Радиопеленгатор - Radio direction finder

Амелия Эрхарт с Локхид Модель 10 Электра с циркуляром RDF антенна видна над кабиной

А радиопеленгатор (RDF) - устройство для поиска направления, или несущий, в радио источник. Акт измерения направления известен как радиопеленгация а иногда просто пеленгация (DF). Используя два или более измерений из разных мест, можно определить местоположение неизвестного передатчика; в качестве альтернативы, используя два или более измерений известных передатчиков, можно определить местоположение транспортного средства. RDF широко используется как радионавигация система, особенно с лодками и самолетами.

Системы RDF могут использоваться с любым радиоисточником, хотя размер приемных антенн зависит от длина 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 морских навигация поскольку они могут перемещаться на очень большие расстояния и «за горизонт», что ценно для кораблей, когда расстояние прямой видимости может составлять всего несколько десятков километров. Для самолетов, где горизонт на высоте может простираться до сотен километров, могут использоваться более высокие частоты, что позволяет использовать антенны гораздо меньшего размера. Автоматический пеленгатор, часто настраиваемый на коммерческий AM радио передатчики, это особенность практически всех современных самолетов.

Для военных системы RDF являются ключевым компонентом разведка сигналов системы и методологии. Способность определять местоположение вражеского передатчика была бесценной с тех пор, как Первая Мировая Война, и он сыграл ключевую роль в Вторая Мировая Война с Битва за Атлантику. По оценкам, продвинутый "хафф-дафф" системы прямо или косвенно отвечали за 24% всех Подводные лодки затонул во время войны.^[1] Современные системы часто используют фазированная решетка антенны, позволяющие быстро формирование луча для получения высокоточных результатов. Обычно они интегрируются в более широкий радиоэлектронная борьба люкс.

С течением времени, вслед за новыми разработками в электронике, использовалось несколько различных поколений систем RDF. В ранних системах использовались антенны с механическим вращением, которые сравнивали уровни сигналов с разных направлений, и последовало несколько электронных версий той же концепции. Современные системы используют сравнение фаза или доплеровские методы которые обычно проще автоматизировать. Современное псевдодоплеровский пеленгатор системы состоят из нескольких небольших антенн, прикрепленных к круглой плате, при этом вся обработка данных выполняется программным обеспечением.

Ранний британский радар Наборы также назывались RDF, что было тактикой обмана. Однако терминология не была неточной; то Сеть Главная системы использовали отдельные всенаправленные радиовещательные станции и большие приемники RDF для определения местоположения целей.^[2]

История

Ранние механические системы

W.G. Wade из Национального бюро стандартов использует большую многокамерную антенну для выполнения RDF на этой фотографии 1919 года. Это довольно маленькая единица для той эпохи.

Самые ранние эксперименты в RDF были проведены в 1888 г., когда Генрих Герц обнаружил направленность разомкнутый контур провода используется как антенна. Когда антенна была выровнена так, чтобы она была направлена на сигнал, она давала максимальное усиление и давала нулевой сигнал, когда она смотрела лицом вниз. Это означало, что местоположение сигнала всегда было неоднозначным, он давал одинаковый выходной сигнал, если бы сигнал находился спереди или сзади антенны. Более поздние экспериментаторы также использовали дипольные антенны, который работал в противоположном смысле, достигая максимального усиления под прямым углом и нулевого при выравнивании. Системы RDF, использующие петлевые или дипольные антенны с механическим поворотом, были широко распространены на рубеже 20-го века. Выдающиеся образцы были запатентованы Джон Стоун Стоун в 1902 г. (патент США 716134) и Ли де Форест в 1904 г. (патент США 771 819) и многие другие примеры.

К началу 1900-х многие экспериментаторы искали способы использовать эту концепцию для определения местоположения передатчика. Обычно использовались ранние радиосистемы средняя волна и длинноволновый сигналы. Longwave, в частности, имел хорошие характеристики передачи на большие расстояния из-за их ограниченного взаимодействия с землей и, таким образом, обеспечивал отличные маршрут большого круга распространение земной волны который указывал прямо на передатчик. Методы выполнения RDF для длинноволновых сигналов были основной областью исследований в 1900-х и 1910-х годах.^[3]

Антенны обычно чувствительны к сигналам только тогда, когда их длина составляет значительную часть длины волны или больше. Большинство антенн имеют длину не менее длины волны, чаще ½ - длины волны. полуволновой диполь очень распространенный дизайн. Для длинноволнового использования это приводило к тому, что рамочные антенны располагались на расстоянии нескольких десятков футов друг от друга, часто с более чем одной петлей, соединенной вместе для улучшения сигнала. Другое решение этой проблемы было разработано Маркони компании в 1905 году. Он состоял из ряда горизонтальных проводов или стержней, расположенных так, чтобы указывать наружу из общей центральной точки. Подвижный переключатель мог соединять противоположные пары этих проводов, чтобы сформировать диполь, и, вращая переключатель, оператор мог искать самый сильный сигнал.^[4] В ВМС США в какой-то мере решили эту проблему, установив антенны на корабли и двигаясь по кругу.^[5] Такие системы были громоздкими и непрактичными для многих целей.^[6]

Беллини-Този

Эта модель Королевского флота типична для гониометров B-T. Видны два набора «катушек возбуждения» и вращающейся «сенсорной катушки».

Ключевое усовершенствование концепции RDF было внесено Этторе Беллини и Алессандро Този в 1909 году (патент США № 943 960). В их системе использовались две такие антенны, обычно треугольные петли, расположенные под прямым углом. Сигналы от антенн подавались в катушки, намотанные на деревянную раму размером с поп может, где сигналы были воссозданы в области между катушками. Затем можно использовать отдельную рамочную антенну, расположенную в этой области, для поиска направления, не перемещая основные антенны. Это сделало RDF настолько практичным, что вскоре он стал использоваться для навигации в широком масштабе, часто как первая доступная форма воздушной навигации, с наземными станциями наведения на радиостанцию самолета. Пеленгаторы Беллини-Този были широко распространены с 1920-х по 1950-е годы.

Ранние системы RDF были полезны в основном для длинноволновых сигналов. Эти сигналы могут перемещаться на очень большие расстояния, что делает их полезными для навигации на большие расстояния. Однако, когда тот же метод применялся к более высоким частотам, возникли неожиданные трудности из-за отражения высокочастотных сигналов от ионосфера. Станция RDF теперь могла принимать один и тот же сигнал из двух или более мест, особенно в течение дня, что вызывало серьезные проблемы при попытке определить местоположение. Это привело к введению в 1919 г. Антенна Adcock (Патент Великобритании 130,490), который состоял из четырех отдельных монопольных антенн вместо двух контуров, устраняя горизонтальные компоненты и, таким образом, отфильтровывая Небесные волны отражаясь от ионосферы. Антенны Adcock широко использовались с детекторами Беллини-Този с 1920-х годов.

Воздушный корпус армии США в 1931 году испытал примитивный радиокомпас, в котором в качестве маяка использовались коммерческие станции.^[7]

Хафф-Дафф

Оборудование FH4 "Хафф-Дафф" на корабле-музее. HMSБелфаст

Основное улучшение техники RDF было внесено Роберт Уотсон-Ватт в рамках его экспериментов по поиску молния удары как метод указания направления грозы для моряков и летчиков. Он долгое время работал с обычными системами RDF, но их было трудно использовать с мимолетными сигналами молнии. Он рано предложил использовать осциллограф чтобы отобразить их почти мгновенно, но не смог найти его во время работы на Метеорологический офис. Когда офис был перемещен, его новое местоположение на исследовательской радиостанции предоставило ему как Антенна Adcock и подходящий осциллограф, и он представил свою новую систему в 1926 году.

Несмотря на то, что система была представлена публично, а ее измерения широко освещались в Великобритании, ее влияние на искусство RDF кажется странным образом сдержанным. Разработка была ограничена до середины 1930-х годов, когда различные британские силы начали широкомасштабную разработку и развертывание этих "высокочастотная радиопеленгация "или системы" хафф-дафф ". Чтобы избежать RDF, немцы разработали метод передачи коротких сообщений продолжительностью менее 30 секунд, то есть менее 60 секунд, которые потребуются обученному оператору Беллини-Този для определения направления. Однако это был бесполезен против систем хафф-дафф, которые обнаруживали сигнал с разумной точностью за секунды. Немцы не знали об этой проблеме до середины войны и не предпринимали никаких серьезных шагов для ее решения до 1944 года. Хафф-Дафф помог примерно в четверти всех успешных атак на флот подводных лодок.

Послевоенные системы

Несколько разработок в области электроники во время и после Вторая мировая война привели к значительно улучшенным методам сравнения фаз сигналов. В дополнение ФАПЧ (PLL) позволяла легко настраивать сигналы, которые не смещались. Улучшен вакуумные трубки и введение транзистор позволили экономно использовать гораздо более высокие частоты, что привело к широкому использованию сигналов ОВЧ и УВЧ. Все эти изменения привели к появлению новых методов RDF и его более широкому использованию.

В частности, возможность сравнивать фазы сигналов привела к RDF сравнения фаз, который, пожалуй, является наиболее широко используемым сегодня методом. В этой системе рамочная антенна заменена одиночной квадратной антенной. ферритовый сердечник, с петлями, намотанными вокруг двух перпендикулярных сторон. Сигналы из контуров отправляются в схему сравнения фаз, выходная фаза которой напрямую указывает направление сигнала. Посредством отправки этого на любой способ отображения и блокировки сигнала с помощью ФАПЧ можно непрерывно отображать направление к вещательной компании. Работа состоит исключительно из настройки на станции и настолько автоматизирована, что эти системы обычно называют автоматический пеленгатор.

Были разработаны другие системы, требующие большей точности. Псевдодоплеровский радиопеленгатор В системах используется серия небольших дипольных антенн, расположенных в виде кольца, и используется электронное переключение для быстрого выбора диполей для подачи в приемник. Результирующий сигнал обрабатывается и выдает звуковой сигнал. Фаза этого звукового сигнала по сравнению с вращением антенны зависит от направления сигнала. Доплеровские системы RDF широко заменили систему хафф-дафф для определения местоположения мимолетных сигналов.

Операция

Высокочастотный радиопеленгатор ВМС США времен Второй мировой войны

Радиопеленгация работает, сравнивая мощность сигнала направленного антенна указывая в разные стороны. Сначала эту систему использовали наземные и морские радисты, используя простую поворотную рамочную антенну, связанную с градусным указателем. Позже эта система была принята как на кораблях, так и на самолетах и широко использовалась в 1930-х и 1940-х годах. На предварительномВторая Мировая Война В самолетах RDF-антенны легко определить по круглым петлям, установленным над или под фюзеляжем. Более поздние конструкции рамочных антенн были заключены в аэродинамический каплевидный обтекатель. На кораблях и небольших лодках в приемниках RDF сначала использовались большие металлические рамочные антенны, похожие на воздушные, но обычно устанавливаемые на переносном приемнике с батарейным питанием.

При использовании оператор RDF сначала настраивал приемник на правильную частоту, а затем вручную крутил петлю, слушая или наблюдая S метр определить направление значение NULL (направление, в котором данный сигнал самый слабый) длинная волна (LW) или средняя волна (AM) широковещательный радиомаяк или станция (прослушивание нуля проще, чем прослушивание пикового сигнала, и обычно дает более точный результат). Этот нуль был симметричным и, таким образом, идентифицировал как правильный курс, отмеченный на стрелке компаса радиостанции, так и его 180-градусную противоположность. Хотя эта информация обеспечивала исходную линию от станции до корабля или самолета, штурману все же необходимо было заранее знать, находится ли он к востоку или западу от станции, чтобы избежать построения курса на 180 градусов в неправильном направлении. Пеленгуя две или более радиостанций и нанося точки пересечения, навигатор мог определить относительное положение своего корабля или самолета.

Позже комплекты RDF оснащались поворотными ферритовая петля антенны, что сделало наборы более портативными и менее громоздкими. Некоторые позже были частично автоматизированы с помощью моторизованной антенны (ADF). Ключевым прорывом стало внедрение вторичного вертикального хлыста или сенсорная антенна это подтвердило правильный пеленг и позволило штурману избежать нанесения пеленга на 180 градусов против фактического курса. Модель SE 995 ВМС США RDF, в которой использовалась чувствительная антенна, использовалась во время Первой мировой войны.^[8] После Второй мировой войны было много мелких и крупных фирм, производивших навигационное оборудование для моряков, в том числе Apelco, Водный гид, Бендикс, Гладдинг (и его морское подразделение, Пирс-Симпсон), Рэй Джефферсон, Raytheon, и Сперри. К 1960-м годам многие из этих радиоприемников фактически производились японскими производителями электроники, такими как Panasonic, Fuji Onkyo, и Koden Electronics Co., Ltd. В авиационном оборудовании Bendix и Сперри-Рэнд были двумя крупнейшими производителями радиоприемников и навигационных приборов RDF.

Использование в морской и авиационной навигации

Историческая реклама радиокомпаса Кольстера

Радиопередатчики для воздушной и морской навигации известны как маяки и являются радио эквивалентом маяк. Передатчик отправляет Азбука Морзе передача на Длинная волна (150 - 400 кГц) или Средняя волна (520–1720 кГц) частота, включающая идентификатор станции, который используется для подтверждения станции и ее рабочего состояния. Поскольку эти радиосигналы транслируются во всех направлениях (во всех направлениях) в течение дня, сам сигнал не включает информацию о направлении, и поэтому эти маяки называются ненаправленные радиомаяки, или же NDB.

Поскольку диапазон коммерческого средневолнового вещания находится в пределах частотных возможностей большинства устройств RDF, эти станции и их передатчики также могут использоваться для определения местоположения навигационных данных. 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 определения местоположения при приближении к городу вещания. Второй фактор заключается в том, что некоторые радиостанции AM работают во всех направлениях в течение дня и переключаются на направленный сигнал с пониженной мощностью ночью.

RDF когда-то был основной формой авиации и морской навигации. Гирлянды маяков образовывали «воздушные пути» от аэропорта до аэропорта, в то время как морские NDB и коммерческие радиостанции AM обеспечивали навигационную помощь малым судам, приближающимся к месту выхода на берег. В Соединенных Штатах коммерческие AM-радиостанции были обязаны передавать свой идентификатор станции один раз в час для использования пилотами и моряками в качестве вспомогательного средства навигации. В 1950-х годах авиационные NDB были дополнены VOR система, в которой направление на маяк может быть извлечено из самого сигнала, отсюда и отличие от ненаправленных маяков. Использование морских NDB было в значительной степени вытеснено в Северной Америке разработкой ЛОРАН в 1970-е гг.

Сегодня многие NDB выведены из эксплуатации в пользу более быстрых и точных GPS навигационные системы. Однако низкая стоимость систем ADF и RDF и 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 судах, в качестве вспомогательных или резервное копирование в GPS.

Смотрите также

Примечания

^ Бауэр, Артур О. (27 декабря 2004 г.). "HF / DF - оружие союзников против немецких подводных лодок 1939–1945" (PDF). Получено 2008-01-26. Документ о технологии и практике систем HF / DF, используемых Королевским флотом против подводных лодок во Второй мировой войне.
^ «Радар (радиопеленгация) - глазами истребительного командования».
^ Ян 2003, п. 187.
^ Бейкер 2013, п. 150.
^ Линвуд 1963, п. 261.
^ Ян 2003, п. 188.
^ "Радиостанция может направлять листовки", апрель 1931 г., Popular Science
^ Гебхард, Луи А. "Развитие военно-морской радиоэлектроники и вклад военно-морской исследовательской лаборатории" (1979)

внешняя ссылка

[1] Бауэр, Артур О. (27 декабря 2004 г.). "HF / DF - оружие союзников против немецких подводных лодок 1939–1945" (PDF). Получено 2008-01-26. Документ о технологии и практике систем HF / DF, используемых Королевским флотом против подводных лодок во Второй мировой войне.

[2] «Радар (радиопеленгация) - глазами истребительного командования».

[FOOTNOTEYeang2003187-3] Ян 2003, п. 187.

[FOOTNOTEBaker2013150-4] Бейкер 2013, п. 150.

[FOOTNOTELinwood1963261-5] Линвуд 1963, п. 261.

[FOOTNOTEYeang2003188-6] Ян 2003, п. 188.

[7] "Радиостанция может направлять листовки", апрель 1931 г., Popular Science

[8] Гебхард, Луи А. "Развитие военно-морской радиоэлектроники и вклад военно-морской исследовательской лаборатории" (1979)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]