Radiogoniometría de alta frecuencia - High-frequency direction finding
La radiogoniometría , generalmente conocida por su abreviatura HF / DF o apodo huff-duff , es un tipo de radiogoniómetro (RDF) introducido en la Segunda Guerra Mundial . Alta frecuencia (HF) se refiere a una banda de radio que puede comunicarse eficazmente a largas distancias; por ejemplo, entre los submarinos y su cuartel general en tierra. HF / DF se utilizó principalmente para capturar radios enemigas mientras transmitían, aunque también se utilizó para localizar aviones amigos como ayuda para la navegación. La técnica básica se sigue utilizando hasta el día de hoy como una de las disciplinas fundamentales de la inteligencia de señales , aunque normalmente se incorpora a un conjunto más amplio de sistemas de radio y radares en lugar de ser un sistema independiente.
Los sistemas anteriores utilizaban una antena o solenoide girado mecánicamente y un operador que escuchaba picos o nulos en la señal, lo que a menudo requería un tiempo considerable para determinar el rumbo del orden de un minuto o más. Los sistemas posteriores usaron un conjunto de antenas para recibir la misma señal en ubicaciones o ángulos ligeramente diferentes, y luego usaron esas ligeras diferencias en la señal para mostrar el rumbo al transmisor en una pantalla de osciloscopio que hizo la misma medición esencialmente instantáneamente, lo que le permitió captar señales fugaces, como las de la flota de submarinos.
El sistema fue desarrollado inicialmente por Robert Watson-Watt a partir de 1926, como un sistema para localizar rayos . Su papel en la inteligencia no se desarrolló hasta finales de la década de 1930. En el período inicial de la guerra, las unidades de HF / DF tenían una demanda muy alta y había una considerable rivalidad entre servicios involucrada en su distribución. Uno de los primeros usos fue el de la RAF Fighter Command como parte del sistema de control de interceptación Dowding , mientras que las unidades terrestres también se utilizaron ampliamente para recopilar información para que el Almirantazgo localizara submarinos. Entre 1942 y 1944, las unidades más pequeñas estuvieron ampliamente disponibles y eran accesorios comunes en los barcos de la Royal Navy . Se estima que HF / DF contribuyó al 24% de todos los submarinos hundidos durante la guerra.
El concepto básico también se conoce por varios nombres alternativos, incluido el buscador de dirección de rayos catódicos (CRDF), Twin Path DF, y para su inventor, Watson-Watt DF o Adcock / Watson-Watt cuando se considera la antena.
Historia
Antes de HF / DF
La radiogoniometría era una técnica ampliamente utilizada incluso antes de la Primera Guerra Mundial , utilizada tanto para la navegación naval como aérea. El concepto básico utilizó una antena de cuadro , en su forma más básica simplemente un bucle circular de alambre con una circunferencia decidida por el rango de frecuencia de las señales a detectar. Cuando el bucle está alineado en ángulo recto con la señal, la señal en las dos mitades del bucle se cancela, produciendo una caída repentina en la salida conocida como "nula".
Los primeros sistemas de radiogoniometría utilizaban una antena de cuadro que podía rotarse mecánicamente. El operador sintonizaba una estación de radio conocida y luego giraba la antena hasta que la señal desaparecía. Esto significaba que la antena ahora estaba en ángulo recto con la emisora, aunque podría estar a ambos lados de la antena. Tomando varias de estas medidas, o usando alguna otra forma de información de navegación para eliminar una de las direcciones ambiguas, se podría determinar el rumbo hacia la emisora.
En 1907, Ettore Bellini y Alessandro Tosi introdujeron una mejora que simplificó enormemente el sistema DF en algunas configuraciones. La antena de bucle único fue reemplazada por dos antenas, dispuestas en ángulo recto. La salida de cada uno se envió a su propio cable en bucle, o como se les conoce en este sistema, una "bobina de campo". Dos de estas bobinas, una para cada antena, están dispuestas juntas en ángulo recto. Las señales de las dos antenas generaron un campo magnético en el espacio entre las bobinas, que fue recogido por un solenoide giratorio , la "bobina de búsqueda". La señal máxima se generó cuando la bobina de búsqueda se alineó con el campo magnético de las bobinas de campo, que estaba en el ángulo de la señal en relación con las antenas. Esto eliminó la necesidad de que las antenas se movieran. El radiogoniómetro Bellini-Tosi (BT) se usó ampliamente en los barcos, aunque los bucles giratorios siguieron utilizándose en los aviones, ya que normalmente eran más pequeños.
Todos estos dispositivos tardaron en funcionar. Normalmente, el operador de radio usaría primero sintonizadores de radio convencionales para encontrar la señal en cuestión, ya sea usando la (s) antena (s) DF o en una antena no direccional separada. Una vez sintonizado, el operador giró las antenas o goniómetro buscando picos o nulos en la señal. Aunque la ubicación aproximada se podía encontrar girando el control rápidamente, para obtener mediciones más precisas, el operador tenía que "cazar" con movimientos cada vez más pequeños. Con señales periódicas como el código Morse , o señales al margen de la recepción, este fue un proceso difícil. Normalmente se citaban tiempos fijos del orden de un minuto.
Algunos trabajos para automatizar el sistema BT se llevaron a cabo justo antes del comienzo de la Segunda Guerra Mundial, especialmente por los ingenieros franceses Maurice Deloraine y Henri Busignies , que trabajaban en la división francesa de la ITT Corporation de EE. UU . Su sistema motorizaba la bobina de búsqueda y una tarjeta de visualización circular, que giraba en sincronía. Una lámpara en la tarjeta de visualización estaba conectada a la salida del goniómetro y parpadeaba siempre que estaba en la dirección correcta. Al girar rápidamente, alrededor de 120 RPM, los destellos se fusionaron en un solo punto (errante) que indicaba la dirección. El equipo destruyó todo su trabajo en la oficina francesa y abandonó Francia en 1940, justo antes de que Alemania invadiera, y continuó el desarrollo en los EE. UU.
Watson-Watt
Se sabía desde hacía mucho tiempo que los rayos emitían señales de radio. La señal se distribuye a través de muchas frecuencias, pero es particularmente fuerte en el espectro de onda larga , que era una de las principales frecuencias de radio para las comunicaciones navales de largo alcance. Robert Watson-Watt había demostrado que las mediciones de estas señales de radio podrían usarse para rastrear tormentas eléctricas y proporcionar advertencias útiles de largo alcance para pilotos y barcos. En algunos experimentos pudo detectar tormentas eléctricas sobre África, a 2.500 kilómetros (1.600 millas) de distancia.
Sin embargo, los rayos duraron tan poco tiempo que los sistemas RDF tradicionales que usaban antenas de bucle no pudieron determinar el rumbo antes de que desaparecieran. Todo lo que se pudo determinar fue una ubicación promedio que produjera la mejor señal durante un largo período, incorporando la señal de muchos ataques. En 1916 Watt propuso que un tubo de rayos catódicos (CRT) podría usarse como elemento indicador en lugar de sistemas mecánicos, pero no tenía la capacidad de probar esto.
Watt trabajaba en la Oficina Meteorológica de la RAF en Aldershot , pero en 1924 decidieron devolver la ubicación para utilizarla con la RAF. En julio de 1924, Watt se mudó a un nuevo sitio en Ditton Park cerca de Slough . Este sitio ya albergaba el sitio de investigación de la Sección de Radio del Laboratorio Nacional de Física (NPL). Watt participó en la rama Atmosférica, realizando estudios básicos sobre la propagación de señales de radio a través de la atmósfera, mientras que los NPL participaron en mediciones de intensidad de campo en el campo e investigaciones de radiogoniometría. NPL utilizó dos dispositivos en estos estudios que resultarían críticos para el desarrollo de huff-duff, una antena Adcock y un osciloscopio moderno .
La antena Adcock es una disposición de cuatro mástiles monopolares que actúan como dos antenas de bucle virtual dispuestas en ángulo recto. Comparando las señales recibidas en los dos bucles virtuales, la dirección a la señal se puede determinar usando técnicas RDF existentes. Los investigadores habían instalado la antena en 1919, pero la habían descuidado en favor de diseños más pequeños. Se descubrió que estos tenían un rendimiento muy deficiente debido a las características eléctricas del área de Slough, lo que dificultaba determinar si una señal se recibía en línea recta o desde el cielo. Smith-Rose y Barfield volvieron su atención a la antena Adcock, que no tenía componente horizontal y, por lo tanto, filtraba las "ondas del cielo". En una serie de experimentos de seguimiento, pudieron determinar con precisión la ubicación de los transmisores en todo el país.
Fue el deseo continuo de Watt de capturar la ubicación de los rayos individuales lo que condujo a los principales desarrollos finales en el sistema básico de huff-duff. El laboratorio había recibido recientemente un osciloscopio WE-224 de Bell Labs , que proporcionaba una conexión fácil y tenía un fósforo de larga duración . Trabajando con Jock Herd, en 1926 Watt agregó un amplificador a cada uno de los dos brazos de la antena y envió esas señales a los canales X e Y del osciloscopio. Como se esperaba, la señal de radio produjo un patrón en la pantalla que indicaba la ubicación del impacto, y el fósforo de larga duración le dio al operador tiempo suficiente para medirlo antes de que la pantalla se desvaneciera.
Watt y Herd escribieron un extenso artículo sobre el sistema en 1926, refiriéndose a él como "Un radiogoniómetro instantáneo de lectura directa" y declarando que podría usarse para determinar la dirección de señales que duran tan solo 0.001 segundos. El documento describe el dispositivo en profundidad y continúa explicando cómo podría usarse para mejorar la navegación y la localización por radio. A pesar de esta demostración pública y de las películas que muestran su uso para localizar un rayo, el concepto aparentemente seguía siendo desconocido fuera del Reino Unido. Esto permitió que se desarrollara en forma práctica en secreto.
Batalla de Gran Bretaña
Durante la prisa por instalar los sistemas de radar Chain Home (CH) antes de la Batalla de Gran Bretaña , las estaciones CH se ubicaron lo más adelante posible, a lo largo de la costa, para proporcionar el máximo tiempo de advertencia. Esto significó que las áreas del interior sobre las Islas Británicas no tenían cobertura de radar, confiando en cambio en el recién formado Royal Observer Corps (ROC) para el seguimiento visual en esta área. Si bien la República de China pudo proporcionar información sobre grandes redadas, los combatientes eran demasiado pequeños y demasiado altos para ser identificados positivamente. Como todo el sistema de control aéreo de Dowding dependía de la dirección terrestre, se necesitaba alguna solución para localizar a sus propios cazas.
La solución conveniente a esto fue el uso de estaciones de huff-duff para sintonizar las radios de los combatientes. Cada Sector Control, a cargo de una selección de escuadrones de combate, estaba equipado con un receptor huff-duff, junto con otras dos subestaciones ubicadas en puntos distantes, a unas 30 millas (48 km) de distancia. Estas estaciones escucharían las transmisiones de los combatientes, compararían los ángulos para triangular su ubicación y luego transmitirían esa información a las salas de control. Comparando las posiciones del enemigo informadas por la República de China y los cazas de los sistemas huff-duff, los Comandantes de Sector podrían fácilmente dirigir a los cazas para que intercepten al enemigo.
Para ayudar en este proceso, se instaló un sistema conocido como " pip-squeak " en algunos de los cazas, al menos dos por sección (con hasta cuatro secciones por escuadrón). Pip-squeak envió automáticamente un tono constante durante 14 segundos cada minuto, ofreciendo suficiente tiempo para que los operadores de huff-duff rastrearan la señal. Tenía el inconveniente de inmovilizar la radio de la aeronave mientras transmitía su señal DF.
La necesidad de equipos DF era tan aguda que el Ministerio del Aire inicialmente no pudo suministrar los números solicitados por Hugh Dowding , comandante del Comando de Combate de la RAF . En batallas simuladas durante 1938, se demostró que el sistema era tan útil que el Ministerio respondió proporcionando a los sistemas Bellini-Tosi la promesa de que las versiones CRT los reemplazarían lo antes posible. Esto podría lograrse en el campo, simplemente conectando las antenas existentes a un nuevo receptor. Para 1940, estos estaban en su lugar en los 29 "sectores" del Comando de Combate, y eran una parte importante del sistema que ganó la batalla.
Batalla del Atlántico
Junto con el sonar ("ASDIC"), la inteligencia de descifrar los códigos alemanes y el radar , "Huff-Duff" fue una parte valiosa del arsenal de los Aliados en la detección de submarinos alemanes y asaltantes comerciales durante la Batalla del Atlántico .
La Kriegsmarine sabía que los radiogoniómetros podrían utilizarse para localizar sus barcos en el mar cuando esos barcos transmitieran mensajes. En consecuencia, desarrollaron un sistema que convirtió los mensajes de rutina en mensajes de corta duración. El " kurzsignale " resultante se codificó con la máquina Enigma (por seguridad) y se transmitió rápidamente. Un operador de radio experimentado puede tardar unos 20 segundos en transmitir un mensaje típico.
Al principio, el sistema de detección del Reino Unido consistía en varias estaciones costeras en las Islas Británicas y el Atlántico Norte, que coordinarían sus intercepciones para determinar ubicaciones. Las distancias involucradas en la localización de submarinos en el Atlántico desde las estaciones de radiogoniometría en la costa eran tan grandes, y la precisión de radiogoniometría era relativamente ineficiente, por lo que las correcciones no eran particularmente precisas. En 1944, Naval Intelligence desarrolló una nueva estrategia en la que se construyeron grupos localizados de cinco estaciones de radiogoniometría en la costa para que los rumbos de cada una de las cinco estaciones pudieran promediarse para obtener un rumbo más confiable. Cuatro de estos grupos se establecieron en Gran Bretaña: en Ford End en Essex, Anstruther en Fife, Bower en las Tierras Altas de Escocia y Goonhavern en Cornualles. Se pretendía establecer otros grupos en Islandia, Nueva Escocia y Jamaica. Se encontró que el promedio simple era ineficaz y más tarde se utilizaron métodos estadísticos. También se pidió a los operadores que calificaran la confiabilidad de sus lecturas para que las deficientes y variables recibieran menos peso que las que parecían estables y bien definidas. Varios de estos grupos de DF continuaron en la década de 1970 como parte de la Organización de señales compuestas .
Se utilizaron sistemas terrestres porque existían graves problemas técnicos que operaban en los barcos, principalmente debido a los efectos de la superestructura en el frente de onda de las señales de radio que llegaban. Sin embargo, estos problemas se resolvieron bajo la dirección técnica del ingeniero polaco Wacław Struszyński , que trabajaba en el Admiralty Signal Establishment. A medida que los barcos fueron equipados, se llevó a cabo una serie de mediciones complejas para determinar estos efectos, y se entregaron tarjetas a los operadores para mostrar las correcciones requeridas en varias frecuencias. En 1942, la disponibilidad de tubos de rayos catódicos mejoró y ya no era un límite en la cantidad de juegos de huff-duff que se podían producir. Al mismo tiempo, se introdujeron conjuntos mejorados que incluían sintonización continua impulsada por motor, para escanear las frecuencias probables y hacer sonar una alarma automática cuando se detectaban transmisiones. Los operadores podrían entonces ajustar rápidamente la señal antes de que desapareciera. Estos equipos se instalaron en escoltas de convoyes, lo que les permitió localizar los submarinos que transmiten desde el horizonte, más allá del alcance del radar. Esto permitió que los barcos y aviones cazadores-asesinos se enviaran a alta velocidad en la dirección del submarino, que podría ser localizado por radar si todavía estaba en la superficie o ASDIC si estaba sumergido.
Desde agosto de 1944, Alemania estaba trabajando en el sistema Kurier , que transmitiría una kurzsignale completa en una ráfaga de no más de 454 milisegundos, demasiado corta para ser localizada o interceptada para descifrarla, pero el sistema no había entrado en funcionamiento al final del período. guerra.
Descripción
El concepto básico del sistema huff-duff es enviar la señal desde dos antenas a los canales X e Y de un osciloscopio. Normalmente, el canal Y representaría el norte / sur para las estaciones terrestres o, en el caso del barco, estaría alineado con el rumbo del barco hacia la proa / popa. Por tanto, el canal X representa este / oeste o babor / estribor.
La desviación del punto en la pantalla del osciloscopio es una indicación directa de la fase instantánea y la fuerza de la señal de radio. Dado que las señales de radio constan de ondas, la señal varía en fase a un ritmo muy rápido. Si se considera la señal recibida en un canal, digamos Y, el punto se moverá hacia arriba y hacia abajo, tan rápidamente que parecería ser una línea vertical recta, que se extiende a distancias iguales desde el centro de la pantalla. Cuando se agrega el segundo canal, sintonizado con la misma señal, el punto se moverá en las direcciones X e Y al mismo tiempo, haciendo que la línea se vuelva diagonal. Sin embargo, la señal de radio tiene una longitud de onda finita , por lo que a medida que viaja a través de los bucles de la antena, la fase relativa que se encuentra con cada parte de la antena cambia. Esto hace que la línea se desvíe en una elipse o curva de Lissajous , dependiendo de las fases relativas. La curva se gira de modo que su eje mayor se encuentre a lo largo del rumbo de la señal. En el caso de una señal hacia el noreste, el resultado sería una elipse a lo largo de la línea de 45/225 grados en la pantalla. Dado que la fase cambia mientras se dibuja la pantalla, la forma mostrada resultante incluye un "desenfoque" que debe tenerse en cuenta.
Esto deja el problema de determinar si la señal es noreste o suroeste, ya que la elipse es igualmente larga en ambos lados del punto central de la pantalla. Para resolver este problema, se agregó a esta mezcla una antena separada, la "antena sensorial". Se trataba de una antena omnidireccional ubicada a una distancia fija de los bucles a aproximadamente 1/2 de longitud de onda. Cuando se mezcla esta señal, la señal de fase opuesta de esta antena suprime fuertemente la señal cuando la fase está en la dirección de la antena sensora. Esta señal se envió al canal de brillo, o eje Z, del osciloscopio, haciendo que la pantalla desapareciera cuando las señales estaban desfasadas. Al conectar la antena de detección a uno de los bucles, digamos el canal norte / sur, la pantalla se suprimiría fuertemente cuando estaba en la mitad inferior de la pantalla, lo que indica que la señal está en algún lugar hacia el norte. En este punto, el único rumbo posible es el noreste.
Las señales recibidas por las antenas son muy pequeñas y de alta frecuencia, por lo que primero se amplifican individualmente en dos receptores de radio idénticos. Esto requiere que los dos receptores estén extremadamente bien balanceados para que uno no amplifique más que el otro y, por lo tanto, cambie la señal de salida. Por ejemplo, si el amplificador de la antena norte / sur tiene un poco más de ganancia, el punto no se moverá a lo largo de la línea de 45 grados, sino quizás de la línea de 30 grados. Para equilibrar los dos amplificadores, la mayoría de las configuraciones incluían un "bucle de prueba" que generaba una señal de prueba direccional conocida.
Para los sistemas de a bordo, la superestructura del barco presentaba una causa grave de interferencia, especialmente en fase, ya que las señales se movían alrededor de las diversas obstrucciones metálicas. Para solucionar este problema, se ancló el barco mientras un segundo barco emitía una señal de prueba desde aproximadamente una milla de distancia, y las señales resultantes se registraron en una hoja de calibración. Luego, el barco de transmisión se trasladaría a otra ubicación y se repetiría la calibración. La calibración fue diferente para diferentes longitudes de onda y direcciones; La construcción de un juego completo de láminas para cada barco requirió un trabajo considerable.
Las unidades navales, en particular el conjunto común de HF4, incluían una placa de plástico giratoria con una línea, el "cursor", que se usaba para ayudar a medir el ángulo. Esto podría resultar difícil si las puntas de la elipse no llegaran al borde de la pantalla o se salieran de él. Al alinear el cursor con los picos en cada extremo, esto se volvió simple. Las marcas de almohadilla a cada lado del cursor permitían medir el ancho de la pantalla y usarlas para determinar la cantidad de desenfoque.
Ver también
- Jaula de elefante
- Operación RAFTER : confirmación remota de que un receptor de radio superhet está escuchando una determinada frecuencia
Referencias
- Citas
- Bibliografía
- Bauer, Arthur O. (27 de diciembre de 2004). "HF / DF un arma aliada contra los submarinos alemanes 1939-1945" (PDF) . Consultado el 26 de enero de 2008 .: Un documento sobre la tecnología y la práctica de los sistemas HF / DF utilizados por la Royal Navy contra los submarinos en la Segunda Guerra Mundial.
- Gardiner, G. (15 de febrero de 1962). "Investigación de radio en Ditton Park - II: 1922-1927" . Boletín de la organización de investigación radiofónica (10).
Otras lecturas
- Beesly, Patrick (1978). Inteligencia muy especial: la historia del Centro de Inteligencia Operacional del Almirantazgo en la Segunda Guerra Mundial . Spere. ISBN 978-0-7221-1539-8.
- deRosa, LA "Búsqueda de dirección". En Blyd, JA; Harris, DB; King, DD; et al. (eds.). Contramedidas electrónicas . Los Altos, CA: Peninsula Publishing. ISBN 978-0-932146-00-7.
- Williams, Kathleen Broome (1 de octubre de 1996). Arma secreta: Hallazgo de dirección de alta frecuencia estadounidense en la batalla del Atlántico . Prensa del Instituto Naval. ISBN 978-1-55750-935-2.