративных приемников , которые излучали мешающие сигналы из-за обратной связи, что было большой проблемой в то время.

Во время Второй мировой войны значительные усилия были затрачены на выявление секретных передатчиков в Соединенном Королевстве (Великобритания) путем пеленгации. Работу взяла на себя Служба радиобезопасности (РСС, также МИ-8). Первоначально три станции U Adcock HF DF были открыты в 1939 году Главпочтамтом. После объявления войны МИ5 и RSS превратили эту сеть в более крупную. Одной из проблем с обеспечением покрытия территории размером с Великобританию была установка достаточного количества радиопеленгаторов для покрытия всей территории и приема сигналов ионосферной волны , отраженных обратно от ионизированных слоев в верхних слоях атмосферы. Даже при расширенной сети некоторые районы не были должным образом покрыты, и по этой причине для обнаружения незаконных передач по земной волне было привлечено до 1700 добровольных перехватчиков (радиолюбителей) . Помимо стационарных станций, RSS управляла парком мобильных пеленгаторов по всей Великобритании. Если передатчик был идентифицирован стационарными радиопеленгаторами или добровольными перехватчиками, мобильные устройства отправлялись в этот район для обнаружения источника. Мобильными подразделениями были системы HF Adcock.

К 1941 году в Великобритании было выявлено всего несколько незаконных передатчиков; это были немецкие агенты, которые были «перевернуты» и вели передачу под контролем МИ-5. Было зарегистрировано множество незаконных передач, исходящих от немецких агентов в оккупированных и нейтральных странах Европы. Трафик стал ценным источником разведывательной информации, поэтому контроль над RSS впоследствии перешел к МИ-6, которая отвечала за секретную разведывательную информацию, поступающую из-за пределов Великобритании. До 1945 года объем и значение операций по пеленгации и перехвату возрастали.

ВЧ-станции Adcock состояли из четырех 10-  метровых вертикальных антенн, окружающих небольшую деревянную хижину операторов, содержащую приемник и радиогониометр, который был настроен для определения пеленга. Также использовались СВ-станции, в которых использовались четыре 30-  метровые решетчатые башенные антенны с оттяжками. В 1941 году RSS начала экспериментировать с пеленгаторами с разнесенной петлей, разработанными компанией Маркони и Национальными физическими лабораториями Великобритании . Они состояли из двух параллельных петель  площадью от 1 до 2 м на концах вращающейся  балки длиной от 3 до 8 м. Угол луча объединялся с результатами радиогониометра для определения пеленга. Полученный пеленг был значительно более четким, чем тот, который был получен с помощью системы U Adcock, но были неясности, которые помешали установке семи предложенных систем SL DF. Оператор системы SL находился в металлическом подземном резервуаре под антеннами. Было установлено семь подземных резервуаров, но только две системы SL были установлены в Уаймондхэме, Норфолке и Уиверторпе в Йоркшире. Возникли проблемы, в результате которых оставшиеся пять подземных резервуаров были оснащены системами Adcock. Вращающаяся антенна SL поворачивалась вручную, что означало, что последовательные измерения происходили намного медленнее, чем вращение шкалы гониометра.

Еще одна экспериментальная станция с разнесенной петлей была построена недалеко от Абердина в 1942 году для Министерства авиации с полуподземным бетонным бункером. От этого тоже отказались из-за трудностей в эксплуатации. К 1944 году была разработана мобильная версия разнесенной петли, которая использовалась RSS во Франции после вторжения в Нормандию в день Д.

Военные США использовали береговую версию DF с разнесенной петлей во время Второй мировой войны под названием «DAB». Петли были размещены на концах балки, все они располагались внутри деревянной хижины, а электроника находилась в большом шкафу с дисплеем на электронно-лучевой трубке в центре балки, и все поддерживалось на центральной оси. Балка вращалась оператором вручную.

В 1944 году Королевский флот представил вариант береговых радиопеленгаторов для отслеживания подводных лодок в Северной Атлантике. Они построили группы из пяти радиопеленгаторов, чтобы пеленги отдельных станций в группе можно было объединить и получить среднее значение. Четыре таких группы были построены в Великобритании в Форд-Энде , Эссексе, Гунхаверне, Корнуолле, Анструтере и Бауэрмаддене в Шотландском Хайленде. Группы были также построены в Исландии, Новой Шотландии и на Ямайке. Ожидаемые улучшения не были реализованы, но позже статистические работы улучшили систему, и группы Гунхаверн и Форд-Энд продолжали использоваться во время холодной войны. Королевский флот также развернул пеленгаторное оборудование на кораблях, которым было поручено вести противолодочную войну , чтобы попытаться обнаружить немецкие подводные лодки, например, фрегаты класса «Капитан» были оснащены среднечастотной пеленгаторной антенной (MF/DF) (антенна была установлена ​​спереди). мостика) и высокочастотной пеленгации (HF/DF, «Хаффдафф») антенна типа FH 4 (антенна устанавливалась на вершине грот-мачты). ^[12]

Подробный справочник по беспроводной пеленгации времен Второй мировой войны был написан Роландом Кином, руководителем инженерного отдела RSS в Ханслоуп-парке. Упомянутые здесь пеленгационные системы подробно описаны в его книге « Беспроводная пеленгация» 1947 года . ^[13]

В конце Второй мировой войны ряд пеленгаторных станций RSS продолжали работать и во время холодной войны под контролем GCHQ, британской организации SIGINT.

Большая часть усилий по пеленгации в Великобритании сейчас (2009 г.) направлена ​​на обнаружение несанкционированных « пиратских » радиопередач FM-радиовещания. Сеть дистанционно управляемых УКВ-пеленгаторов используется в основном вокруг крупных городов. Передачи с трубок мобильных телефонов также определяются с помощью пеленгации с использованием сравнительной мощности сигнала на окружающих местных приемниках «соты». Этот метод часто предлагается в качестве доказательства в уголовных преследованиях в Великобритании и, почти наверняка, для целей SIGINT. ^[14]

Экстренная помощь

Аварийные аварийно-спасательные маяки широко используются на гражданских самолетах и ​​кораблях. Исторически сложилось так, что передатчики аварийного местоположения посылали только тональный сигнал и полагались на пеленгацию поискового самолета для определения местоположения маяка. Современные аварийные маяки передают уникальный идентификационный сигнал, который может включать данные о местоположении GPS , которые могут помочь в определении точного местоположения передатчика.

Лавинные трансиверы работают на стандартной частоте 457 кГц и предназначены для помощи в обнаружении людей и оборудования, погребенных под лавинами. Поскольку мощность маяка настолько мала, в направленности радиосигнала преобладают мелкомасштабные эффекты поля ^[15] , и его может быть довольно сложно обнаружить.

Отслеживание дикой природы

Определение радиометок животных методом триангуляции — широко применяемый исследовательский метод изучения передвижения животных. Этот метод был впервые использован в начале 1960-х годов, когда радиопередатчики и батареи стали достаточно маленькими, чтобы их можно было прикреплять к дикой природе, и сейчас широко применяется для различных исследований дикой природы. В большинстве случаев отслеживание диких животных, оснащенных радиопередатчиком, осуществляется полевым исследователем с использованием портативного радиопеленгатора. Когда исследователь хочет найти конкретное животное, его местоположение можно триангулировать, определяя направление к передатчику из нескольких мест.

Разведка

Фазированные решетки и другие передовые антенные технологии используются для отслеживания запусков ракетных систем и их траекторий. Эти системы могут использоваться в оборонительных целях, а также для получения разведывательной информации о работе ракет , принадлежащих другим странам. Эти же методы используются для обнаружения и отслеживания обычных самолетов .

Астрономия

Наземные приемники могут обнаруживать радиосигналы, исходящие от далеких звезд или областей ионизированного газа. Приемники радиотелескопов могут определять общее направление таких естественных радиоисточников, иногда сопоставляя их местоположение с объектами, видимыми в оптические телескопы. Точное измерение времени прихода радиоимпульсов двумя радиотелескопами в разных местах Земли или одним и тем же телескопом в разное время на орбите Земли вокруг Солнца также может позволить оценить расстояние до радиообъекта.

Спорт

Мероприятия, проводимые группами и организациями, которые предусматривают использование навыков радиопеленгации для обнаружения передатчиков в неизвестных местах, стали популярны после окончания Второй мировой войны. ^[16] Многие из этих мероприятий были впервые организованы с целью попрактиковаться в использовании методов радиопеленгации для реагирования на стихийные бедствия и в целях гражданской обороны или для отработки определения источника радиочастотных помех . Самый популярный во всем мире вид спорта известен как любительская радиопеленгация или международная аббревиатура ARDF. Другая форма деятельности, известная как « охота на передатчик », «мобильная Т-охота» или «охота на лис», происходит на более обширной географической территории, например, в агломерации большого города, и большинство участников путешествуют на автотранспортных средствах , в то время как попытка обнаружить один или несколько радиопередатчиков с помощью методов радиопеленгации.

Выбор радиопеленгаторных станций

• 
  Антенны RDF
  ( остров Галета )
• 
  VORTAC
  (обеспечение наведения по азимуту )
• 
  RDF на 121,5 МГц
  ( аварийная частота самолета )
• 
  Aerial 121,5/156,8 МГц
  (самолет с аварийным радиомаяком)
• 
  Станция РДФ 410 кГц
• 
  Морская станция РДФ (ГТ-302)
• 
  Морская станция РДФ
  (Пеленгатор)

Пеленгация на сверхвысокочастотных частотах

Методы пеленгации микроволновых частот были разработаны в 1940-х годах в ответ на рост числа передатчиков, работающих на этих более высоких частотах. Это потребовало разработки новых антенн и приемников для пеленгационных систем.

В военно-морских системах возможности пеленгации стали частью комплекса мер электронной поддержки (ESM), ^{[17] : 6  [18] : 126  [19] : 70} , где полученная информация о направлении дополняет другие процессы идентификации сигналов. В самолетах система пеленгации предоставляет дополнительную информацию для приемника радиолокационного предупреждения (RWR).

Со временем возникла необходимость улучшить характеристики систем радиопеленгации, чтобы противостоять тактике уклонения, используемой некоторыми операторами, такой как радары с низкой вероятностью перехвата и скрытые каналы передачи данных .

Краткая история развития СВЧ

Ранее в этом столетии электронные лампы (термоэлектронные клапаны) широко использовались в передатчиках и приемниках, но их высокочастотные характеристики были ограничены эффектами времени прохождения. ^{[20] : 192  [21] : 394  [22] : 206} Даже при использовании специальных процессов для уменьшения длины выводов, ^[23] таких как конструкция рамочной сетки, используемая в EF50 , и плоская конструкция, ^{[20] : 192} очень мало трубки могли работать выше УВЧ .

В 1930-е годы велась интенсивная исследовательская работа по разработке передающих ламп именно для СВЧ-диапазона, включавшая, в частности, клистрон ^{[24] [20] : 201,} резонаторный магнетрон ^{[20] : 347  [24] : 45} и лампа бегущей волны (ЛБВ). ^{[20] : 241  [24] : 48} После успешной разработки этих трубок в следующем десятилетии началось их крупномасштабное производство.

Преимущества работы в микроволновой печи

Микроволновые сигналы имеют короткие длины волн, что приводит к значительному улучшению разрешения цели по сравнению с радиочастотными системами. Это позволяет лучше идентифицировать несколько целей, а также повышает точность направления. ^[25] Кроме того, антенны небольшие, поэтому их можно собрать в компактные массивы, и, кроме того, они могут обеспечить четко определенные диаграммы направленности, что может обеспечить узкие лучи с высоким коэффициентом усиления, предпочитаемым радарами и линиями передачи данных .

Другими преимуществами нового доступного микроволнового диапазона было отсутствие замираний (часто проблема в коротковолновом радиодиапазоне (КВ)) и значительное увеличение спектра сигнала по сравнению с уже используемыми перегруженными радиочастотными диапазонами. Помимо возможности принимать гораздо больше сигналов, теперь стала возможной возможность использовать методы расширения спектра и скачкообразной перестройки частоты .

После того как микроволновая техника получила распространение, этот диапазон быстро расширился как военными, так и коммерческими пользователями.

Антенны для пеленгации

Антенны для пеленгации должны отвечать требованиям, отличным от требований для радаров или линий связи, где антенна с узким лучом и высоким коэффициентом усиления обычно является преимуществом. Однако при выполнении пеленгации пеленг источника может быть неизвестен, поэтому обычно выбирают антенны с широкой шириной диаграммы направленности , даже если они имеют меньший коэффициент усиления в направлении оси антенны . Кроме того, антенны должны перекрывать широкую полосу частот.

The figure shows the normalized polar plot of a typical antenna gain characteristic, in the horizontal plane. The half-power beamwidth of the main beam is 2 × Ψ₀. Preferably, when using amplitude comparison methods for direction finding, the main lobe should approximate to a Gaussian characteristic. Although the figure also shows the presence of sidelobes, these are not a major concern when antennas are used in a DF array.

Typically, the boresight gain of an antenna is related to the beam width.^[26]: 257 For a rectangular horn, Gain ≈ 30000/BW_h.BW_v, where BW_h and BW_v are the horizontal and vertical antenna beamwidths, respectively, in degrees. For a circular aperture, with beamwidth BW_c, it is Gain ≈ 30000/BW_c².

Two antenna types, popular for DF, are cavity-backed spirals and horn antennas.

• 
  Antenna polar plot
• 
  Antenna log plot
• 
  Cavity backed spiral
• 
  Pyramidal horn

Spiral antennas are capable of very wide bandwidths ^{[26]: 252 [27]} and have a nominal half-power beamwidth of about 70deg, making them very suitable for antenna arrays containing 4, 5 or 6 antennas.^[18]: 41

For larger arrays, needing narrower beamwidths, horns may be used. The bandwidths of horn antennas may be increased by using double-ridged waveguide feeds^{[28][18]: 72} and by using horns with internal ridges.^{[29]: 267 [30]: 181}

Microwave receivers

Early receivers

Early microwave receivers were usually simple "crystal-video" receivers,^{[31]: 169 [18]: 172 [32]} which use a crystal detector followed by a video amplifier with a compressive characteristic to extend the dynamic range. Such a receiver was wideband but not very sensitive. However, this lack of sensitivity could be tolerated because of the "range advantage" enjoyed by the DF receiver (see below).

Klystron and TWT preamplifiers

The klystron and TWT are linear devices and so, in principle, could be used as receiver preamplifiers. However, the klystron was quite unsuitable as it was a narrow-band device and extremely noisy^[21]: 392 and the TWT, although potentially more suitable,^[21]: 548 has poor matching characteristics and large bulk, which made it unsuitable for multi-channel systems using a preamplifier per antenna. However, a system has been demonstrated, in which a single TWT preamplifier selectively selects signals from an antenna array.^[33]

Transistor preamplifiers

Transistors suitable for microwave frequencies became available towards the end of the 1950s. The first of these was the metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). Others followed, for example, the metal-semiconductor field-effect transistor and the high electron mobility transistor (HEMT). Initially, discrete transistors were embedded in stripline or microstrip circuits, but microwave integrated circuits followed. With these new devices, low-noise receiver preamplifiers became possible, which greatly increased the sensitivity, and hence the detection range, of DF systems.

Range advantage

Source:^[34]

The DF receiver enjoys a detection range advantage^[35] over that of the radar receiver. This is because the signal strength at the DF receiver, due to a radar transmission, is proportional to 1/R² whereas that at the radar receiver from the reflected return is proportional to σ/R⁴, where R is the range and σ is the radar cross-section of the DF system.^[36] This results in the signal strength at the radar receiver being very much smaller than that at the DF receiver. Consequently, in spite of its poor sensitivity, a simple crystal-video DF receiver is, usually, able to detect the signal transmission from a radar at a greater range than that at which the Radar's own receiver is able to detect the presence of the DF system.^[18]: 8

In practice, the advantage is reduced by the ratio of antenna gains (typically they are 36 dB and 10 dB for the Radar and ESM, respectively) and the use of Spread spectrum techniques, such as Chirp compression, by the Radar, to increase the processing gain of its receiver. On the other hand, the DF system can regain some advantage by using sensitive, low-noise, receivers and by using Stealth practices to reduce its radar cross-section,^[29]: 292 as with Stealth aircraft and Stealth ships.

The new demands on DF systems

The move to microwave frequencies meant a reappraisal of the requirements of a DF system.^[37] Now, the receiver could no longer rely on a continuous signal stream on which to carry out measurements. Radars with their narrow beams would only illuminate the antennas of the DF system infrequently. Furthermore, some radars wishing to avoid detection (those of smugglers, hostile ships and missiles) would radiate their signals infrequently and often at low power.^[38] Such a system is referred to as a low-probability-of-intercept radar.^[39][40] In other applications, such as microwave links, the transmitter's antenna may never point at the DF receiver at all, so reception is only possible by means of the signal leakage from antenna side lobes. In addition, covert Data links^[41] may only radiate a high data rate sequence very occasionally.

In general, in order to cater for modern circumstances, a broadband microwave DF system is required to have high sensitivity and have 360° coverage in order to have the ability to detect single pulses (often called amplitude monopulse) and achieve a high "Probability of Intercept" (PoI).^[42]

DF by amplitude comparison

Amplitude comparison has been popular as a method for DF because systems are relatively simple to implement, have good sensitivity and, very importantly, a high probability of signal detection.^{[43]: 97 [18]: 207} Typically, an array of four, or more, squinted directional antennas is used to give 360 degree coverage.^{[44]: 155 [18]: 101 [45]: 5–8.7 [43]: 97 [46]} DF by phase comparison methods can give better bearing accuracy,^{[45]: 5–8.9} but the processing is more complex. Systems using a single rotating dish antenna are more sensitive, small and relatively easy to implement, but have poor PoI.^[42]

Usually, the signal amplitudes in two adjacent channels of the array are compared, to obtain the bearing of an incoming wavefront but, sometimes, three adjacent channels are used to give improved accuracy. Although the gains of the antennas and their amplifying chains have to be closely matched, careful design and construction and effective calibration procedures can compensate for shortfalls in the hardware. Overall bearing accuracies of 2° to 10° (rms) have been reported ^[45][47] using the method.

Two-channel DF

Two-port DF, polar plot (normalized)

Two-port DF, log scale (normalized)

Power Diff. (dB) v. Bearing

Two-channel DF, using two adjacent antennas of a circular array, is achieved by comparing the signal power of the largest signal with that of the second largest signal. The direction of an incoming signal, within the arc described by two antennas with a squint angle of Φ, may be obtained by comparing the relative powers of the signals received. When the signal is on the boresight of one of the antennas, the signal at the other antenna will be about 12 dB lower. When the signal direction is halfway between the two antennas, signal levels will be equal and approximately 3 dB lower than the boresight value. At other bearing angles, φ, some intermediate ratio of the signal levels will give the direction.

If the antenna main lobe patterns have a Gaussian characteristic, and the signal powers are described in logarithmic terms (e.g. decibels (dB) relative to the boresight value), then there is a linear relationship between the bearing angle φ and the power level difference, i.e. φ ∝ (P1(dB) - P2(dB)), where P1(dB) and P2(dB) are the outputs of two adjacent channels. The thumbnail shows a typical plot.

To give 360° coverage, antennas of a circular array are chosen, in pairs, according to the signal levels received at each antenna. If there are N antennas in the array, at angular spacing (squint angle) Φ, then Φ = 2π/N radians (= 360/N degrees).

Basic equations for two-port DF

If the main lobes of the antennas have a Gausian characteristic, then the output P₁(φ), as a function of bearing angle φ, is given by^[18]: 238

${\displaystyle P_{1}(\phi )=G_{0}.\exp {\Bigr [}-A.{\Big (}{\frac {\phi }{\Psi _{0}}}{\Big )}^{2}{\Bigr ]}}$

where

G₀ is the antenna boresight gain (i.e. when ø = 0),

Ψ₀ is one half the half-power beamwidth

A = -\ln(0.5), so that P₁(ø)/P1₀ = 0.5 when ø = Ψ₀

and angles are in radians.

The second antenna, squinted at Phi and with the same boresight gain G₀ gives an output

${\displaystyle P_{2}=G_{0}.\exp {\Bigr [}-A.{\Big (}{\frac {\Phi -\phi }{\Psi _{0}}}{\Big )}^{2}{\Bigr ]}}$

Comparing signal levels,

${\displaystyle {\frac {P_{1}}{P_{2}}}={\frac {\exp {\big [}-A.(\phi /\Psi _{0})^{2}{\big ]}}{\exp {\Big [}-A{\big [}(\Phi -\phi )/\Psi _{0}{\big ]}^{2}{\Big ]}}}=\exp {\Big [}{\frac {A}{\Psi _{0}^{2}}}.(\Phi ^{2}-2\Phi \phi ){\Big ]}}$

The natural logarithm of the ratio is

${\displaystyle \ln {\Big (}{\frac {P_{1}}{P_{2}}}{\Big )}=\ln(P_{1})-\ln(P_{2})={\frac {A}{\Psi _{0}^{2}}}.(\Phi ^{2}-2\Phi \phi )}$

Rearranging

${\displaystyle \phi ={\frac {\Psi _{0}^{2}}{2A.\Phi }}.{\big [}\ln(P_{2})-\ln(P_{1}){\big ]}+{\frac {\Phi }{2}}}$

This shows the linear relationship between the output level difference, expressed logarithmically, and the bearing angle ø.

Natural logarithms can be converted to decibels (dBs) (where dBs are referred to boresight gain) by using ln(X) = X(dB)/(10.\log₁₀(e)), so the equation can be written

${\displaystyle \phi ={\frac {\Psi _{0}^{2}}{6.0202\Phi }}.{\big [}P_{2}(dB)-P_{1}(dB){\big ]}+{\frac {\Phi }{2}}}$

Three-channel DF

Three-port DF, polar plot (normalized)

Three-port DF, log scale (normalized)

Improvements in bearing accuracy may be achieved if amplitude data from a third antenna are included in the bearing processing.^{[48][44]: 157}

For three-channel DF, with three antennas squinted at angles Φ, the direction of the incoming signal is obtained by comparing the signal power of the channel containing the largest signal with the signal powers of the two adjacent channels, situated at each side of it.

For the antennas in a circular array, three antennas are selected according to the signal levels received, with the largest signal present at the central channel.

When the signal is on the boresight of Antenna 1 (φ = 0), the signal from the other two antennas will equal and about 12 dB lower. When the signal direction is halfway between two antennas (φ = 30°), their signal levels will be equal and approximately 3 dB lower than the boresight value, with the third signal now about 24 dB lower. At other bearing angles, ø, some intermediate ratios of the signal levels will give the direction.

Basic equations for three-port DF

For a signal incoming at a bearing ø, taken here to be to the right of boresight of Antenna 1:

Channel 1 output is

${\displaystyle P_{1}=G_{T}.\exp {\Bigr [}-A.{\Big (}{\frac {\phi }{\Psi _{0}}}{\Big )}^{2}{\Bigr ]}}$

Channel 2 output is

${\displaystyle P_{2}=G_{T}.\exp {\Bigr [}-A.{\Big (}{\frac {\Phi -\phi }{\Psi _{0}}}{\Big )}^{2}{\Bigr ]}}$

Channel 3 output is

${\displaystyle P_{3}=G_{T}.\exp {\Bigr [}-A.{\Big (}{\frac {\Phi +\phi }{\Psi _{0}}}{\Big )}^{2}{\Bigr ]}}$

where G_T is the overall gain of each channel, including antenna boresight gain, and is assumed to be the same in all three channels. As before, in these equations, angles are in radians, Φ = 360/N degrees = 2 π/N radians and A = -ln(0.5).

As earlier, these can be expanded and combined to give:

${\displaystyle \ln(P_{1})-\ln(P_{2})={\frac {A}{\Psi _{0}^{2}}}.(\Phi ^{2}-2\Phi \phi )}$

${\displaystyle \ln(P_{1})-\ln(P_{3})={\frac {A}{\Psi _{0}^{2}}}.(\Phi ^{2}+2\Phi \phi )}$

Eliminating A/Ψ₀² and rearranging

${\displaystyle \phi ={\frac {\Delta _{1,2}-\Delta _{1,3}}{\Delta _{1,2}+\Delta _{1,3}}}.{\frac {\Phi }{2}}={\frac {\Delta _{2,3}}{\Delta _{1,2}+\Delta _{1,3}}}.{\frac {\Phi }{2}}}$

where Δ_1,3 = \ln(P₁) - ln(P₃), Δ_1,2 = \ln(P₁) - \ln(P₂) and Δ_2,3 = \ln(P₂) - \ln(P₃),

The difference values here are in nepers but could be in decibels.

The bearing value, obtained using this equation, is independent of the antenna beamwidth (= 2.Ψ0), so this value does not have to be known for accurate bearing results to be obtained. Also, there is a smoothing affect, for bearing values near to the boresight of the middle antenna, so there is no discontinuity in bearing values there, as an incoming signals moves from left to right (or vice versa) through boresight, as can occur with 2-channel processing.

Bearing uncertainty due to noise

Many of the causes of bearing error, such as mechanical imperfections in the antenna structure, poor gain matching of receiver gains, or non-ideal antenna gain patterns may be compensated by calibration procedures and corrective look-up tables, but thermal noise will always be a degrading factor. As all systems generate thermal noise^[49][50] then, when the level of the incoming signal is low, the signal-to-noise ratios in the receiver channels will be poor, and the accuracy of the bearing prediction will suffer.

In general, a guide to bearing uncertainty is given by ^[45][51]>^{: 82  [31]: 91 [52]: 244}

${\displaystyle \Delta \phi _{RMS}=0.724{\frac {2.\Psi _{0}}{\sqrt {SNR_{0}}}}}$ degrees

for a signal at crossover, but where SNR₀ is the signal-to-noise ratio that would apply at boresight.

To obtain more precise predictions at a given bearing, the actual S:N ratios of the signals of interest are used. (The results may be derived assuming that noise induced errors are approximated by relating differentials to uncorrelated noise).

For adjacent processing using, say, Channel 1 and Channel 2, the bearing uncertainty (angle noise), Δø (rms), is given below.^{[18][31]: 91 [53]} In these results, square-law detection is assumed and the SNR figures are for signals at video (baseband), for the bearing angle φ.

${\displaystyle \Delta \phi _{RMS}={\frac {\Phi }{2}}.{\frac {\Psi _{0}^{2}}{-ln(0.5).\Phi }}.{\sqrt {{\frac {1}{SNR_{1}}}+{\frac {1}{SNR_{2}}}}}}$ rads

where SNR₁ and SNR₂ are the video (base-band) signal-to-noise values for the channels for Antenna 1 and Antenna 2, when square-law detection is used.

In the case of 3-channel processing, an expression which is applicable when the S:N ratios in all three channels exceeds unity (when ln(1 + 1/SNR) ≈ 1/SNR is true in all three channels), is

${\displaystyle \Delta \phi _{rms}={\frac {1}{-2.ln(0.5)}}.{\frac {\Psi _{0}^{2}}{\Phi ^{2}}}.{\sqrt {{\bigg (}\phi +{\frac {\Phi }{2}}{\bigg )}^{2}.{\frac {1}{SNR_{2}}}+{\frac {4.\phi ^{2}}{SNR_{1}}}+{\bigg (}\phi -{\frac {\Phi }{2}}{\bigg )}^{2}.{\frac {1}{SNR_{3}}}}}}$

where SNR₁, SNR₂ and SNR₃ are the video signal-to-noise values for Channel 1, Channel 2, and Channel 3 respectively, for the bearing angle φ.

A typical DF system with six antennas

Six-port DF system

A schematic of a possible DF system,^[18]: 101 employing six antennas,^[54][55] is shown in the figure.

The signals received by the antennas are first amplified by a low-noise preamplifier before detection by detector-log-video-amplifiers (DLVAs).^[56][57][58] The signal levels from the DLVAs are compared to determine the angle of arrival. By considering the signal levels on a logarithmic scale, as provided by the DLVAs, a large dynamic range is achieved ^[56]: 33 and, in addition, the direction finding calculations are simplified when the main lobes of antenna patterns have a Gaussian characteristic, as shown earlier.

A necessary part of the DF analysis is to identify the channel which contains the largest signal and this is achieved by means of a fast comparator circuit.^[44] In addition to the DF process, other properties of the signal may be investigated, such as pulse duration, frequency, pulse repetition frequency (PRF) and modulation characteristics.^[45] The comparator operation usually includes hysteresis, to avoid jitter in the selection process when the bearing of the incoming signal is such that two adjacent channels contain signals of similar amplitude.

Often, the wideband amplifiers are protected from local high power sources (as on a ship) by input limiters and/or filters. Similarly the amplifiers might contain notch filters to remove known, but unwanted, signals which could impairs the system's ability to process weaker signals. Some of these issues are covered in RF chain.

See also

• Amplitude monopulse
• AN/FLR-9, a cold war US Air Force HF direction finding system.
• AN/FRD-10, a cold war US Navy HF direction finding system.
• Battle of the Beams
• Electric beacon
• Geolocation
• Indoor positioning system
• MUSIC (algorithm)
• Phase interferometry
• Position fixing
• Radio determination
• Radio fix
• Radio location
• Real-time locating system
• TDOA
• VOR/DME
• Wullenweber

References

1. "Next Gen Implementation Plan 2013" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2013-10-23.
2. "Radar (Radio Direction Finding) – The Eyes of Fighter Command".
3. Yeang 2013, p. 187.
4. Baker 2013, p. 150.
5. Howeth 1963, p. 261.
6. Yeang 2013, p. 188.
7. "Broadcast Station Can Guide Flyer", April 1931, Popular Science
8. "Die Geschichte des Funkpeilens". www.seefunknetz.de. Retrieved 2023-08-11.
9. Bauer, Arthur O. (27 December 2004). "HF/DF An Allied Weapon against German U-boats 1939–1945" (PDF). Retrieved 2008-01-26. A paper on the technology and practice of the HF/DF systems used by the Royal Navy against U-boats in World War II
10. Gebhard, Louis A "Evolution of Naval Radio-Electronics and Contributions of the Naval Research Laboratory" (1979)
11. Smith, D.J. (2005). Air Band Radio Handbook (8th ed.). Sutton Publishing. pp. 104–105. ISBN 0-7509-3783-1.
12. Elliott (1972), p. 264
13. Keen, R (1947). Wireless Direction Finding (4th ed.). London, UK: Iliffe.
14. deRosa, L.A. (1979). "Direction Finding". In J.A. Biyd; D.B. Harris; D.D. King; H.W. Welch Jr. (eds.). Electronic Countermeasures. Los Altos, CA: Peninsula Publishing. ISBN 0-932146-00-7.
15. *J. Hereford & B. Edgerly (2000). "457 kHz Electromagnetism and the Future of Avalanche Transceivers" (PDF). International Snow Science Workshop (ISSW 2000). Archived from the original (PDF) on July 22, 2011.
16. Titterington, B.; Williams, D.; Dean, D. (2007). Radio Orienteering – The ARDF Handbook. Radio Society of Great Britain. ISBN 978-1-905086-27-6.
17. Tsui J.B., "Microwave Receivers with Electronic Warfare Applications", Kreiber, 1992
18. Lipsky S.E., "Microwave Passive Direction Finding", Wiley 1987
19. Richardson D, "Techniques and Equipment of Electronic Warfare", Arco Publishing N.Y., 1985
20. Gilmour jnr. A.S., "Microwave Tubes", Artech House, 1986
21. Beck, A. H. W., "Thermionic Valves", Cambridge University Press, 1953
22. Baden Fuller A. J., "Microwaves"Pergamon Press, 1979
23. Hooijmans P., "Philip's tuner history". Find at http://maximus-randd.com/tv-tuner-history-pt1.html
24. Gupta K.C., "Microwaves", New Age Intnl. Pub., 2012
25. Tutorial, "Advantages of Microwaves", Microwave Engineering Introduction article
26. Stutzman W.L. & Thiele G.A., "Antenna Theory and Design", 2nd Ed., Wiley 1998.
27. Morgan T.E., "Spiral Horns for ESM", IEE proc., Vol. 132, Pt. F., No. 4, July 1985, pp. 245 - 251
28. Milligan T.A., "Modern Antenna Design", 2nd Ed., Wiley 2005
29. Kingsley S. and Quegan S., "Understanding Radar Systems", McGraw -Hill 1992, SciTech Publishing, 1999
30. Clarricoats P.J.B and Olver A.D., "Corrugated horns for microwave antennas", Peter Perigrinus 1984
31. Wiley R. G., Electronic Intelligence: The Interception of Radar Signals, Artech House, 1985
32. Lipkin H.J., "Crystal-Video Receivers", MIT Radiation Series Vol 23, Microwave Receivers, Chapter 19 pp.504-506. Find at: https://archive.org/details/MITRadiationLaboratorySeries23MicrowaveReceivers
33. Kiely D.G., "Advances in microwave direction finding", Proc. IEE, Vol. 113, No.11, Nov 1964, pp. 1967–1711
34. East P.W., "ESM Range Advantage", IEE Proceedings F - Communications, Radar and Signal Processing, Vol.132, No.4, Jul 1985, pp. 223 - 225
35. Davidson K., "Electronic Support Sensors". Find at: https://radar-engineer.com/files/Lecture_ES_Sensors.pdf
36. Connor F.R., "Antennas", Edward Arnold, 1972, p.8.
37. Woolier D.F., "System considerations for naval ESM", IEE Proc. Vol. 132, Pt. F, No. 4, July 1985.
38. Wise J.C., "A Perspective on EW Receiver Design", Tech. Report APA-TR-2009-1102, J.C. Wise and Associates, Nov. 2009, Find at:. https://ausairpower.net/APA-Maritime-ESM.html
39. Davidson K., "Low Probability of Intercept", find at: http://radar-engineer.com/files/Lecture_LPI_Radar.pdf
40. Stove A.G. Hume A.L. and Baker C.j., "Low probability of intercept radar strategies", IEE Proc. Sonar Navig., Vol. 151, No. 5, October 2004
41. Mills R.F. and Prescott G.E., "Detectability Models for Multiple Access Low-Probability-of-Intercept Networks", IEEE Trans on Aerospace and Electronic System, Vol.36, No.3, July 2000, pp> 848-858.
42. Hatcher B.R., "EW Acquisition Systems - probability of intercept and intercept times", Watkins-Johnson Tech-notes Vol. 3, No. 3, May/June 1976
43. Tsui J.B., "Microwave Receivers with Electronic Warfare Applications", Kreiber, Florida, 1992"
44. East P.W., "Microwave System Design Tools with EW Applications", Artech House, 2nd Ed., 2008
45. National Air Warfare Center, "Electronic Warfare and Radar Systems", NAWCWD TP 8347, 4th Ed., 2013. Find at: www.microwaves101.com/encyclopedias/ew-and-radar-handbook)
46. Ly P.Q.C, "Fast and Unabiguous Direction Finding for Digital Radar Intercept Receivers", Univ. of Adelaide, Dec. 2013, p. 16. Find at: https://digital.library.adelaide.edu.au/dspace/bitstream/2440/90332/4/02whole.pdf
47. Blake B. (ed.), "Manta", " Sceptre" and " Cutlass" ESM Systems, Jane's Radar and Electronic Warfare Systems, 1st Ed., Jane's Information Group, 1989, pp.344 -345
48. Stott G.F., "DF Algorithms for ESM", Military Microwaves '88 Conference Proceedings, London, July 1988, pp. 463 – 468
49. Connor F. R., Noise, Edward Arnold, London, 2nd ed. 1982, p. 44
50. Schwartz M., "Information Transmission, Modulation and Noise", McGraw-Hill, N.Y.,4th Ed., 1990, p.525
51. Al-Sharabi K.I.A. and Muhammad D.F., "Design of Wideband Radio Direction Finder Based on Amplitude Comparison", Al-Rafidain Engineering, Vol. 19, Oct 2011, pp.77-86 (Find at: www.iasj.net/iasj?func=fulltext&aid=26752 )
52. Martino A. De, "Introduction to Modern EW Systems", 2nd Ed., Artech House 2012
53. East P, "Microwave Intercept Receiver Sensitivity Estimation", Racal Defence Systems Report, 1998
54. Blake B. (ed.), " Cutlass ESM Equipment", Jane's Radar and Electronic Warfare Systems, 3rd Ed., Jane's Information Group, 1991, p. 406
55. Streetly M., "SPS-N 5000 ESM System", Jane's Radar and Electronic Warfare Systems, 10th Ed., Jane's Information Group, 1998, p. 396
56. MITEQ, "IF Signal Processing Components and Subsystems", Application Notes" pp. 33-51, (2010), Find at: https://nardamiteq.com/docs/MITEQ_IFsignal_c17.pdf
57. Pasternack, " Broadband Log Video Amplifiers". Find at: www.pasternack.com/pages/Featured_Products/broadband-log-video-amplifiers
58. American Microwave Corporation, DLVA Model: LVD-218-50. Find at: www.americanmic.com/catalog/detector-log-video-amplifiers-dlva/

Bibliography

• Baker, W. J. (2013). A History of the Marconi Company 1874-1965. Routledge. ISBN 9781134526079.
• Elliott, Peter (1972). "The Lend-Lease Captains". Warship International (3). International Naval Research Organization: 255.
• Appleyard, S.F.; Linford, R.S.; Yarwood, P.J. (1988). Marine Electronic Navigation (2nd ed.). Routledge & Kegan Paul. pp. 68–69. ISBN 0-7102-1271-2.
• M. Bondarenko and V.I. Slyusar. (August 2011). "Influence of jitter in ADC on precision of direction-finding by digital antenna arrays" (PDF). Radioelectronics and Communications Systems. 54 (8): 436–445. doi:10.3103/S0735272711080061. S2CID 110506568.
• Howeth, Linwood (1963). History of Communications-Electronics in the United States Navy. US Navy. pp. 261–265.
• Yeang, Chen-Pang (2013). Probing the Sky with Radio Waves. University of Chicago Press. ISBN 9780226015194.
• Radio Direction Finding Applications Literature (RDF Products)
• Doppler Systems Application Notes (Doppler Systems)