Введение

Система навигации Decca была гиперболической системой радионавигации, позволявшей судам и самолетам определять свое местоположение, используя радиосигналы от специализированной сети статических радиопередатчиков. Система использовала сравнение фаз двух низкочастотных сигналов в диапазоне от 70 до 129 кГц, в отличие от систем, основанных на временных импульсах, таких как Gee и LORAN. Это значительно упростило разработку приемников с использованием электроники 1940-х годов, а эксплуатация была упрощена благодаря прямому отображению координат Decca без необходимости использования катодно-лучевой трубки и высококвалифицированного оператора. Система была изобретена и разработана компанией Decca в Великобритании. Впервые она была развернута Королевским флотом во время Второй мировой войны для критически важной задачи расчистки минных полей, чтобы обеспечить проведение операции «День Д». Союзникам требовалась точная система, неизвестная немцам и, следовательно, защищенная от помех. После войны система была снята с секретного режима и коммерчески разработана компанией Decca, развернутая в Великобритании и впоследствии использовавшаяся во многих регионах мира. В период расцвета насчитывалось около 180 передающих станций, использующих «цепи» из трех или четырех передатчиков каждая, что позволяло определять местоположение путем построения пересекающихся электронных линий. Основным применением Decca была навигация судов в прибрежных водах, обеспечивающая значительно более высокую точность, чем у конкурирующей системы LORAN. Рыболовные суда были основными потребителями после войны, но система также использовалась на некоторых самолетах, включая одно из первых (1949 год) применений динамических карт. Система широко использовалась в Северном море и применялась вертолетами, обслуживающими нефтяные платформы. Появление более точной системы Loran C для гражданского использования в 1974 году создало серьезную конкуренцию, но к тому времени Decca уже хорошо зарекомендовала себя и продолжала работу до 2000 года. В конечном итоге Decca Navigator была заменена GPS в 2000 году, когда эта система стала общедоступной, наряду с Loran и аналогичными системами.

Обзор

Система Decca Navigator состояла из отдельных групп наземных радиопередатчиков, организованных в цепочки из трех или четырех станций. Каждая цепочка состояла из главной станции и трех (иногда двух) вторичных станций, называемых Красной, Зеленой и Фиолетовой. В идеале вторичные станции располагались на вершинах равностороннего треугольника, а главная станция – в центре. Каждая станция передавала непрерывный волновой сигнал, и, сравнивая фазовую разницу сигналов от главной и одной из вторичных станций, можно было получить относительную меру фазы, которая отображалась на дисплее, напоминающем циферблат часов. Разница фаз возникала из-за относительного расстояния между станциями, определяемого приемником. При перемещении приемника эти расстояния изменялись, и эти изменения отображались движением стрелок на дисплеях. Если выбрать определенную разницу фаз, например, 30 градусов, и отметить все точки, где эта разница фаз наблюдается, то получится набор гиперболических линий определения местоположения, называемый шаблоном. Поскольку было три вторичные станции, существовало три шаблона, также называемые Красным, Зеленым и Фиолетовым. Шаблоны наносились на морские карты в виде гиперболических линий соответствующего цвета. Приемники определяли свое местоположение, измеряя фазовую разницу от двух или более шаблонов на дисплеях, а затем находили на карте точку пересечения двух ближайших гипербол. Точность измерения повышалась путем выбора пары шаблонов, линии которых пересекались под углом, наиболее близким к прямому.

Лань и зоны

Ранние приемники Decca были оснащены тремя вращающимися декометрами, которые показывали разность фаз для каждого рисунка. Каждый декометр приводил в действие второй индикатор, который подсчитывал количество пройденных полос – каждый 360 градусов разности фаз соответствовали одной пройденной полосе. Таким образом, при известной точке отправления можно было определить более или менее точное местоположение. Полосы группировались в зоны, в каждой из которых было 18 зеленых, 24 красных или 30 фиолетовых полос. Это означало, что на базовой линии (прямой линии между Главной станцией и ее Подчиненной станцией) ширина зоны была одинаковой для всех трех рисунков данной цепи. Типичные ширины полос и зон на базовой линии показаны в таблице ниже (для цепи 5B):

Ширина полос или зон на базовой линии
Фиолетовая полоса 352,1 м
Красная полоса 440,1 м
Зеленая полоса 586,8 м
Зоны (все рисунки) 10563 м

Полосы были пронумерованы от 0 до 23 для красных, от 30 до 47 для зеленых и от 50 до 79 для фиолетовых. Зоны обозначались буквами от А до J, с повторением после J. Координаты позиции Decca могли быть записаны следующим образом: Красный I 16,30; Зеленый D 35,80. В более поздних приемниках был встроен микропроцессор, который отображал позицию в широте и долготе.

Многопульсный

Multipulse обеспечивал автоматический метод идентификации полосы и зоны, используя те же методы сравнения фаз, что описаны выше, но на более низких частотах. Номинально непрерывные волновые передачи на самом деле были разделены на 20-секундный цикл, в течение которого каждая станция поочередно одновременно передавала все четыре частоты Decca (5f, 6f, 8f и 9f) в фазовой когерентности в течение короткого периода в 0,45 секунды каждого цикла. Эта передача, известная как Multipulse, позволяла приемнику выделить частоту 1f и, таким образом, определить полосу, в которой он находился (с точностью до зоны). Наряду с передачей частот Decca 5f, 6f, 8f и 9f, также передавался сигнал 8.2f, известный как Orange. Частота биений между сигналами 8.0f (Red) и 8.2f (Orange) позволяла получить сигнал 0.2f, что приводило к образованию гиперболической картины, в которой один цикл (360°) разности фаз соответствует 5 зонам. Если считать, что положение известно с такой точностью, это обеспечивало практически однозначное определение местоположения.

Происхождение

В 1936 году инженер Уильям О'Брайен заболел туберкулезом, что приостановило его карьеру на два года. В этот период у него возникла идея определения местоположения путем сравнения фаз непрерывных волновых передач. Это была не первая подобная система, но О'Брайен, по-видимому, разработал свою версию, не зная о других, и внес несколько усовершенствований, которые оказались полезными. Изначально он представлял себе, что система будет использоваться для испытаний самолетов, в частности, для точного вычисления скорости относительно земли. В 1938 году в Калифорнии были проведены эксперименты по выбору частот с гармоническими "биениями", позволяющими идентифицировать станции в сети передатчиков. И армия, и флот США сочли идею слишком сложной, и работы были прекращены в 1939 году. Друг О'Брайена, Харви Ф. Шварц, был главным инженером компании Decca Record в Англии. В 1939 году О'Брайен отправил ему подробности системы, чтобы ее можно было представить британским военным. Первоначально Роберт Уотсон-Уотт рассмотрел систему, но не стал ее развивать, посчитав ее слишком уязвимой для помех (и, вероятно, из-за уже проводившихся работ над системой Gee группой Уотта). Однако в октябре 1941 года британское Адмиралтейское сигнальное управление (ASE) заинтересовалось системой, которая получила классификацию Admiralty Outfit QM. Первые морские испытания были проведены между островом Англси и островом Мэн на частотах 305/610 кГц 16 сентября 1942 года. Дальнейшие испытания были проведены в северной части Ирландского моря в апреле 1943 года на частотах 70/130 кГц. Было решено, что исходные частоты не оптимальны, и была выбрана новая система с интервалом между сигналами 14 кГц. Это привело к появлению частот 5, 6, 8 и 9f, которые использовались на протяжении всего срока службы системы Decca. Частота 7f была зарезервирована для расширения, подобного Loran C, но так и не была разработана. Последующие испытания были проведены в Ирландском море в январе 1944 года для проверки широкого спектра модернизаций и серийного оборудования. К этому времени Адмиралтейству была известна конкурирующая система Gee, и обе системы были протестированы в сравнительных условиях под кодовыми названиями QM и QH. Было установлено, что QM обладает лучшим диапазоном и точностью на уровне моря, что и привело к ее принятию.

Высадка в день D

Три испытательных станции были проведены одновременно с крупномасштабными учениями по штурму и высадке в заливе Морей-Ферт в феврале/марте 1944 года. Успех испытаний, а также относительная простота использования и точность системы привели к тому, что компания Decca получила заказ на 27 приемников типа Admiralty Outfit QM. Приемник состоял из электронного блока с двумя ручками настройки и был известен операторам как "Синий газовый счетчик". Была развернута сеть Decca, включающая в себя главную станцию в Чичестере и зависимые станции в Сванаге и Бичи-Хед. Четвертый обманный передатчик был расположен в устье Темзы в рамках операции по дезинформации, призванной убедить противника в том, что вторжение будет сосредоточено в районе Кале. Двадцать один тральщик и другие суда были оснащены приемниками Admiralty Outfit QM, и 5 июня 1944 года 17 из этих кораблей использовали их для точной навигации через Ла-Манш и для траления минных полей в запланированных районах. Очищенные участки были обозначены буями в преддверии высадки в Нормандии. После первоначальных испытаний на кораблях, компания Decca провела испытания в автомобилях, совершая поездки в районе Кингстон-Бай-Пасс для проверки точности приемника. В автомобильной установке было установлено, что можно ориентироваться в пределах одной полосы движения. Компания возлагала большие надежды на то, что система сможет быть использована в авиации, обеспечивая гораздо более точную навигацию в критически важном воздушном пространстве вокруг аэропортов и городских центров, где наблюдалась наибольшая плотность воздушного движения.

Коммерческое использование

После окончания Второй мировой войны была создана компания Decca Navigator Co. Ltd. (1945), и система быстро расширилась, особенно в районах, находившихся под британским влиянием; на пике своего развития она была развернута во многих крупных судоходных районах мира. К 1970 году в эксплуатации находилось более 15 000 приемных устройств на судах. В Англии было 4 сети, в Ирландии – 1, в Шотландии – 2, в Скандинавии – 12 (по 5 в Норвегии и Швеции и по 1 в Дании и Финляндии), еще 4 в других частях Северной Европы и 2 в Испании. Канада также была одним из первых пользователей, с открытием филиалов в Торонто в 1953 году. Первая сеть была установлена на юго-западе Ньюфаундленда в 1956 году в рамках совместной канадско-американской военно-морской программы картографических работ. Это привело к коммерческому внедрению в следующем году в Новой Шотландии и созданию внутриконтинентальной системы для воздушного движения в оживленном районе Квебек-Монреаль. В 1958 году была добавлена четвертая сеть, охватывающая восточную часть Ньюфаундленда. Когда на встречах в Монреале в 1958 году VOR и DME были выбраны в качестве стандартных систем авиационной навигации, монреальская система была перемещена на восток, чтобы охватить район острова Антикости в заливе Святого Лаврентия, а западная сеть Ньюфаундленда позже была передислоцирована для лучшего покрытия пролива Кабот. Также была предложена серия сетей для покрытия Северо-Западного прохода в случае использования этого района нефтяными танкерами, но этого так и не произошло. Другая сеть была ненадолго установлена на озере Онтарио в 1971 году в рамках Международного геофизического года Великих озер. Последняя канадская сеть была закрыта в 1986 году после широкого распространения Loran C. В конце 1950-х годов в США, в районе Нью-Йорка, была создана экспериментальная сеть Decca, которая использовалась для навигации вертолетов Vertol 107 компании New York Airways. Эти вертолеты выполняли рейсы из основных местных аэропортов – аэропорта Идлвайлд на Лонг-Айленде, аэропорта Ньюарк в Нью-Джерси, аэропорта Ла-Гуардия в районе Куинс, ближе к Манхэттену, и площадки на вершине (тогдашнего) здания PanAm на Парк-авеню. Использование Decca было необходимо, поскольку сигналы системы могли приниматься до уровня моря, не подвергались ограничениям прямой видимости, характерным для VOR/DME, и не страдали от ошибок дальности, возникающих при использовании VOR/DME вблизи передатчиков. Установки Decca на вертолетах New York Airways включали уникальные дисплеи Decca типа "катушка", которые позволяли пилоту мгновенно видеть свое положение, что было невозможно реализовать с помощью VOR/DME. Эта установка сети считалась весьма спорной в то время по политическим причинам. Это привело к тому, что Береговая охрана США, по указанию Министерства финансов, которому она подчинялась, запретила использование приемников Decca на судах, входящих в гавань Нью-Йорка, опасаясь, что система может создать де-факто стандарт (как это уже произошло в других регионах мира). Это также было направлено на защиту маркетинговых интересов подразделения Hoffman Electronics компании ITT, основного поставщика систем VOR/DME, которое Decca могла бы вытеснить. Ситуацию усугубляли проблемы с рабочей нагрузкой Ассоциации авиадиспетчеров (ATCA) под руководством исполнительного директора Фрэнсиса МакДермотта, чьи члены были вынуждены использовать данные радаров о положении самолетов, передавая эти данные по радио самолетам с их диспетчерских пунктов. Примером проблемы, приведенным экспертами, стало столкновение Douglas DC8 и Lockheed Constellation над островом Стейтен-Айленд, Нью-Йорк, которого, по мнению некоторых экспертов, можно было избежать, если бы самолеты были оснащены Decca, что позволило бы им не только более точно определять свое положение, но и избежать ошибок определения позиции, присущих VOR/DME. Другие сети были созданы в Японии (6 сетей); Намибии и Южной Африке (5 сетей); Индии и Бангладеш (4 сети); Северо-Западной Австралии (2 сети); Персидском заливе (1 сеть со станциями в Катаре и Объединенных Арабских Эмиратах и вторая сеть на севере залива со станциями в Иране) и на Багамских островах (1 сеть). Для Нигерии было запланировано четыре сети, но были построены только две, и они не были введены в эксплуатацию. Две сети во Вьетнаме использовались во время войны во Вьетнаме для навигации вертолетов, но с ограниченным успехом. Во время периода холодной войны, последовавшего за Второй мировой войной, Королевские ВВС (R.A.F.) создали конфиденциальную сеть в Германии. Главная станция находилась в Бад-Ибурге, недалеко от Оснабрюка, и имела две зависимые станции. Целью этой сети было обеспечение точной аэронавигации в коридоре между Западной Германией и Берлином в случае необходимости массовой эвакуации союзного персонала. Для поддержания секретности частоты менялись через нерегулярные промежутки времени.

Decca, Racal и закрытие

Штаб-квартира Decca Navigator находилась в Нью-Мэлдене, графство Суррей, рядом с объездной дорогой Кингстон. В Брикшеме, Девон, располагалась школа Decca, куда время от времени направляли сотрудников на обучение. Компания Racal, британский производитель вооружений и средств связи, приобрела Decca в 1980 году. Объединив радарные активы Decca со своими собственными, Racal начала продавать остальные части компании, включая авионику и Decca Navigator. Значительная часть дохода от системы Decca поступала от аренды приемников пользователям, а не от их прямой продажи. Это гарантировало предсказуемый годовой доход. Когда срок действия патентов на оригинальную технологию истек в начале 1980-х годов, ряд компаний быстро начали производить новые приемники. В частности, Aktieselskabet Dansk Philips («Danish Philips», ap) представила приемники, которые можно было приобрести сразу, и они были значительно меньше и проще в использовании, чем существующие аналоги Decca. Приемники версии «ap» напрямую выдавали значения долготы и широты с точностью до двух десятичных знаков (первоначально только в системе координат ED50) вместо использования дисплеев «декометра», обеспечивая точность лучше, чем ±9,3 м, что значительно превосходило точность устройств Decca. Это также устранило необходимость в специальных картах, напечатанных с линиями и зонами Decca. Decca подала в суд на ap за нарушение патентных прав и в ходе последовавшей судебной тяжбы потеряла монополию. Это стало началом конца для компании. Доходы сократились, и в конечном итоге Министерство транспорта Великобритании вмешалось, передав ответственность за эксплуатацию системы управлениями маяков в начале 1990-х годов. Решение Европейского Союза вынудило правительство Великобритании прекратить финансирование. Главное управление маяков прекратило передачу сигналов Decca в полночь 31 марта 2000 года. Ирландская сеть, предоставленная Bórd Iascaigh Mhara, продолжала передавать сигналы до 19 мая 2000 года. Япония продолжала эксплуатировать сеть Хоккайдо до марта 2001 года – последнюю действующую сеть Decca.

Делак

В послевоенный период компания Decca начала изучение системы дальнего действия, аналогичной Decca, но использующей значительно более низкие частоты для обеспечения приёма небесных волн на больших расстояниях. В феврале 1946 года компания предложила систему с двумя основными станциями, расположенными в аэропорту Шэннон (Ирландия) и международном аэропорту Гандер (Ньюфаундленд, в настоящее время часть Канады). Вместе эти станции должны были обеспечивать навигацию по основному ортодромическому маршруту между Лондоном и Нью-Йорком. Третья станция на Бермудских островах предоставляла бы общую информацию о дальности для определения местоположения и контроля продвижения по трассе. Работа над этой концепцией продолжалась, и в 1951 году была представлена модифицированная версия, обеспечивающая навигацию на очень больших площадях. Она получила название Delrac – сокращение от "Decca Long Range Area Cover" (Decca – радиус действия на большой площади). В 1954 году была разработана дальнейшая версия, включающая элементы системы POPI Главного почтового ведомства, и предложено 28 станций для обеспечения глобального покрытия. Предполагалось, что система обеспечит точность определения местоположения в 95% случаев. Дальнейшая разработка была прекращена в пользу системы Dectra.

Дектра

В начале 1960-х годов Радиотехническая комиссия по аэронавтике (RTCA), в рамках более широких усилий ИКАО, начала процесс внедрения стандартной радионавигационной системы дальнего радиуса действия для использования в авиации. Decca предложила систему, способную обеспечивать высокую точность на малых расстояниях и трансатлантическую навигацию с меньшей точностью, используя один приемник. Система получила название Dectra, сокращение от "Decca Track". В отличие от системы Delrac, Dectra по сути представляла собой обычную систему Decca Navigator с модификацией нескольких существующих передающих пунктов. Они располагались в восточной части Ньюфаундленда и в Шотландии и были оснащены большими антеннами и мощными передатчиками, излучающими в 20 раз больше энергии, чем обычные станции цепи. Поскольку длина базовых линий цепи не изменилась и оставалась относительно небольшой, на больших расстояниях сигнал практически не обеспечивал точности. Вместо этого Dectra функционировала как система следования по трассе: самолеты ориентировались, удерживаясь в пределах сигнала, определяемого конкретной полосой Decca. Главным преимуществом Dectra по сравнению с другими системами, предложенными для решения RTCA, было то, что ее можно было использовать как для навигации на средние дистанции над сушей, так и для навигации на большие дистанции над Атлантикой. Для сравнения, система VOR/DME, которая в конечном итоге победила в конкурсе, обеспечивала навигацию в радиусе, возможно, 200 миль, и не могла решить проблему больших расстояний. Кроме того, поскольку система Decca предоставляла координаты X и Y, а не угол и дальность, как VOR/DME, Decca предложила использовать ее в сочетании со своим движущимся картографическим дисплеем Decca Flight Log для повышения удобства навигации. Несмотря на эти преимущества, RTCA в конечном итоге выбрала VOR/DME по двум основным причинам: VOR обеспечивал покрытие примерно того же радиуса, что и Decca – около 200 миль, но делал это с помощью одного передатчика вместо четырех у Decca, а частоты Decca оказались подвержены помехам от статического электричества, вызванного молнией, в то время как более высокие частоты VOR были менее чувствительны. Decca продолжала предлагать использовать Dectra для решения задач дальнего радиуса действия. В 1967 году они установили еще один передатчик в Исландии для обеспечения радиосвязи вдоль трассы Шотландия – Ньюфаундленд, а второй планировалось установить на Азорских островах. Они также установили приемники Dectra с компьютерами Omnitrac и облегченную версию журнала полетов на ряд коммерческих авиалайнеров, в частности на BOAC Vickers VC10. Omnitrac мог принимать данные от Decca (и Dectra), Loran C, VOR/DME, бортового компьютера воздушных данных и доплеровских радаров и объединять их для получения выходных данных в виде широты и долготы, а также пеленга, оставшегося расстояния, курса и подключения к автопилоту. Их усилия по стандартизации в конечном итоге были прекращены, поскольку для этих целей стали устанавливать инерциальные навигационные системы.

Hi-Fix

Более точная система под названием Hi Fix была разработана с использованием сигнализации в диапазоне 1,6 МГц. Она применялась в специализированных областях, таких как высокоточные измерения при бурении нефтяных скважин, а также Королевским военно-морским флотом для детального картографирования и гидрографической съемки побережья и портов. Оборудование Hi Fix сдавалось в аренду на определенный срок с созданием временных сетей для обеспечения покрытия необходимой территории. В начале 1980-х годов Hi Fix была коммерциализирована компанией Racal Survey. Экспериментальная сеть была установлена с охватом центрального Лондона, а приемники размещены в лондонских автобусах и других транспортных средствах для демонстрации ранней системы определения местоположения и отслеживания транспортных средств. Каждое транспортное средство автоматически передавало данные о своем местоположении через стандартный двусторонний радиоканал VHF, добавляя информацию к голосовому каналу. Другое приложение было разработано подразделением Bendix Pacific компании Bendix Corporation, расположенным в Норт-Холливуде, Калифорния, но не было внедрено: PFNS — Personal Field Navigation System, которая позволила бы отдельным солдатам определять свои географические координаты задолго до появления спутниковой системы GPS (Global Positioning System). Еще одно применение системы Decca было реализовано ВМС США в конце 1950-х – начале 1960-х годов для использования в районе пролива "Язык Океана"/Звука Элютера вблизи Багамских островов, разделяющих острова Андрос и Нью-Провиденс. Применение было связано с гидроакустическими исследованиями, ставшими возможными благодаря уникальным характеристикам морского дна. Интересной особенностью сигнала Decca VLF, обнаруженной во время тестовых рейсов BOAC, а затем British Airways, в Москву, было то, что переключение несущей частоты оставалось незаметным, хотя сигнал был достаточно сильным для обеспечения навигации. Подобные испытания с участием гражданских самолетов довольно распространены и могут быть неизвестны пилотам. Низкочастотная сигнализация системы Decca также позволяла использовать ее на подводных лодках. Одним из "усовершенствований" системы Decca было предложение возможности передачи сигнала с помощью кода Морзе для оповещения о начале ядерной войны. Правительство Великобритании так и не воспользовалось этой опцией. Однако сообщения тайно передавались между станциями Decca, обходя международные телефонные линии, особенно в сетях, расположенных за пределами Великобритании.