Радиопеленгация: Определение направления на источник сигнала

Радиопеленгация (RDF): определение направления на источник радиосигнала. Применение в навигации, спасении, отслеживании и поиске помех.

26 мин чтения

100%

Источник: Direction finding — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Измерение направления, с которого был передан принятый сигнал.

Поиск направления (DF), или радиопеленгация (RDF), – это использование радиоволн для определения направления на радиоисточник. Источником может быть как намеренно излучающий радиопередатчик, так и непреднамеренный источник, природный радиоизлучатель или нелегальная/вражеская система. Радиопеленгация отличается от радиолокации тем, что любой отдельный приемник определяет только направление; радиолокационная система обычно также определяет расстояние до объекта, помимо направления. Путем триангуляции можно определить местоположение радиоисточника, измерив его направление с двух или более точек. Радиопеленгация используется в радионавигации для судов и самолетов, для обнаружения аварийных передатчиков в целях поиска и спасения, для отслеживания диких животных и для обнаружения незаконных или создающих помехи передатчиков. Во время Второй мировой войны обе стороны использовали радиопеленгацию для обнаружения и наведения самолетов, надводных кораблей и подводных лодок. Системы RDF могут использоваться с любым радиоисточником, хотя для очень длинных волн (низких частот) требуются очень большие антенны, и они обычно используются только в наземных системах. Тем не менее, эти длины волн используются для морской радионавигации, поскольку они могут распространяться на большие расстояния "за горизонт", что особенно ценно для судов, когда видимость ограничена несколькими десятками километров. Для авиации, где горизонт может простираться на сотни километров, можно использовать более высокие частоты, что позволяет использовать гораздо меньшие антенны. Автоматический пеленгатор, который можно было настроить на радиомаяки, называемые недирекционными маяками или коммерческие AM-радиостанции, в XX веке был стандартным оборудованием большинства самолетов, но постепенно выводится из эксплуатации. Для военных RDF является ключевым инструментом радиоразведки. Возможность определения местоположения вражеского передатчика была бесценной со времен Первой мировой войны и сыграла ключевую роль в битве за Атлантику во Второй мировой войне. По оценкам, передовые британские системы "хафф-дафф" были прямо или косвенно ответственны за гибель 24% всех немецких подводных лодок в ходе войны. Современные системы часто используют антенны с фазированной решеткой для быстрого формирования диаграммы направленности и достижения высокой точности, являясь частью более крупного комплекса радиоэлектронной борьбы. Первые радиопеленгаторы использовали механически вращающиеся антенны, сравнивающие уровни сигнала, за которыми последовало несколько электронных версий той же концепции. Современные системы используют сравнение фаз или доплеровские методы, которые, как правило, проще автоматизировать. Первые британские радиолокационные станции назывались RDF, что часто интерпретировалось как дезинформация. На самом деле, системы Chain Home использовали большие RDF-приемники для определения направлений. Позднее радиолокационные системы обычно использовали одну антенну для передачи и приема, определяя направление по направлению, в котором была ориентирована антенна.

Direction finding (DF), or radio direction finding (RDF), is the use of radio waves to determine the direction to a radio source. The source may be a cooperating radio transmitter or may be an inadvertant source, a naturally occurring radio source, or an illicit or enemy system. Radio direction finding differs from radar in that only the direction is determined by any one receiver; a radar system usually also gives a distance to the object of interest, as well as direction. By triangulation, the location of a radio source can be determined by measuring its direction from two or more locations. Radio direction finding is used in radio navigation for ships and aircraft, to locate emergency transmitters for search and rescue, for tracking wildlife, and to locate illegal or interfering transmitters. During the Second World War, radio direction finding was used by both sides to locate and direct aircraft, surface ships, and submarines. RDF systems can be used with any radio source, although very long wavelengths (low frequencies) require very large antennas, and are generally used only on ground based systems. These wavelengths are nevertheless used for marine radio navigation as they can travel very long distances "over the horizon", which is valuable for ships when the line of sight may be only a few tens of kilometres. For aerial use, where the horizon may extend to hundreds of kilometres, higher frequencies can be used, allowing the use of much smaller antennas. An automatic direction finder, which could be tuned to radio beacons called non directional beacons or commercial AM radio broadcasters, was in the 20th century a feature of most aircraft, but is being phased out. For the military, RDF is a key tool of signals intelligence. The ability to locate the position of an enemy transmitter has been invaluable since World War I, and played a key role in World War II's Battle of the Atlantic. It is estimated that the UK's advanced "huff duff" systems were directly or indirectly responsible for 24% of all U boats sunk during the war. Modern systems often used phased array antennas to allow rapid beamforming for highly accurate results, and are part of a larger electronic warfare suite. Early radio direction finders used mechanically rotated antennas that compared signal strengths, and several electronic versions of the same concept followed. Modern systems use the comparison of phase or doppler techniques which are generally simpler to automate. Early British radar sets were referred to as RDF, which is often stated was a deception. In fact, the Chain Home systems used large RDF receivers to determine directions. Later radar systems generally used a single antenna for broadcast and reception, and determined direction from the direction the antenna was facing.

Ранние механические системы

Самые ранние эксперименты в области РПИ (Radio Direction Finding) были проведены в 1888 году, когда Генрих Герц обнаружил направленность разомкнутого контура проволоки, используемой в качестве антенны. Когда антенна была ориентирована на источник сигнала, она обеспечивала максимальный прием, а при ориентации перпендикулярно – нулевой. Это создавало неоднозначность в определении местоположения сигнала, поскольку одинаковый уровень сигнала мог быть получен как спереди, так и сзади антенны. Позднее экспериментаторы также использовали дипольные антенны, которые работали по принципу, обратному предыдущему типу: максимальный прием достигался под углом 90 градусов, а минимальный – при выравнивании. Системы РПИ, использующие механически поворачиваемые петлевые или дипольные антенны, были широко распространены к началу 20-го века. Значимые примеры были запатентованы Джоном Стоуном Стоуном в 1902 году (патент США № 716,134) и Ли де Форестом в 1904 году (патент США № 771,819), среди множества других. К началу 1900-х годов многие исследователи искали способы применения этого принципа для определения местоположения передатчика. Ранние радиосистемы обычно использовали сигналы среднего и длинного диапазона. Длинные волны, в частности, обладали хорошими характеристиками распространения на большие расстояния благодаря ограниченному взаимодействию с землей, что обеспечивало эффективное распространение земных волн по большому кругу непосредственно к передатчику. Методы РПИ для длинноволновых сигналов были важной областью исследований в 1900-х и 1910-х годах. Антенны, как правило, чувствительны к сигналам только в том случае, когда их длина составляет значительную часть длины волны или больше. Большинство антенн имеют длину не менее 1/4 длины волны, чаще 1/2 – полуволновая антенна является очень распространенной конструкцией. Для использования в длинноволновом диапазоне это приводило к созданию петлевых антенн размером в десятки футов по сторонам, часто с несколькими петлями, соединенными вместе для улучшения сигнала. Другое решение этой проблемы было разработано компанией Marconi в 1905 году. Оно заключалось в использовании нескольких горизонтальных проводов или стержней, расходящихся от общей центральной точки. Переключатель позволял соединять противоположные пары этих проводов, формируя диполь, и, вращая переключатель, оператор мог находить направление на самый сильный сигнал. ВМС США частично решили эту проблему, устанавливая антенны на корабли и двигаясь по кругу. Однако такие системы были громоздкими и непрактичными для многих применений.

The earliest experiments in RDF were carried out in 1888 when Heinrich Hertz discovered the directionality of an open loop of wire used as an antenna. When the antenna was aligned so it pointed at the signal it produced maximum gain, and produced zero signal when face on. This meant there was always an ambiguity in the location of the signal, it would produce the same output if the signal was in front or back of the antenna. Later experimenters also used dipole antennas, which worked in the opposite sense, reaching maximum gain at right angles and zero when aligned. RDF systems using mechanically swung loop or dipole antennas were common by the turn of the 20th century. Prominent examples were patented by John Stone Stone in 1902 (U. S. Patent 716,134) and Lee de Forest in 1904 (U. S. Patent 771,819), among many other examples. By the early 1900s, many experimenters were looking for ways to use this concept for locating the position of a transmitter. Early radio systems generally used medium wave and longwave signals. Longwave in particular had good long distance transmission characteristics due to their limited interaction with the ground, and thereby provided excellent great circle route ground wave propagation that pointed directly to the transmitter. Methods of performing RDF on longwave signals was a major area of research during the 1900s and 1910s. Antennas are generally sensitive to signals only when they have a length that is a significant portion of the wavelength, or larger. Most antennas are at least 1/4 of the wavelength, more commonly 1/2 – the half wave dipole is a very common design. For longwave use, this resulted in loop antennas tens of feet on a side, often with more than one loop connected together to improve the signal. Another solution to this problem was developed by the Marconi company in 1905. This consisted of a number of horizontal wires or rods arranged to point outward from a common center point. A movable switch could connect opposite pairs of these wires to form a dipole, and by rotating the switch the operator could hunt for the strongest signal. The US Navy overcame this problem, to a point, by mounting antennas on ships and sailing in circles. Such systems were unwieldily and impractical for many uses.

Беллини Тоси

Ключевое улучшение в концепции RDF было введено Этторе Беллини и Алессандро Тоси в 1909 году (патент США 943,960). В их системе использовались две такие антенны, как правило, треугольные рамки, расположенные под прямым углом друг к другу. Сигналы от антенн поступали на катушки, намотанные на деревянную раму размером с банку из-под газировки, где сигналы воссоздавались в пространстве между катушками. Отдельную рамковую антенну, расположенную в этой области, можно было использовать для определения направления, не перемещая основные антенны. Это сделало RDF значительно более практичным, и вскоре он стал широко применяться для навигации, часто как первая форма аэронавигации, с наземными станциями, пеленгующими радиостанцию самолета. Направленные искатели Беллини–Тоси были широко распространены с 1920-х по 1950-е годы. Ранние системы RDF были полезны главным образом для длинных волн. Эти сигналы способны распространяться на очень большие расстояния, что делало их полезными для дальней навигации. Однако, при применении той же техники к более высоким частотам, возникли неожиданные трудности из-за отражения высокочастотных сигналов от ионосферы. RDF-станция теперь могла принимать один и тот же сигнал из двух или более точек, особенно днём, что создавало серьёзные проблемы при определении местоположения. Это привело к разработке в 1919 году антенны Адкока (патент Великобритании 130,490), которая состояла из четырех отдельных штыревых антенн вместо двух рамок, устраняя горизонтальные компоненты и, таким образом, отфильтровывая небесные волны, отражающиеся от ионосферы. Антенны Адкока широко использовались с детекторами Беллини–Тоси начиная с 1920-х годов. В 1931 году Военно-воздушные силы США испытали примитивный радиокомпас, использующий коммерческие радиостанции в качестве радиомаяков.

Хфффффффффффффффффффффффффффффффффффффффффффф

Значительное усовершенствование техники RDF было внедрено Робертом Уотсоном Уаттом в ходе его экспериментов по обнаружению ударов молнии как способа определения направления гроз для моряков и летчиков. Он долгое время работал с традиционными системами RDF, но их было сложно использовать с кратковременными сигналами от молний. Он изначально предложил использовать осциллограф для почти мгновенного отображения этих сигналов, но не смог найти подходящий прибор, работая в Метеорологическом бюро. Когда бюро переехало, его новое местоположение на радиоисследовательской станции предоставило ему как антенну Адкока, так и подходящий осциллограф, и он представил свою новую систему в 1926 году. Несмотря на публичную демонстрацию системы и широкое освещение ее измерений в Великобритании, ее влияние на искусство RDF кажется странно приглушенным. Развитие было ограничено до середины 1930-х годов, когда различные британские вооруженные силы начали широкомасштабную разработку и развертывание этих систем "высокочастотного пеленгования", или систем "хафф-дафф". Чтобы избежать обнаружения RDF, немцы разработали метод передачи коротких сообщений длительностью менее 30 секунд, что меньше 60 секунд, необходимых обученному оператору Bellini Tosi для определения направления. Однако это было бесполезно против систем "хафф-дафф", которые определяли местоположение сигнала с достаточной точностью в течение нескольких секунд. Немцы не осознали эту проблему до середины войны и не предприняли серьезных шагов для ее решения до 1944 года. К тому времени "хафф-дафф" помог в примерно четверти всех успешных атак на подводный флот.

Послевоенные системы

Несколько достижений в электронике во время и после Второй мировой войны привели к значительному улучшению методов сравнения фаз сигналов. Кроме того, фазовая автоподстройка (PLL) обеспечивала простую и стабильную настройку сигналов, исключая их отклонение. Усовершенствованные вакуумные лампы и внедрение транзистора позволили экономично использовать гораздо более высокие частоты, что способствовало широкому распространению VHF и UHF сигналов. Все эти изменения привели к разработке новых методов РДФ и его более широкому применению. В частности, возможность сравнения фаз сигналов привела к появлению фазокомпараторного РДФ, который, пожалуй, является наиболее распространенной техникой на сегодняшний день. В этой системе петлевая антенна заменяется одним квадратным ферритовым сердечником с обмотками вокруг двух перпендикулярных сторон. Сигналы с обмоток поступают в схему сравнения фаз, выходная фаза которой напрямую указывает направление сигнала. Отображая эту информацию на любом типе индикатора и используя PLL для фиксации сигнала, можно непрерывно отображать направление на передатчик. Работа заключается исключительно в настройке на станцию и настолько автоматизирована, что эти системы обычно называют автоматическими пеленгаторами. Разработаны и другие системы, требующие повышенной точности. Псевдодоплеровские радиопеленгаторы используют серию небольших дипольных антенн, расположенных по окружности, и электронное переключение для быстрого выбора диполей, подаваемых на приемник. Полученный сигнал обрабатывается и преобразуется в звуковой тон. Фаза этого звукового тона, относительно вращения антенны, зависит от направления сигнала. Доплеровские РДФ системы широко заменили систему "Хафф-Дафф" для определения местоположения кратковременных сигналов.

21 век

Различные процедуры радиопеленгации для определения местоположения в море больше не входят в систему безопасности на море ГМССБ, действующую с 1999 года. Характерная крестообразная антенна с присоединенной вспомогательной антенной можно встретить лишь на сигнальных мачтах некоторых старых судов, поскольку она там не создает помех, а демонтаж был бы слишком затратным. Современные методы определения местоположения, такие как GPS, DGPS, радар и устаревший Loran-C, используют методы радиопеленгации, которые недостаточно точны для современных требований. Сети радиопеленгации также больше не существуют. Однако спасательные суда, такие как спасательные шлюпки RNLI в Великобритании, и поисково-спасательные вертолеты оснащены приемниками для определения направления на морские сигналы VHF и сигналы наведения частотой 121,5 МГц, содержащиеся в EPIRB и PLB маяках, хотя современные EPIRB с GPS и AIS-маяки постепенно делают их ненужными.

Оборудование

Радиопеленгатор (RDF) – устройство для определения направления или пеленга к радиоисточнику. Процесс измерения направления известен как радиопеленгация или, иногда, просто пеленгация (DF). Используя два или более измерений, выполненных из разных точек, можно определить местоположение неизвестного передатчика; альтернативно, используя два или более измерений от известных передатчиков, можно определить местоположение транспортного средства. RDF широко используется в качестве радионавигационной системы, особенно на судах и самолетах. Системы RDF могут работать с любым радиоисточником, хотя размер приемных антенн зависит от длины волны сигнала: очень большие длины волн (низкие частоты) требуют очень больших антенн и обычно используются только в наземных системах. Тем не менее, эти длины волн весьма полезны для морской навигации, поскольку они способны распространяться на большие расстояния и "за горизонт", что особенно важно для судов, когда видимость ограничена несколькими десятками километров. Для самолетов, где горизонт на высоте может простираться на сотни километров, можно использовать более высокие частоты, что позволяет применять значительно меньшие антенны. Автоматический пеленгатор, часто способный настраиваться на коммерческие AM-радиопередатчики, является стандартной функцией почти всех современных самолетов. Для военных системы RDF являются ключевым компонентом систем и методологий радиоразведки. Возможность определения местоположения вражеского передатчика была неоценимой с 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 гибель 24% всех немецких подводных лодок в ходе войны. Современные системы часто используют антенны с фазированной решеткой для быстрого формирования диаграммы направленности и достижения высокой точности. Они обычно интегрированы в более широкий комплекс средств радиоэлектронной борьбы. С течением времени использовались различные поколения систем RDF, отражающие новые достижения в электронике. Ранние системы использовали механически вращающиеся антенны, сравнивающие уровни сигнала с разных направлений, за которыми последовали несколько электронных версий той же концепции. Современные системы используют сравнение фаз или доплеровские методы, которые, как правило, проще автоматизировать. Современные псевдодоплеровские пеленгаторы состоят из нескольких небольших антенн, закрепленных на круговой платформе, при этом вся обработка выполняется программным обеспечением. Ранние британские радиолокационные станции также назывались RDF, что было тактикой дезинформации. Однако эта терминология не была неточной: системы Chain Home использовали отдельные всенаправленные передатчики и большие приемники RDF для определения местоположения целей. После Второй мировой войны многие крупные и мелкие фирмы производили оборудование для пеленгации для моряков, включая Apelco, Aqua Guide, Bendix, Gladding (и его морское подразделение Pearce Simpson), Ray Jefferson, 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 авиационном оборудовании Bendix и Sperry Rand были двумя крупнейшими производителями RDF-радиостанций и навигационных приборов.

A radio direction finder (RDF) is a device for finding the direction, or bearing, to a radio source. The act of measuring the direction is known as radio direction finding or sometimes simply direction finding (DF). Using two or more measurements from different locations, the location of an unknown transmitter can be determined; alternately, using two or more measurements of known transmitters, the location of a vehicle can be determined. RDF is widely used as a radio navigation system, especially with boats and aircraft. RDF systems can be used with any radio source, although the size of the receiver antennas are a function of the wavelength of the signal; very long wavelengths (low frequencies) require very large antennas, and are generally used only on ground based systems. These wavelengths are nevertheless very useful for marine navigation as they can travel very long distances and "over the horizon", which is valuable for ships when the line of sight may be only a few tens of kilometres. For aircraft, where the horizon at altitude may extend to hundreds of kilometres, higher frequencies can be used, allowing much smaller antennas. An automatic direction finder, often capable of being tuned to commercial AM radio transmitters, is a feature of almost all modern aircraft. For the military, RDF systems are a key component of signals intelligence systems and methodologies. The ability to locate the position of an enemy transmitter has been invaluable since World War I, and it played a key role in World War II's Battle of the Atlantic. It is estimated that the UK's advanced "huff duff" systems were directly or indirectly responsible for 24% of all U boats sunk during the war. Modern systems often use phased array antennas to allow rapid beam forming for highly accurate results. These are generally integrated into a wider electronic warfare suite. Several distinct generations of RDF systems have been used over time, following new developments in electronics. Early systems used mechanically rotated antennas that compared signal strengths from different directions, and several electronic versions of the same concept followed. Modern systems use the comparison of phase or doppler techniques which are generally simpler to automate. Modern pseudo Doppler direction finder systems consist of a number of small antennas fixed to a circular card, with all of the processing performed by software. Early British radar sets were also referred to as RDF, which was a deception tactic. However, the terminology was not inaccurate; the Chain Home systems used separate omnidirectional broadcasters and large RDF receivers to determine the location of the targets. After World War II, there were many small and large firms making direction finding equipment for mariners, including Apelco, Aqua Guide, Bendix, Gladding (and its marine division, Pearce Simpson), Ray Jefferson, Raytheon, and Sperry. By the 1960s, many of these radios were actually made by Japanese electronics manufacturers, such as Panasonic, Fuji Onkyo, and Koden Electronics Co., Ltd. In aircraft equipment, Bendix and Sperry Rand were two of the larger manufacturers of RDF radios and navigation instruments.

Одноканальный DF

Одноканальный DF использует многоантенную решетку с одноканальным радиоприемником. Этот подход к DF имеет свои преимущества и недостатки. Поскольку используется только один приемник, обеспечиваются мобильность и пониженное энергопотребление. Отсутствие возможности одновременного анализа сигналов с каждой антенны (что было бы возможно при использовании нескольких приемников, также известных как DF с N каналами) требует выполнения более сложных операций непосредственно на антенне для передачи сигнала приемнику. Основные категории алгоритмов одноканального DF – сравнение амплитуд и сравнение фаз. Некоторые алгоритмы могут сочетать в себе оба подхода.

Псевдодопплеровская техника DF

Псевдодопплеровская техника – это фазовый метод пеленгации, который оценивает направление прихода сигнала, измеряя доплеровский сдвиг, индуцированный на сигнале при дискретизации вокруг элементов кругового антенного массива. Изначальный метод использовал одну антенну, физически перемещающуюся по окружности, но современный подход применяет многоантенный круговой массив, в котором дискретизация выполняется последовательно с каждой антенной.

WatsonWatt, или антенный массив Adcock

Метод Уотсона-Ватта использует две пары антенн для выполнения сравнения амплитуд принимаемого сигнала. Распространенный метод Уотсона-Ватта использует антенную решетку из двух ортогональных катушек (магнитных диполей) в горизонтальной плоскости, часто дополненную всенаправленным электрическим диполем с вертикальной поляризацией для устранения неоднозначности в 180°. Антенная решетка Адкока использует пару монопольных или дипольных антенн, вычисляющих векторную разность принимаемого сигнала на каждой антенне, обеспечивая один выход от каждой пары антенн. Две такие пары располагаются в одной точке, но ориентированы перпендикулярно друг другу, формируя сигналы, которые можно назвать сигналами "север-юг" (N–S) и "восток-запад" (E–W), которые затем поступают в приемник. В приемнике угол направления может быть вычислен как арктангенс отношения сигнала "север-юг" к сигналу "восток-запад".

Коррелятивный интерферометр

Основной принцип коррелятивного интерферометра заключается в сравнении измеренных разностей фаз с разностями фаз, полученными для системы антенн DF известной конфигурации при известном угле прихода волны (референтный набор данных). Для этого необходимо, чтобы как минимум три антенных элемента (с всенаправленными характеристиками приема) формировали неколлинеарную базу. Сравнение выполняется для различных значений азимута и угла места в референтном наборе данных. Определение направления осуществляется посредством корреляционной и стохастической обработки, при которой коэффициент корреляции достигает максимума. Если антенные элементы, используемые для пеленгации, имеют направленную диаграмму направленности, то в сравнение может быть включена и амплитуда. Обычно система коррелятивного интерферометра DF состоит из более чем пяти антенных элементов. Они последовательно сканируются с помощью специальной коммутационной матрицы. В многоканальной системе DF n антенных элементов комбинируются с m приемными каналами для повышения эффективности системы DF.

Радионавигация

Радиопеленгация, радиопеленгатор или RDF, когда-то был основным авиационным средством навигации. (Range and Direction Finding – аббревиатура, использовавшаяся для обозначения предшественника радара. Эти станции могут определить местоположение самолета ("фикс") и передать его пилоту по радио.

Морская и воздушная навигация

Радиопередатчики для воздушной и морской навигации известны как радиомаяки и являются радиоэквивалентом маяка. Передатчик передает сигнал азбукой Морзе на длинных (150–400 кГц) или средних (520–1720 кГц) волнах, 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 содержит информации о направлении, поэтому эти маяки называются недирекционными маяками, или NDB. Так как коммерческая средневолновая полоса находится в пределах частотных возможностей большинства RDF-приемников, эти станции и их передатчики также могут использоваться для определения местоположения. Хотя эти коммерческие радиостанции могут быть полезны благодаря их высокой мощности и расположению вблизи крупных городов, расстояние между местонахождением станции и ее передатчиком может составлять несколько миль, что может снизить точность определения местоположения при приближении к городу вещания. Другой фактор заключается в том, что некоторые AM-радиостанции всенаправлены в течение дня и переключаются на сигнал меньшей мощности и направленности ночью. РДФ (радиопеленгатор) когда-то был основным средством навигации для авиации и морского флота. Сети радиомаяков формировали "воздушные трассы" между аэропортами, а морские NDB и коммерческие AM-радиостанции обеспечивали навигационную поддержку небольшим судам, приближающимся к берегу. В Соединенных Штатах коммерческие AM-радиостанции были обязаны передавать свой идентификатор станции один раз в час для использования пилотами и моряками в качестве средства навигации. В 1950-х годах авиационные NDB были дополнены системой VOR, в которой направление на маяк можно определить непосредственно из сигнала, что и отличает ее от недирекционных маяков. Использование морских NDB в Северной Америке в значительной степени было заменено развитием системы LORAN в 1970-х годах. Сегодня многие NDB выведены из эксплуатации в пользу более быстрых и точных навигационных систем GPS. Однако низкая стоимость систем ADF и RDF, а также продолжающееся существование AM-радиостанций (а также навигационных маяков в странах за пределами Северной Америки) позволяют этим устройствам продолжать функционировать, в основном на небольших лодках, в качестве дополнительного или резервного средства к GPS.

Radio transmitters for air and sea navigation are known as beacons and are the radio equivalent to a lighthouse. The transmitter sends a Morse Code transmission on a Long wave (150 – 400 kHz) or Medium wave (520 – 1720 kHz) frequency incorporating the station's identifier that is used to confirm the station and its operational status. Since these radio signals are broadcast in all directions (omnidirectional) during the day, the signal itself does not include direction information, and these beacons are therefore referred to as non directional beacons, or NDBs. As the commercial medium wave broadcast band lies within the frequency capability of most RDF units, these stations and their transmitters can also be used for navigational fixes. While these commercial radio stations can be useful due to their high power and location near major cities, there may be several miles between the location of the station and its transmitter, which can reduce the accuracy of the 'fix' when approaching the broadcast city. A second factor is that some AM radio stations are omnidirectional during the day, and switch to a reduced power, directional signal at night. RDF was once the primary form of aircraft and marine navigation. Strings of beacons formed "airways" from airport to airport, while marine NDBs and commercial AM broadcast stations provided navigational assistance to small watercraft approaching a landfall. In the United States, commercial AM radio stations were required to broadcast their station identifier once per hour for use by pilots and mariners as an aid to navigation. In the 1950s, aviation NDBs were augmented by the VOR system, in which the direction to the beacon can be extracted from the signal itself, hence the distinction with non directional beacons. Use of marine NDBs was largely supplanted in North America by the development of LORAN in the 1970s. Today many NDBs have been decommissioned in favor of faster and far more accurate GPS navigational systems. However the low cost of ADF and RDF systems, and the continued existence of AM broadcast stations (as well as navigational beacons in countries outside North America) has allowed these devices to continue to function, primarily for use in small boats, as an adjunct or backup to GPS.

Местонахождение незаконных, секретных или враждебных передатчиков SIGINT

Во время Второй мировой войны были приложены значительные усилия для выявления секретных передатчиков в Соединенном Королевстве (Великобритания) с помощью пеленгации. Работу выполняла Служба радиозащиты (RSS, также МИ8). Первоначально в 1939 году Генеральным почтовым отделением было установлено три станции U Adcock HF DF. С объявлением войны МИ5 и RSS развили это в более крупную сеть. Одной из проблем, связанных с обеспечением покрытия территории размером с Великобританию, была установка достаточного количества станций DF для приема небесных волн, отраженных от ионизированных слоев в верхних слоях атмосферы. Даже при расширении сети некоторые районы не были адекватно охвачены, и по этой причине было привлечено до 1700 добровольных перехватчиков (радиолюбителей) для обнаружения незаконных передач по наземной волне. Помимо стационарных станций, RSS использовала парк мобильных автомобилей DF по всей Великобритании. Если передатчик был идентифицирован фиксированными станциями DF или добровольными перехватчиками, мобильные группы направлялись в район для определения источника. Мобильные установки представляли собой системы HF Adcock. К 1941 году в Великобритании было выявлено лишь несколько незаконных передатчиков; это были немецкие агенты, завербованные на сторону союзников и передававшие информацию под контролем МИ5. Было зафиксировано множество незаконных передач, исходящих от немецких агентов в оккупированных и нейтральных странах Европы. Этот трафик стал ценным источником разведданных, поэтому контроль над RSS впоследствии был передан МИ6, отвечавшей за секретную разведку, поступающую из-за пределов Великобритании. Операция по пеленгации и перехвату увеличивалась в объеме и значимости до 1945 года. Станции HF Adcock состояли из четырех 10-метровых вертикальных антенн, окружающих небольшую деревянную будку операторов, в которой находились приемник и радиопеленгатор, настраиваемый для определения пеленга. Также использовались станции MF, с четырьмя 30-метровыми мачтовыми антеннами, закрепленными оттяжками. В 1941 году RSS начала экспериментировать с направленными петлевыми антеннами, разработанными компанией Marconi и Национальной физической лабораторией Великобритании. Они состояли из двух параллельных петель размером 1–2 м на концах вращающейся балки длиной 3–8 м. Угол балки в сочетании с данными радиопеленгатора позволял определить пеленг. Полученный пеленг был значительно точнее, чем при использовании системы U Adcock, но существовали неоднозначности, которые помешали установке семи запланированных систем S.L. DF. Оператор системы S.L. находился в металлическом подземном резервуаре под антеннами. Было установлено семь подземных резервуаров, но только две системы S.L. были установлены в Уаймондаме (Норфолк) и Уиверторпе (Йоркшир). Возникшие проблемы привели к тому, что остальные пять подземных резервуаров были оснащены системами Adcock. Вращение антенны S.L. осуществлялось вручную, что делало последовательные измерения значительно медленнее, чем вращение циферблата пеленгатора. Еще одна экспериментальная станция с направленными петлевыми антеннами была построена недалеко от Абердина в 1942 году для Министерства авиации с полуподземным бетонным бункером. От нее также пришлось отказаться из-за сложностей в эксплуатации. К 1944 году была разработана мобильная версия направленной петлевой антенны, которая использовалась RSS во Франции после высадки в Нормандии. Военные США использовали береговую версию направленной петлевой антенны DF во время Второй мировой войны под названием "DAB". Петли располагались на концах балки, вся конструкция находилась внутри деревянной хижины, а электроника – в большом шкафу с кинескопом в центре балки, и все это поддерживалось на центральной оси. Балкой оператор вращал вручную. В 1944 году Королевский флот внедрил модификацию береговых станций HF DF для отслеживания подводных лодок в Северной Атлантике. Они построили группы из пяти станций DF, чтобы объединить пеленги, полученные с отдельных станций в группе, и вычислить среднее значение. Четыре такие группы были построены в Великобритании: в Форд-Энде (Эссекс), Гунхаверне (Корнуолл), Анструтере и Боуэрмаддене (Шотландское нагорье). Группы также были построены в Исландии, Новой Шотландии и Ямайке. Ожидаемого улучшения не произошло, но последующая статистическая обработка улучшила систему, и группы в Гунхаверне и Форд-Энде продолжали использоваться во время холодной войны. Королевский флот также развернул оборудование для пеленгации на кораблях, предназначенных для борьбы с подводными лодками, чтобы попытаться обнаружить немецкие подводные лодки, например, фрегаты класса "Капитан" были оснащены среднечастотной направленной антенной (MF/DF) (антенна устанавливалась перед мостиком) и высокочастотной направленной антенной (HF/DF, "Huffduff") типа FH 4 (антенна устанавливалась на вершине мачты). Подробный справочник по пеленгации беспроводной связи во время Второй мировой войны был написан Роландом Кином, возглавлявшим инженерный отдел RSS в Хэнслоуп-парке. Описанные здесь системы DF подробно описаны в его книге 1947 года "Wireless Direction Finding". В конце Второй мировой войны ряд станций DF RSS продолжали работать во время холодной войны под контролем GCHQ, британской организации SIGINT. В настоящее время (2009 год) основная часть работы по пеленгации в Великобритании направлена на обнаружение несанкционированных "пиратских" FM-радиопередач. Используется сеть дистанционно управляемых ВЧ-пеленгаторов, расположенных в основном вокруг крупных городов. Передачи с мобильных телефонов также обнаруживаются с помощью пеленгации, основанной на сравнительной силе сигнала на окружающих местных "сотовых" приемниках. Эта техника часто используется в качестве доказательства в уголовных делах в Великобритании и, несомненно, в целях SIGINT.

In World War II considerable effort was expended on identifying secret transmitters in the United Kingdom (UK) by direction finding. The work was undertaken by the Radio Security Service (RSS also MI8). Initially three U Adcock HF DF stations were set up in 1939 by the General Post Office. With the declaration of war, MI5 and RSS developed this into a larger network. One of the problems with providing coverage of an area the size of the UK was installing sufficient DF stations to cover the entire area to receive skywave signals reflected back from the ionised layers in the upper atmosphere. Even with the expanded network, some areas were not adequately covered and for this reason up to 1700 voluntary interceptors (radio amateurs) were recruited to detect illicit transmissions by ground wave. In addition to the fixed stations, RSS ran a fleet of mobile DF vehicles around the UK. If a transmitter was identified by the fixed DF stations or voluntary interceptors, the mobile units were sent to the area to home in on the source. The mobile units were HF Adcock systems. By 1941 only a couple of illicit transmitters had been identified in the UK; these were German agents that had been "turned" and were transmitting under MI5 control. Many illicit transmissions had been logged emanating from German agents in occupied and neutral countries in Europe. The traffic became a valuable source of intelligence, so the control of RSS was subsequently passed to MI6 who were responsible for secret intelligence originating from outside the UK. The direction finding and interception operation increased in volume and importance until 1945. The HF Adcock stations consisted of four 10m vertical antennas surrounding a small wooden operators hut containing a receiver and a radio goniometer which was adjusted to obtain the bearing. MF stations were also used which used four guyed 30m lattice tower antennas. In 1941, RSS began experimenting with spaced loop direction finders, developed by the Marconi company and the UK National Physical Laboratories. These consisted of two parallel loops 1 to 2m square on the ends of a rotatable 3 to 8m beam. The angle of the beam was combined with results from a radiogoniometer to provide a bearing. The bearing obtained was considerably sharper than that obtained with the U Adcock system, but there were ambiguities which prevented the installation of 7 proposed S. L DF systems. The operator of an SL system was in a metal underground tank below the antennas. Seven underground tanks were installed, but only two SL systems were installed at Wymondham, Norfolk and Weaverthorp in Yorkshire. Problems were encountered resulting in the remaining five underground tanks being fitted with Adcock systems. The rotating SL antenna was turned by hand which meant successive measurements were a lot slower than turning the dial of a goniometer. Another experimental spaced loop station was built near Aberdeen in 1942 for the Air Ministry with a semi underground concrete bunker. This, too, was abandoned because of operating difficulties. By 1944, a mobile version of the spaced loop had been developed and was used by RSS in France following the D Day invasion of Normandy. The US military used a shore based version of the spaced loop DF in World War II called "DAB". The loops were placed at the ends of a beam, all of which was located inside a wooden hut with the electronics in a large cabinet with cathode ray tube display at the centre of the beam and everything being supported on a central axis. The beam was rotated manually by the operator. The Royal Navy introduced a variation on the shore based HF DF stations in 1944 to track U boats in the North Atlantic. They built groups of five DF stations, so that bearings from individual stations in the group could be combined and a mean taken. Four such groups were built in Britain at Ford End, Essex, Goonhavern, Cornwall, Anstruther and Bowermadden in the Scottish Highlands. Groups were also built in Iceland, Nova Scotia and Jamaica. The anticipated improvements were not realised but later statistical work improved the system and the Goonhavern and Ford End groups continued to be used during the Cold War. The Royal Navy also deployed direction finding equipment on ships tasked to anti submarine warfare in order to try to locate German submarines, e. g. Captain class frigates were fitted with a medium frequency direction finding antenna (MF/DF) (the antenna was fitted in front of the bridge) and high frequency direction finding (HF/DF, "Huffduff") Type FH 4 antenna (the antenna was fitted on top of the mainmast). A comprehensive reference on World War II wireless direction finding was written by Roland Keen, who was head of the engineering department of RSS at Hanslope Park. The DF systems mentioned here are described in detail in his 1947 book Wireless Direction Finding. At the end of World War II a number of RSS DF stations continued to operate into the Cold War under the control of GCHQ the British SIGINT organisation. Most direction finding effort within the UK now (2009) is directed towards locating unauthorised "pirate" FM broadcast radio transmissions. A network of remotely operated VHF direction finders are used mainly located around the major cities. The transmissions from mobile telephone handsets are also located by a form of direction finding using the comparative signal strength at the surrounding local "cell" receivers. This technique is often offered as evidence in UK criminal prosecutions and, almost certainly, for SIGINT purposes.

Экстренная помощь

На гражданских самолетах и судах широко используются аварийные радиобуи, указывающие местоположение. Исторически передатчики сигналов бедствия передавали только тональный сигнал и полагались на пеленгацию с помощью поисковых самолетов для определения местоположения маяка. Современные аварийные радиобуи передают уникальный идентификационный сигнал, который может включать данные GPS о местоположении, что помогает точно определить местонахождение передатчика. Лавинные трансиверы работают на стандартной частоте 457 кГц и предназначены для поиска людей и оборудования, погребенных под лавиной. Из-за малой мощности маяка направленность радиосигнала определяется локальными эффектами поля и может быть довольно сложной для определения.

Отслеживание дикой природы

Расположение радиомаркированных животных методом триангуляции — широко применяемая исследовательская техника для изучения перемещений животных. Метод был впервые использован в начале 1960-х годов, когда радиопередатчики и батареи стали достаточно компактными для крепления к диким животным, и в настоящее время широко применяется в различных исследованиях дикой природы. В большинстве случаев отслеживание диких животных, оснащенных радиопередатчиками, осуществляется полевым исследователем с помощью портативного радиопеленгатора. Когда исследователю необходимо определить местоположение конкретного животного, его можно вычислить, определив направление на передатчик из нескольких точек.

Разведка

Для отслеживания пусков ракетных систем и их траекторий используются фазированные антенные решетки и другие передовые антенные технологии. Эти системы могут применяться в оборонительных целях, а также для получения разведывательных данных о функционировании ракетных комплексов других государств. Те же самые технологии используются для обнаружения и сопровождения обычной авиации.

Астрономия

Приемники, расположенные на Земле, могут обнаруживать радиосигналы, излучаемые далекими звездами или областями ионизированного газа. Приемники в радиотелескопах могут определять общее направление таких природных радиоисточников, а иногда и сопоставлять их положение с объектами, видимыми в оптические телескопы. Точное измерение времени прихода радиоимпульсов двумя радиотелескопами, расположенными в разных точках Земли, или одним и тем же телескопом в разные моменты времени на орбите Земли вокруг Солнца, также может позволить оценить расстояние до радиоисточника.

Поиск направления на микроволновых частотах

Методы пеленгации для микроволновых частот были разработаны в 1940-х годах в ответ на растущее число передатчиков, работающих на этих более высоких частотах. Это потребовало разработки новых антенн и приемников для систем пеленгации. В военно-морских системах возможность пеленгации стала частью комплекса средств электронной поддержки (ESM), где полученная направленная информация дополняет другие процессы идентификации сигналов. В авиации система пеленгации предоставляет дополнительную информацию для приемника предупреждения о радиолокационном излучении (RWR). Со временем возникла необходимость в повышении эффективности микроволновых систем пеленгации для противодействия уклоняющимся тактикам, применяемым некоторыми операторами, таким как радиолокаторы с малой вероятностью перехвата и скрытые каналы передачи данных.

Краткая история развития микроволновой печи

Ранее в этом веке вакуумные трубки (термионические клапаны) широко использовались в передатчиках и приемниках, но их высокочастотные характеристики были ограничены эффектами времени пролета. Даже с применением специальных технологий для уменьшения длины выводов, таких как конструкция с рамчатой сеткой, используемая в EF50, и планарная конструкция, антенны также были небольшими, что позволяло собирать их в компактные антенные решетки. Кроме того, они обеспечивали формирование чётко выраженных диаграмм направленности, способных создавать узкие лучи с высоким коэффициентом усиления, что было особенно важно для радаров и каналов передачи данных. Другими преимуществами недавно ставшего доступным микроволнового диапазона были отсутствие замираний (часто возникающих в коротковолновом радиодиапазоне) и значительное увеличение спектра сигнала по сравнению с перегруженными радиочастотными диапазонами, уже находящимися в использовании. Помимо возможности одновременной передачи большего количества сигналов, появилась возможность использования методов расширения спектра и скачкообразной перестройки частоты. После того, как микроволновые технологии стали широко распространены, как военные, так и коммерческие пользователи быстро освоили этот диапазон.

Антенны для DF

Антенны для пеленгации должны соответствовать требованиям, отличным от требований к радиолокационным или коммуникационным системам, где антенна с узким лучом и высоким коэффициентом усиления обычно является преимуществом. Однако при пеленгации направление на источник может быть неизвестно, поэтому обычно выбираются антенны с широкой диаграммой направленности, даже если они имеют меньший коэффициент усиления в направлении главной оси. Кроме того, антенны должны обеспечивать широкий полосу пропускания. На рисунке представлена нормализованная диаграмма направленности типичной антенны в горизонтальной плоскости. Ширина луча по уровню мощности -3 дБ основного лепестка составляет 2 × Ψ0. При использовании методов сравнения амплитуд для пеленгации желательно, чтобы форма основного лепестка приближалась к гауссовской. Хотя на рисунке также показаны боковые лепестки, они не представляют серьезной проблемы при использовании антенн в антенной решетке для пеленгации. Как правило, коэффициент усиления антенны обратно пропорционален ширине луча. Для прямоугольного рупора коэффициент усиления ≈ 30000/BWh. BWv, где BWh и BWv – горизонтальная и вертикальная ширина луча антенны соответственно, в градусах. Для круговой апертуры с шириной луча BWc коэффициент усиления ≈ 30000/BWc2. Два популярных типа антенн для пеленгации – спиральные антенны с резонатором и рупорные антенны. Спиральные антенны обладают очень широкой полосой пропускания и номинальной шириной луча по уровню мощности -3 дБ около 70°, что делает их очень подходящими для антенных решеток, содержащих 4, 5 или 6 антенн.

Первые получатели

Ранние микроволновые приемники обычно представляли собой простые "кристаллические видео" приемники, использующие кристаллический детектор с последующим видеоусилителем с компрессионной характеристикой для расширения динамического диапазона. Такой приемник был широкополосным, но не отличался высокой чувствительностью. Однако недостаток чувствительности был допустим благодаря "преимуществу в дальности", которым обладал приемник DF (см. ниже).

Предварительно усилители Klystron и TWT

Клайстрон и СВЧ-усилитель (TWT) являются линейными устройствами и поэтому, в принципе, могли бы использоваться в качестве предварительных усилителей приемника. Однако клайстрон оказался совершенно непригодным, так как был узкополосным и отличался очень высоким уровнем шума.

Транзисторы

Транзисторы, пригодные для работы на микроволновых частотах, стали доступны к концу 1950-х годов. Первым из них был транзистор полевого эффекта с оксидным полупроводниковым слоем (MOSFET). За ним последовали другие, например, транзистор полевого эффекта металл-полупроводник и транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT). Первоначально дискретные транзисторы монтировались в полосковые или микрополосковые схемы, но затем появились микроволновые интегральные схемы. Благодаря этим новым устройствам стали возможны малошумящие предварительные усилители приемников, что значительно повысило чувствительность и, следовательно, дальность обнаружения систем DF.

DF по сравнению амплитуды

Сравнение амплитуд широко использовалось в качестве метода пеленгации, поскольку системы относительно просты в реализации, обладают хорошей чувствительностью и, что очень важно, высокой вероятностью обнаружения сигнала. Пеленгация по методам сравнения фаз может обеспечить более высокую точность определения направления, используя данный метод.

Двухканальный ДФ

Двухканальное определение направления (DF), использующее две соседние антенны кругового массива, достигается путем сравнения мощности самого сильного сигнала с мощностью сигнала, занимающего второе место по величине. Направление входящего сигнала в пределах дуги, определяемой двумя антеннами с углом наклона Φ, может быть определено путем сравнения относительных мощностей принятых сигналов. Когда сигнал приходит в направлении главной оси одной из антенн, сигнал на другой антенне будет примерно на 12 дБ ниже. Когда направление сигнала находится посередине между двумя антеннами, уровни сигнала будут равны и примерно на 3 дБ ниже уровня главной оси. При других углах азимута φ, некоторая промежуточная величина соотношения уровней сигнала позволит определить направление. Если диаграммы направленности антенн имеют гауссову характеристику, а мощности сигнала выражены в логарифмическом масштабе (например, в децибелах (дБ) относительно уровня главной оси), то существует линейная зависимость между углом азимута φ и разностью уровней мощности, то есть φ ∝ (P1(дБ) – P2(дБ)), где P1(дБ) и P2(дБ) – выходные сигналы двух соседних каналов. На эскизе показан типичный график. Для обеспечения покрытия в 360° антенны кругового массива выбираются попарно в соответствии с уровнями сигнала, принимаемого каждой антенной. Если в массиве N антенн с угловым шагом (углом наклона) Φ, то Φ = 2π/N радиан (= 360/N градусов).

Типичная система DF с шестью антеннами

На рисунке показана схема возможной системы DF. Сигналы, принимаемые антеннами, сначала усиливаются малошумящим предварительным усилителем перед детектированием усилителями-детекторами логарифмического видеосигнала (DLVA). Уровни сигнала от DLVA сравниваются для определения угла прихода сигнала. Использование логарифмической шкалы сигнала, обеспечиваемой DLVA, позволяет достичь большого динамического диапазона и упрощает вычисления при определении направления, особенно когда главные лепестки диаграмм направленности антенн имеют гауссовскую характеристику, как было показано ранее. Важной частью анализа DF является определение канала с наибольшим уровнем сигнала, что осуществляется с помощью быстродействующей схемы компаратора. Помимо процесса DF, могут исследоваться и другие характеристики сигнала, такие как длительность импульса, частота, частота повторения импульсов (PRF) и характеристики модуляции. Операция компаратора обычно включает гистерезис для предотвращения дребезга в процессе выбора, когда азимут входящего сигнала таков, что два соседних канала содержат сигналы сопоставимой амплитуды. Широкополосные усилители часто защищаются от мощных местных источников (например, на судне) входными ограничителями и/или фильтрами. Кроме того, усилители могут содержать полосовые фильтры для подавления известных, но нежелательных сигналов, которые могут ухудшить способность системы обрабатывать слабые сигналы. Некоторые из этих вопросов рассматриваются в тракте радиочастоты.