Localização de direção de alta frequência - High-frequency direction finding

Equipamento FH4 ​​"Huff-duff" no navio-museu HMS  Belfast

O localizador de direção de alta frequência , geralmente conhecido por sua abreviatura HF / DF ou apelido huff-duff , é um tipo de localizador de direção de rádio (RDF) introduzido na Segunda Guerra Mundial . Alta frequência (HF) refere-se a uma banda de rádio que pode se comunicar efetivamente em longas distâncias; por exemplo, entre U-boats e seus quartéis-generais em terra. O HF / DF era usado principalmente para capturar rádios inimigos durante a transmissão, embora também fosse usado para localizar aeronaves aliadas como auxílio à navegação. A técnica básica permanece em uso até hoje como uma das disciplinas fundamentais da inteligência de sinais , embora normalmente incorporada a um conjunto maior de sistemas de rádio e radares em vez de ser um sistema autônomo.

Os sistemas anteriores usavam uma antena ou solenóide girada mecanicamente e um operador ouvindo picos ou nulos no sinal, o que geralmente levava um tempo considerável para determinar a direção da ordem de um minuto ou mais. Os sistemas posteriores usaram um conjunto de antenas para receber o mesmo sinal em locais ou ângulos ligeiramente diferentes e, em seguida, usaram essas pequenas diferenças no sinal para exibir a orientação para o transmissor em uma tela de osciloscópio que fez a mesma medição essencialmente instantaneamente, permitindo que pegar sinais fugazes, como os da frota de submarinos.

O sistema foi desenvolvido inicialmente por Robert Watson-Watt a partir de 1926, como um sistema de localização de raios . Seu papel na inteligência não foi desenvolvido até o final dos anos 1930. No início do período da guerra, as unidades HF / DF tinham uma demanda muito alta e havia uma rivalidade considerável entre as forças envolvida em sua distribuição. Um dos primeiros usos foi pelo Comando de Caça da RAF como parte do sistema Dowding de controle de interceptação, enquanto as unidades baseadas em terra também foram amplamente utilizadas para coletar informações para o Almirantado localizar U-boats. Entre 1942 e 1944, unidades menores tornaram-se amplamente disponíveis e eram acessórios comuns nos navios da Marinha Real . Estima-se que o HF / DF contribuiu com 24% de todos os submarinos afundados durante a guerra.

O conceito básico também é conhecido por vários nomes alternativos, incluindo Cathode-Ray Direction Finding (CRDF), Twin Path DF, e por seu inventor, Watson-Watt DF ou Adcock / Watson-Watt quando a antena é considerada.

História

Antes de HF / DF

A localização da direção de rádio era uma técnica amplamente usada mesmo antes da Primeira Guerra Mundial , usada tanto para navegação naval quanto aérea. O conceito básico usava uma antena de quadro , em sua forma mais básica simplesmente um loop circular de fio com uma circunferência decidida pela faixa de frequência dos sinais a serem detectados. Quando o loop está alinhado em ângulos retos com o sinal, o sinal nas duas metades do loop é cancelado, produzindo uma queda repentina na saída conhecida como "nulo".

Os primeiros sistemas DF usavam uma antena de loop que podia ser girada mecanicamente. O operador sintonizava uma estação de rádio conhecida e girava a antena até que o sinal desaparecesse. Isso significava que a antena agora estava em ângulo reto com o transmissor, embora pudesse estar em qualquer um dos lados da antena. Tomando várias dessas medições, ou usando alguma outra forma de informação de navegação para eliminar uma das direções ambíguas, o rumo ao transmissor pode ser determinado.

Em 1907, uma melhoria foi introduzida por Ettore Bellini e Alessandro Tosi que simplificou muito o sistema DF em algumas configurações. A antena de loop único foi substituída por duas antenas, dispostas em ângulos retos. A saída de cada um era enviada para o seu próprio fio em loop, ou como são chamados neste sistema, uma "bobina de campo". Duas dessas bobinas, uma para cada antena, são dispostas juntas em ângulos retos. Os sinais das duas antenas geravam um campo magnético no espaço entre as bobinas, que era captado por um solenóide giratório , a "bobina sensora". O sinal máximo foi gerado quando a bobina sensora estava alinhada com o campo magnético das bobinas de campo, que estava no ângulo do sinal em relação às antenas. Isso eliminou qualquer necessidade de movimentação das antenas. O localizador de direção Bellini-Tosi (BT) foi amplamente usado em navios, embora os loops rotativos continuassem em uso nas aeronaves, pois eram normalmente menores.

Todos esses dispositivos demoram para operar. Normalmente, o operador de rádio usaria primeiro sintonizadores de rádio convencionais para encontrar o sinal em questão, usando a (s) antena (s) DF ou em uma antena não direcional separada. Depois de sintonizado, o operador girava as antenas ou goniômetro procurando picos ou nulos no sinal. Embora a localização aproximada pudesse ser encontrada girando o controle rapidamente, para medições mais precisas o operador tinha que "caçar" com movimentos cada vez menores. Com sinais periódicos como o código Morse , ou sinais na orla da recepção, esse era um processo difícil. Tempos fixos da ordem de um minuto eram comumente citados.

Alguns trabalhos de automação do sistema BT foram realizados pouco antes do início da Segunda Guerra Mundial, especialmente pelos engenheiros franceses Maurice Deloraine e Henri Busignies , que trabalhavam na divisão francesa da ITT Corporation dos Estados Unidos . Seu sistema motorizou a bobina sensora, bem como uma placa de exibição circular, que girava em sincronia. Uma lâmpada no cartão de exibição estava ligada à saída do goniômetro e piscava sempre que estava na direção certa. Ao girar rapidamente, cerca de 120 RPM, os flashes se fundiram em um único ponto (errante) que indicava a direção. A equipe destruiu todo o seu trabalho no escritório francês e deixou a França em 1940, pouco antes da invasão da Alemanha, e continuou o desenvolvimento nos Estados Unidos.

Watson-Watt

Há muito se sabia que o raio emite sinais de rádio. O sinal é espalhado por muitas frequências, mas é particularmente forte no espectro de ondas longas , que era uma das principais frequências de rádio para comunicações navais de longo alcance. Robert Watson-Watt havia demonstrado que as medições desses sinais de rádio podiam ser usadas para rastrear tempestades e fornecer avisos de longo alcance úteis para pilotos e navios. Em alguns experimentos, ele foi capaz de detectar tempestades na África, a 2.500 quilômetros (1.600 milhas) de distância.

No entanto, os relâmpagos duraram tão pouco tempo que os sistemas RDF tradicionais usando antenas de loop não puderam determinar a direção antes de desaparecerem. Tudo o que pôde ser determinado foi uma localização média que produzisse o melhor sinal por um longo período, incorporando o sinal de muitos golpes. Em 1916, Watt propôs que um tubo de raios catódicos (CRT) pudesse ser usado como um elemento indicador em vez de sistemas mecânicos, mas não tinha a capacidade de testar isso.

Watt trabalhava no Met Office da RAF em Aldershot , mas em 1924 eles decidiram devolver o local para usar na RAF. Em julho de 1924, Watt mudou-se para um novo local em Ditton Park, perto de Slough . Este site já hospedava o site de pesquisa da Seção de Rádio do National Physical Laboratory (NPL). Watt estava envolvido no ramo de Atmosférica, fazendo estudos básicos na propagação de sinais de rádio pela atmosfera, enquanto o NPL estava envolvido em medições de força de campo no campo e investigações de localização de direção. A NPL tinha dois dispositivos usados ​​nesses estudos que seriam essenciais para o desenvolvimento do huff-duff, uma antena Adcock e um osciloscópio moderno .

A antena Adcock é um arranjo de quatro mastros monopolo que atuam como duas antenas de loop virtual dispostas em ângulos retos. Comparando os sinais recebidos nos dois loops virtuais, a direção do sinal pode ser determinada usando técnicas RDF existentes. Os pesquisadores instalaram a antena em 1919, mas a negligenciaram em favor de projetos menores. Descobriu-se que eles tinham um desempenho muito ruim devido às características elétricas da área de Slough, o que tornava difícil determinar se um sinal estava sendo recebido em linha reta ou vindo do céu. Smith-Rose e Barfield voltaram sua atenção para a antena Adcock, que não tinha componente horizontal e, portanto, filtrou as "ondas do céu". Em uma série de experimentos de acompanhamento, eles foram capazes de determinar com precisão a localização dos transmissores em todo o país.

Foi o desejo contínuo de Watt de capturar a localização de cada relâmpago que levou aos principais desenvolvimentos finais no sistema huff-duff básico. O laboratório havia recebido recentemente um osciloscópio WE-224 da Bell Labs , que fornecia uma conexão fácil e tinha um fósforo de longa duração . Trabalhando com Jock Herd, em 1926 Watt adicionou um amplificador a cada um dos dois braços da antena e enviou esses sinais para os canais X e Y do osciloscópio. Como esperado, o sinal de rádio produziu um padrão na tela que indicava o local do impacto, e o fósforo de longa duração deu ao operador tempo suficiente para medi-lo antes que o visor se apagasse.

Watt e Herd escreveram um extenso artigo sobre o sistema em 1926, referindo-se a ele como "Um radiogoniômetro de leitura direta instantânea" e afirmando que ele poderia ser usado para determinar a direção de sinais com duração de apenas 0,001 segundos. O artigo descreve o dispositivo em profundidade e explica como ele poderia ser usado para melhorar a localização e a navegação da direção do rádio. Apesar desta demonstração pública e de filmes mostrando que ele era usado para localizar relâmpagos, o conceito aparentemente permaneceu desconhecido fora do Reino Unido. Isso permitiu que fosse desenvolvido em segredo em uma forma prática.

Batalha da Grã-Bretanha

Durante a corrida para instalar os sistemas de radar Chain Home (CH) antes da Batalha da Grã-Bretanha , as estações CH foram localizadas o mais à frente possível, ao longo da costa, a fim de fornecer o máximo de tempo de aviso. Isso significava que as áreas do interior das Ilhas Britânicas não tinham cobertura de radar, contando com o recém-formado Royal Observer Corps (ROC) para rastreamento visual nesta área. Enquanto o ROC foi capaz de fornecer informações sobre grandes ataques, os caças eram muito pequenos e muito altos para serem identificados positivamente. Como todo o sistema Dowding de controle aéreo dependia da direção do solo, era necessária alguma solução para localizar seus próprios caças.

A solução conveniente para isso foi o uso de estações huff-duff para sintonizar os rádios do lutador. Cada Controle Setorial, encarregado de uma seleção de esquadrões de caça, estava equipado com um receptor huff-duff, junto com duas outras subestações localizadas em pontos distantes, cerca de 30 milhas (48 km) de distância. Essas estações ouviriam as transmissões dos lutadores, comparariam os ângulos para triangular sua localização e, então, transmitiriam essas informações às salas de controle. Comparando as posições do inimigo informadas pelo ROC e os caças dos sistemas huff-duff, os Comandantes do Setor poderiam facilmente direcionar os caças para interceptar o inimigo.

Para auxiliar nesse processo, um sistema conhecido como " pip-squeak " foi instalado em alguns dos caças, pelo menos dois por seção (com até quatro seções por esquadrão). Pip-squeak envia automaticamente um tom constante por 14 segundos a cada minuto, oferecendo tempo suficiente para que os operadores huff-duff rastreiem o sinal. Tinha a desvantagem de amarrar o rádio da aeronave durante a transmissão do sinal DF.

A necessidade de aparelhos DF era tão aguda que o Ministério da Aeronáutica inicialmente não foi capaz de fornecer os números solicitados por Hugh Dowding , comandante do Comando de Caça da RAF . Em batalhas simuladas durante 1938, o sistema demonstrou ser tão útil que o Ministério respondeu fornecendo aos sistemas Bellini-Tosi a promessa de que as versões CRT os substituiriam o mais rápido possível. Isso pode ser feito em campo, simplesmente conectando as antenas existentes a um novo conjunto receptor. Em 1940, eles já existiam em todos os 29 "setores" do Comando de Caça e constituíam uma parte importante do sistema que venceu a batalha.

Batalha do atlântico

Equipamento "Super Duff" no navio-museu HMS  Belfast . O indicador circular fornece uma leitura direta do rumo relativo a partir do qual os sinais são recebidos - numerais vermelhos para bombordo do navio, verdes para estibordo

Junto com o sonar ("ASDIC"), inteligência de quebrar códigos alemães e radar , "Huff-Duff" foi uma parte valiosa do arsenal dos Aliados na detecção de submarinos alemães e invasores comerciais durante a Batalha do Atlântico .

A Kriegsmarine sabia que os localizadores de direção de rádio podiam ser usados ​​para localizar seus navios no mar quando esses navios transmitissem mensagens. Conseqüentemente, eles desenvolveram um sistema que transformava mensagens de rotina em mensagens curtas. O " kurzsignale " resultante foi então codificado com a máquina Enigma (para segurança) e transmitido rapidamente. Um operador de rádio experiente pode levar cerca de 20 segundos para transmitir uma mensagem típica.

No início, o sistema de detecção do Reino Unido consistia em várias estações costeiras nas Ilhas Britânicas e no Atlântico Norte, que coordenariam suas interceptações para determinar os locais. As distâncias envolvidas na localização de U-boats no Atlântico a partir de estações DF baseadas em terra eram tão grandes e a precisão do DF era relativamente ineficiente, de modo que as correções não eram particularmente precisas. Em 1944, uma nova estratégia foi desenvolvida pela Inteligência Naval, onde grupos localizados de cinco estações DF baseadas em terra foram construídos para que as orientações de cada uma das cinco estações pudessem ser calculadas para obter uma orientação mais confiável. Quatro desses grupos foram estabelecidos na Grã-Bretanha: em Ford End em Essex, Anstruther em Fife, Bower nas Highlands escocesas e Goonhavern na Cornualha. Pretendia-se que outros grupos fossem instalados na Islândia, Nova Escócia e Jamaica. A média simples foi considerada ineficaz e métodos estatísticos foram usados ​​posteriormente. Os operadores também foram solicitados a classificar a confiabilidade de suas leituras de modo que as ruins e variáveis ​​recebessem menos peso do que aquelas que pareciam estáveis ​​e bem definidas. Vários desses grupos DF continuaram na década de 1970 como parte da Organização de Sinais Compostos .

Os sistemas baseados em terra foram usados ​​porque havia graves problemas técnicos de operação em navios, principalmente devido aos efeitos da superestrutura na frente de onda da chegada dos sinais de rádio. No entanto, esses problemas foram superados sob a liderança técnica do engenheiro polonês Wacław Struszyński , que trabalhava no Admiralty Signal Establishment. À medida que os navios foram equipados, uma série de medições complexas foi realizada para determinar esses efeitos, e cartões foram fornecidos aos operadores para mostrar as correções necessárias em várias frequências. Em 1942, a disponibilidade de tubos de raios catódicos melhorou e não era mais um limite para o número de conjuntos huff-duff que podiam ser produzidos. Ao mesmo tempo, foram introduzidos conjuntos aprimorados que incluíam sintonia continuamente acionada por motor, para verificar as freqüências prováveis ​​e soar um alarme automático quando qualquer transmissão fosse detectada. Os operadores poderiam então ajustar rapidamente o sinal antes que ele desaparecesse. Esses conjuntos foram instalados em escoltas de comboio, permitindo-lhes obter pontos em U-boats transmitindo desde o horizonte, além do alcance do radar. Isso permitiu que navios e aeronaves caçadores-assassinos fossem despachados em alta velocidade na direção do U-boat, que poderia ser localizado por radar se ainda na superfície ou ASDIC se submerso.

A partir de agosto de 1944, a Alemanha estava trabalhando no sistema Kurier , que transmitia um kurzsignale inteiro em uma explosão não superior a 454 milissegundos, muito curta para ser localizada ou interceptada para descriptografia, mas o sistema não havia se tornado operacional ao final do guerra.

Descrição

Antena Huff-duff (ampliada) em uma fragata do Paquistão. Observe a disposição das quatro antenas verticais, que formam dois loops.

O conceito básico do sistema huff-duff é enviar o sinal de duas antenas para os canais X e Y de um osciloscópio. Normalmente o canal Y representaria norte / sul para as estações terrestres, ou no caso do navio, estar alinhado com o do navio título avanço / recuo. O canal X, portanto, representa leste / oeste ou bombordo / estibordo.

A deflexão do ponto no visor do osciloscópio é uma indicação direta da fase instantânea e da força do sinal de rádio. Como os sinais de rádio consistem em ondas, o sinal varia em fase a uma taxa muito rápida. Se considerarmos o sinal recebido em um canal, digamos Y, o ponto se moverá para cima e para baixo, tão rapidamente que pareceria uma linha reta vertical, estendendo-se por distâncias iguais do centro da tela. Quando o segundo canal é adicionado, sintonizado no mesmo sinal, o ponto se moverá nas direções X e Y ao mesmo tempo, fazendo com que a linha se torne diagonal. No entanto, o sinal de rádio tem um comprimento de onda finito , portanto, à medida que viaja pelos loops da antena, a fase relativa que encontra cada parte da antena muda. Isso faz com que a linha seja defletida em uma elipse ou curva de Lissajous , dependendo das fases relativas. A curva é girada de modo que seu eixo principal fique ao longo da direção do sinal. No caso de um sinal para o nordeste, o resultado seria uma elipse situada ao longo da linha de 45/225 graus no visor. Uma vez que a fase está mudando enquanto a tela está desenhando, a forma exibida resultante inclui "desfoque" que precisava ser contabilizado.

Isso deixa o problema de determinar se o sinal é nordeste ou sudoeste, já que a elipse é igualmente longa em ambos os lados do ponto central da tela. Para resolver este problema, uma antena separada, a "antena sensorial", foi adicionada a esta mistura. Esta era uma antena omnidirecional localizada a uma distância fixa dos loops a cerca de 1/2 do comprimento de onda de distância. Quando este sinal é mixado, o sinal de fase oposta desta antena suprime fortemente o sinal quando a fase está na direção da antena sensora. Este sinal foi enviado para o canal de brilho, ou eixo Z, do osciloscópio, fazendo com que a tela desaparecesse quando os sinais estivessem fora de fase. Ao conectar a antena de detecção a um dos loops, digamos, o canal norte / sul, a tela seria fortemente suprimida quando estivesse na metade inferior da tela, indicando que o sinal está em algum lugar ao norte. Neste ponto, o único rumo possível é o nordeste.

Os sinais recebidos pelas antenas são muito pequenos e em alta frequência, portanto, eles são primeiro amplificados individualmente em dois receptores de rádio idênticos. Isso requer que os dois receptores sejam extremamente bem balanceados para que um não amplifique mais do que o outro e, portanto, altere o sinal de saída. Por exemplo, se o amplificador na antena norte / sul tiver um pouco mais de ganho, o ponto não se moverá ao longo da linha de 45 graus, mas talvez na linha de 30 graus. Para equilibrar os dois amplificadores, a maioria das configurações incluiu um "loop de teste" que gerou um sinal de teste direcional conhecido.

Para os sistemas de bordo, a superestrutura do navio apresentava uma causa séria de interferência, especialmente em fase, à medida que os sinais se moviam em torno das várias obstruções de metal. Para resolver isso, o navio foi ancorado enquanto um segundo navio transmitia um sinal de teste de cerca de uma milha de distância, e os sinais resultantes foram registrados em uma folha de calibração. A nave de transmissão então se moveria para outro local e a calibração seria repetida. A calibração era diferente para diferentes comprimentos de onda, bem como direções; construir um conjunto completo de folhas para cada navio exigia um trabalho significativo.

As unidades navais, notadamente o conjunto comum HF4, incluíam uma placa de plástico giratória com uma linha, o "cursor", usada para ajudar a medir o ângulo. Isso poderia ser difícil se as pontas da elipse não alcançassem a borda da tela ou saíssem dela. Ao alinhar o cursor com os picos em cada extremidade, isso se tornou simples. As marcas hash em cada lado do cursor permitiam a medição da largura da tela e use isso para determinar a quantidade de desfoque.

Veja também

Referências

Citações
Bibliografia

Leitura adicional

  • Beesly, Patrick (1978). Very Special Intelligence: A história do Centro de Inteligência Operacional do Almirantado na Segunda Guerra Mundial . Spere. ISBN 978-0-7221-1539-8.
  • deRosa, LA "Descoberta de direção". Em Blyd, JA; Harris, DB; King, DD; et al. (eds.). Contramedidas eletrônicas . Los Altos, CA: Peninsula Publishing. ISBN 978-0-932146-00-7.
  • Williams, Kathleen Broome (1996-10-01). Arma secreta: descoberta da direção de alta frequência dos EUA na Batalha do Atlântico . Naval Institute Press. ISBN 978-1-55750-935-2.

links externos