Rilevamento della direzione ad alta frequenza - High-frequency direction finding

Equipaggiamento FH4 ​​"Huff-duff" sulla nave museo HMS  Belfast

La ricerca della direzione ad alta frequenza , solitamente conosciuta con la sua abbreviazione HF/DF o soprannome huff-duff , è un tipo di radiogoniometro (RDF) introdotto nella seconda guerra mondiale . L'alta frequenza (HF) si riferisce a una banda radio in grado di comunicare efficacemente su lunghe distanze; per esempio, tra gli U-Boot e il loro quartier generale a terra. L'HF/DF veniva utilizzato principalmente per catturare le radio nemiche mentre trasmettevano, sebbene fosse anche utilizzato per localizzare aerei amici come aiuto alla navigazione. La tecnica di base rimane in uso fino ad oggi come una delle discipline fondamentali dell'intelligenza dei segnali, sebbene tipicamente incorporato in una suite più ampia di sistemi radio e radar invece di essere un sistema autonomo.

I sistemi precedenti utilizzavano un'antenna o un solenoide ruotati meccanicamente e un operatore in ascolto di picchi o nulli nel segnale, che spesso impiegava molto tempo per determinare il rilevamento dell'ordine di un minuto o più. I sistemi successivi hanno utilizzato una serie di antenne per ricevere lo stesso segnale in posizioni o angoli leggermente diversi, quindi hanno utilizzato quelle lievi differenze nel segnale per visualizzare il rilevamento del trasmettitore su un display dell'oscilloscopio che ha effettuato la stessa misurazione essenzialmente istantaneamente, ha permesso di catturare segnali fugaci, come quelli della flotta di sommergibili.

Il sistema è stato inizialmente sviluppato da Robert Watson-Watt a partire dal 1926, come sistema di localizzazione dei fulmini . Il suo ruolo nell'intelligence non fu sviluppato fino alla fine degli anni '30. All'inizio del periodo bellico, le unità HF/DF erano molto richieste e c'era una notevole rivalità tra i servizi coinvolti nella loro distribuzione. Un primo utilizzo fu da parte del Comando caccia della RAF come parte del sistema di controllo delle intercettazioni Dowding , mentre le unità terrestri furono anche ampiamente utilizzate per raccogliere informazioni per l'Ammiragliato per localizzare gli U-Boot. Tra il 1942 e il 1944, unità più piccole divennero ampiamente disponibili ed erano comuni sulle navi della Royal Navy . Si stima che l'HF/DF abbia contribuito al 24% di tutti gli U-Boot affondati durante la guerra.

Il concetto di base è anche conosciuto con diversi nomi alternativi, tra cui Cathode-Ray Direction Finding (CRDF), Twin Path DF, e per il suo inventore, Watson-Watt DF o Adcock/Watson-Watt quando si considera l'antenna.

Storia

Prima di HF/DF

La radiogoniometria era una tecnica ampiamente utilizzata anche prima della prima guerra mondiale , utilizzata sia per la navigazione navale che aerea. Il concetto di base utilizzava un'antenna a telaio , nella sua forma più elementare semplicemente un anello di filo circolare con una circonferenza decisa dalla gamma di frequenza dei segnali da rilevare. Quando il loop è allineato perpendicolarmente al segnale, il segnale nelle due metà del loop si annulla, producendo un improvviso calo dell'output noto come "null".

I primi sistemi DF utilizzavano un'antenna ad anello che poteva essere ruotata meccanicamente. L'operatore si sintonizzava su una stazione radio nota e quindi ruotava l'antenna fino a quando il segnale scompariva. Ciò significava che l'antenna era ora ad angolo retto rispetto all'emittente, sebbene potesse trovarsi su entrambi i lati dell'antenna. Effettuando varie tali misurazioni, oppure utilizzando qualche altra forma di informazioni di navigazione per eliminare una delle direzioni ambigue, il cuscinetto per l'emittente può essere determinata.

Nel 1907 fu introdotto un miglioramento da Ettore Bellini e Alessandro Tosi che semplificò notevolmente il sistema DF in alcuni allestimenti. L'antenna ad anello singolo è stata sostituita da due antenne, disposte ad angolo retto. L'uscita di ciascuno è stata inviata al proprio filo ad anello, o come vengono chiamati in questo sistema, una "bobina di campo". Due di tali bobine, una per ciascuna antenna, sono disposte vicine tra loro ad angolo retto. I segnali delle due antenne hanno generato un campo magnetico nello spazio tra le bobine, che è stato captato da un solenoide rotante , il "search coil". Il segnale massimo è stato generato quando la bobina di ricerca è stata allineata con il campo magnetico dalle bobine di campo, che era all'angolo del segnale rispetto alle antenne. Ciò ha eliminato la necessità di spostare le antenne. Il cercatore di direzione Bellini-Tosi (BT) era ampiamente utilizzato sulle navi, sebbene gli anelli rotanti rimanessero in uso sugli aerei poiché erano normalmente più piccoli.

Tutti questi dispositivi hanno impiegato del tempo per funzionare. Normalmente l'operatore radio prima utilizzerà i sintonizzatori radio convenzionali per trovare il segnale in questione, utilizzando l'antenna o le antenne DF o un'antenna non direzionale separata. Una volta sintonizzato, l'operatore ruotava le antenne o il goniometro alla ricerca di picchi o nulli nel segnale. Sebbene la posizione approssimativa potesse essere trovata ruotando rapidamente il controllo, per misurazioni più accurate l'operatore doveva "cacciare" con movimenti sempre più piccoli. Con segnali periodici come il codice Morse o segnali ai margini della ricezione, questo era un processo difficile. I tempi di correzione dell'ordine di un minuto venivano comunemente citati.

Alcuni lavori sull'automazione del sistema BT sono stati eseguiti poco prima dell'inizio della seconda guerra mondiale, in particolare dagli ingegneri francesi Maurice Deloraine e Henri Busignies , che lavoravano nella divisione francese della ITT Corporation degli Stati Uniti . Il loro sistema ha motorizzato la bobina di ricerca e una scheda di visualizzazione circolare, che ruotava in sincronia. Una lampada sulla scheda video era collegata all'uscita del goniometro e lampeggiava ogni volta che andava nella giusta direzione. Quando giravano velocemente, a circa 120 giri/min, i flash si univano in un unico punto (vagante) che indicava la direzione. Il team distrusse tutto il lavoro nell'ufficio francese e lasciò la Francia nel 1940, poco prima che la Germania invadesse, e continuò lo sviluppo negli Stati Uniti.

Watson-Watt

Era noto da tempo che i fulmini emettono segnali radio. Il segnale è diffuso su molte frequenze ma è particolarmente forte nello spettro delle onde lunghe , che era una delle frequenze radio primarie per le comunicazioni navali a lungo raggio. Robert Watson-Watt aveva dimostrato che le misurazioni di questi segnali radio potevano essere utilizzate per tracciare i temporali e fornire utili avvisi a lungo raggio per piloti e navi. In alcuni esperimenti è stato in grado di rilevare temporali sull'Africa, a 2.500 chilometri (1.600 miglia) di distanza.

Tuttavia, i fulmini sono durati così poco che i tradizionali sistemi RDF che utilizzano antenne ad anello non sono stati in grado di determinare il rilevamento prima che svanissero. Tutto ciò che poteva essere determinato era una posizione media che producesse il miglior segnale per un lungo periodo, incorporando il segnale di molti colpi. Nel 1916 Watt propose che un tubo a raggi catodici (CRT) potesse essere usato come elemento indicatore al posto dei sistemi meccanici, ma non aveva la capacità di testarlo.

Watt ha lavorato presso il Met Office della RAF ad Aldershot , ma nel 1924 hanno deciso di restituire la posizione da utilizzare per la RAF. Nel luglio 1924 Watt si trasferì in un nuovo sito a Ditton Park vicino a Slough . Questo sito ospitava già il sito di ricerca della sezione radio del National Physical Laboratory (NPL). Watt è stato coinvolto nel ramo Atmosferica, effettuando studi di base sulla propagazione dei segnali radio attraverso l'atmosfera, mentre l'NPL è stato coinvolto nelle misurazioni dell'intensità di campo nel campo e nelle indagini di rilevamento della direzione. NPL aveva due dispositivi utilizzati in questi studi che si sarebbero rivelati fondamentali per lo sviluppo di Huff-Duff, un'antenna Adcock e un moderno oscilloscopio .

L'antenna Adcock è una disposizione di quattro alberi unipolari che fungono da due antenne ad anello virtuali disposte ad angolo retto. Confrontando i segnali ricevuti sui due loop virtuali, è possibile determinare la direzione del segnale utilizzando le tecniche RDF esistenti. I ricercatori avevano installato l'antenna nel 1919, ma l'avevano trascurata a favore di progetti più piccoli. Questi sono risultati avere prestazioni molto scarse a causa delle caratteristiche elettriche dell'area di Slough, il che ha reso difficile determinare se un segnale veniva ricevuto su una linea retta o dal cielo. Smith-Rose e Barfield riportarono la loro attenzione sull'antenna Adcock, che non aveva componenti orizzontali e quindi filtrava le "onde del cielo". In una serie di esperimenti successivi sono stati in grado di determinare con precisione la posizione dei trasmettitori in tutto il paese.

È stato il continuo desiderio di Watt di catturare la posizione dei singoli fulmini che ha portato ai principali sviluppi finali nel sistema di base di Huff-Duff. Il laboratorio aveva recentemente preso in consegna un oscilloscopio WE-224 dai Bell Labs , che forniva un facile collegamento e aveva un fosforo di lunga durata . Lavorando con Jock Herd, nel 1926 Watt aggiunse un amplificatore a ciascuno dei due bracci dell'antenna e inviò quei segnali ai canali X e Y dell'oscilloscopio. Come sperato, il segnale radio ha prodotto uno schema sullo schermo che indicava la posizione dell'impatto e il fosforo a lunga durata ha dato all'operatore tutto il tempo per misurarlo prima che il display si sbiadisse.

Watt e Herd scrissero un ampio articolo sul sistema nel 1926, riferendosi ad esso come "Un radiogoniometro a lettura diretta istantanea" e affermando che poteva essere utilizzato per determinare la direzione di segnali della durata di appena 0,001 secondi. Il documento descrive in modo approfondito il dispositivo e prosegue spiegando come potrebbe essere utilizzato per migliorare la ricerca della direzione radio e la navigazione. Nonostante questa dimostrazione pubblica e i film che lo mostrano utilizzato per localizzare i fulmini, il concetto apparentemente è rimasto sconosciuto al di fuori del Regno Unito. Ciò ha permesso di svilupparlo in forma pratica in segreto.

Battaglia d'Inghilterra

Durante la corsa all'installazione dei sistemi radar Chain Home (CH) prima della Battaglia d'Inghilterra , le stazioni CH sono state posizionate il più avanti possibile, lungo la costa, al fine di fornire il massimo tempo di allerta. Ciò significava che le aree interne sopra le isole britanniche non avevano copertura radar, affidandosi invece alla neonata Royal Observer Corps (ROC) per il tracciamento visivo in quest'area. Mentre il ROC è stato in grado di fornire informazioni su grandi raid, i combattenti erano troppo piccoli e troppo alti per essere identificati con certezza. Poiché l'intero sistema di controllo aereo Dowding si basava sulla direzione del suolo, era necessaria una soluzione per localizzare i propri caccia.

La soluzione opportuna era l'uso di stazioni huff-duff per sintonizzarsi sulle radio del caccia. Ogni controllo di settore, responsabile di una selezione di squadroni di caccia, era dotato di un ricevitore Huff-Duff, insieme ad altre due sottostazioni situate in punti distanti, a circa 30 miglia (48 km) di distanza. Queste stazioni ascolterebbero le trasmissioni dei caccia, confronteranno gli angoli per triangolare la loro posizione e quindi trasmetteranno tali informazioni alle sale di controllo. Confrontando le posizioni del nemico segnalate dal ROC e i caccia dai sistemi Huff-Duff, i Comandanti di Settore potrebbero facilmente dirigere i caccia per intercettare il nemico.

Per aiutare in questo processo, un sistema noto come " pip-squeak " è stato installato su alcuni dei combattenti, almeno due per sezione (con un massimo di quattro sezioni per squadrone). Pip-squeak emetteva automaticamente un tono costante per 14 secondi ogni minuto, offrendo agli operatori Huff-Duff tempo sufficiente per tracciare il segnale. Aveva lo svantaggio di bloccare la radio dell'aereo mentre trasmetteva il suo segnale DF.

La necessità di set DF era così acuta che il Ministero dell'Aeronautica inizialmente non era in grado di fornire i numeri richiesti da Hugh Dowding , comandante del RAF Fighter Command . Nelle battaglie simulate durante il 1938 il sistema si dimostrò così utile che il Ministero rispose fornendo ai sistemi Bellini-Tosi la promessa che le versioni CRT li avrebbero sostituiti al più presto. Ciò potrebbe essere realizzato sul campo, semplicemente collegando le antenne esistenti a un nuovo set di ricevitori. Nel 1940 questi erano in atto in tutti i 29 "settori" del comando caccia e costituivano una parte importante del sistema che vinse la battaglia.

Battaglia dell'Atlantico

Equipaggiamento "Super Duff" sulla nave museo HMS  Belfast . L'indicatore circolare fornisce una lettura diretta del relativo cuscinetto da-cui vengono ricevuti i segnali - numeri rossi per al porto della nave, verde per a tribordo

Insieme al sonar ("ASDIC"), all'intelligence derivante dalla violazione dei codici tedeschi e al radar , "Huff-Duff" era una parte preziosa dell'armeria degli Alleati nel rilevare gli U-Boot tedeschi e i predoni commerciali durante la Battaglia dell'Atlantico .

La Kriegsmarine sapeva che i cercatori di direzione radio potevano essere usati per localizzare le sue navi in ​​mare quando quelle navi trasmettevano messaggi. Di conseguenza, hanno sviluppato un sistema che trasformava i messaggi di routine in messaggi di breve durata. Il " kurzsignale " risultante è stato quindi codificato con la macchina Enigma (per sicurezza) e trasmesso rapidamente. Un operatore radio esperto potrebbe impiegare circa 20 secondi per trasmettere un messaggio tipico.

Inizialmente, il sistema di rilevamento del Regno Unito consisteva in una serie di stazioni costiere nelle isole britanniche e nell'Atlantico settentrionale, che avrebbero coordinato le loro intercettazioni per determinare le posizioni. Le distanze coinvolte nella localizzazione degli U-Boot nell'Atlantico dalle stazioni DF a terra erano così grandi e la precisione del DF era relativamente inefficiente, quindi le correzioni non erano particolarmente accurate. Nel 1944 una nuova strategia fu sviluppata dalla Naval Intelligence in cui furono costruiti gruppi localizzati di cinque stazioni DF a terra in modo che i rilevamenti di ciascuna delle cinque stazioni potessero essere mediati per ottenere un rilevamento più affidabile. Quattro di questi gruppi furono costituiti in Gran Bretagna: a Ford End nell'Essex, Anstruther nel Fife, Bower nelle Highlands scozzesi e Goonhavern in Cornovaglia. Era previsto che altri gruppi sarebbero stati istituiti in Islanda, Nuova Scozia e Giamaica. La media semplice si è rivelata inefficace e in seguito sono stati utilizzati metodi statistici. Agli operatori è stato inoltre chiesto di valutare l'attendibilità delle proprie letture in modo da dare meno peso a quelle scarse e variabili rispetto a quelle che apparivano stabili e ben definite. Molti di questi gruppi DF continuarono negli anni '70 come parte della Composite Signals Organization .

I sistemi terrestri sono stati utilizzati perché c'erano gravi problemi tecnici che operavano sulle navi, principalmente a causa degli effetti della sovrastruttura sul fronte d'onda dei segnali radio in arrivo. Tuttavia, questi problemi furono risolti sotto la guida tecnica dell'ingegnere polacco Wacław Struszyński , che lavorava presso l'Admiralty Signal Establishment. Man mano che le navi erano equipaggiate, è stata effettuata una complessa serie di misurazioni per determinare questi effetti e sono state fornite agli operatori delle schede per mostrare le correzioni richieste a varie frequenze. Nel 1942, la disponibilità di tubi a raggi catodici migliorò e non fu più un limite al numero di set Huff-Duff che potevano essere prodotti. Allo stesso tempo, sono stati introdotti set migliorati che includevano la sintonizzazione continua a motore, per scansionare le probabili frequenze e suonare un allarme automatico quando veniva rilevata una trasmissione. Gli operatori potevano quindi mettere a punto rapidamente il segnale prima che scomparisse. Questi set sono stati installati sulle scorte di convogli, consentendo loro di ottenere correzioni sugli U-Boot che trasmettono da oltre l'orizzonte, oltre la portata del radar. Ciò ha permesso di inviare navi e aerei cacciatori-killer ad alta velocità in direzione dell'U-Boot, che potrebbe essere localizzato dal radar se ancora in superficie o dall'ASDIC se sommerso.

Dall'agosto 1944, la Germania stava lavorando al sistema Kurier , che avrebbe trasmesso un intero kurzsignale in un burst non più lungo di 454 millisecondi, troppo corto per essere localizzato, o intercettato per essere decifrato, ma il sistema non era diventato operativo entro la fine del guerra.

Descrizione

Antenna Huff-duff (ingrandita) su una fregata pakistana. Da notare la disposizione delle quattro antenne verticali, che formano due anse.

Il concetto di base del sistema huff-duff è inviare il segnale da due antenne ai canali X e Y di un oscilloscopio. Normalmente il canale Y rappresenterebbe nord / sud per stazioni di terra, o, nel caso della nave, essere allineata con la nave rubrica avanti / indietro. Il canale X rappresenta quindi est/ovest o babordo/tribordo.

La deflessione del punto sul display dell'oscilloscopio è un'indicazione diretta della fase istantanea e dell'intensità del segnale radio. Poiché i segnali radio sono costituiti da onde, il segnale varia in fase a un ritmo molto rapido. Se si considera il segnale ricevuto su un canale, diciamo Y, il punto si sposterà su e giù così rapidamente che sembrerebbe una linea verticale diritta, che si estende per distanze uguali dal centro del display. Quando viene aggiunto il secondo canale, sintonizzato sullo stesso segnale, il punto si sposterà contemporaneamente in entrambe le direzioni X e Y, facendo diventare la linea diagonale. Tuttavia, il segnale radio ha una lunghezza d'onda finita , quindi mentre viaggia attraverso le spire dell'antenna, la fase relativa che incontra ciascuna parte dell'antenna cambia. Ciò fa sì che la linea venga deviata in un'ellisse o in una curva di Lissajous , a seconda delle fasi relative. La curva viene ruotata in modo che il suo asse maggiore si trovi lungo il cuscinetto del segnale. Nel caso di un segnale a nord-est, il risultato sarebbe un'ellisse che giace lungo la linea di 45/225 gradi sul display. Poiché la fase cambia mentre il display sta disegnando, la forma visualizzata risultante include "sfocatura" che doveva essere presa in considerazione.

Ciò lascia il problema di determinare se il segnale è nord-est o sud-ovest, poiché l'ellisse è ugualmente lunga su entrambi i lati del punto centrale del display. Per risolvere questo problema, a questo mix è stata aggiunta un'antenna separata, l'"antenna di rilevamento". Questa era un'antenna omnidirezionale situata a una distanza fissa dai circuiti a circa 1/2 di lunghezza d'onda. Quando questo segnale è stato mescolato, il segnale di fase opposta da questa antenna sopprime fortemente il segnale quando la fase è nella direzione dell'antenna di rilevamento. Questo segnale è stato inviato al canale di luminosità, o asse Z, dell'oscilloscopio, causando la scomparsa del display quando i segnali erano fuori fase. Collegando l'antenna di rilevamento a uno dei circuiti, ad esempio il canale nord/sud, il display verrebbe fortemente soppresso quando si trovava nella metà inferiore del display, indicando che il segnale è da qualche parte a nord. A questo punto l'unico rilevamento possibile è quello di nord-est.

I segnali ricevuti dalle antenne sono molto piccoli e ad alta frequenza, quindi vengono prima amplificati individualmente in due ricevitori radio identici. Ciò richiede che i due ricevitori siano estremamente ben bilanciati in modo che uno non amplifichi più dell'altro e quindi modifichi il segnale di uscita. Ad esempio, se l'amplificatore sull'antenna nord/sud ha un guadagno leggermente maggiore, il punto non si sposterà lungo la linea di 45 gradi, ma forse la linea di 30 gradi. Per bilanciare i due amplificatori, la maggior parte delle configurazioni includeva un "loop di prova" che generava un segnale di prova direzionale noto.

Per i sistemi di bordo, la sovrastruttura della nave presentava una grave causa di interferenza, soprattutto in fase, poiché i segnali si spostavano attorno ai vari ostacoli metallici. Per risolvere questo problema, la nave è stata ancorata mentre una seconda nave ha trasmesso un segnale di prova da circa un miglio di distanza e i segnali risultanti sono stati registrati su un foglio di calibrazione. La nave di trasmissione si sarebbe quindi spostata in un'altra posizione e la calibrazione sarebbe stata ripetuta. La calibrazione era diversa per diverse lunghezze d'onda e direzioni; costruire un set completo di fogli per ogni nave ha richiesto un lavoro significativo.

Le unità navali, in particolare il comune set HF4, includevano una piastra di plastica rotante con una linea, il "cursore", utilizzato per aiutare a misurare l'angolo. Questo potrebbe essere difficile se le punte dell'ellisse non raggiungessero il bordo del display o se ne andassero. Allineando il cursore con i picchi alle due estremità, questo è diventato semplice. I segni di cancelletto su entrambi i lati del cursore consentivano la misurazione della larghezza del display e utilizzarli per determinare la quantità di sfocatura.

Guarda anche

Riferimenti

citazioni
Bibliografia

Ulteriori letture

  • Beesly, Patrick (1978). Intelligenza molto speciale: la storia dell'Operational Intelligence Center dell'Ammiragliato nella seconda guerra mondiale . Spera. ISBN 978-0-7221-1539-8.
  • deRosa, LA "Ricerca della direzione". A Blyd, JA; Harris, DB; Re, DD; et al. (ed.). Contromisure elettroniche . Los Altos, CA: Penisola Publishing. ISBN 978-0-932146-00-7.
  • Williams, Kathleen Broome (1996-10-01). Arma segreta: ritrovamento della direzione ad alta frequenza degli Stati Uniti nella battaglia dell'Atlantico . Istituto Navale Press. ISBN 978-1-55750-935-2.

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