Riktningsfynd - Direction finding

För navigationsenhet som används i flygplan, se Automatisk riktningssökare .
Radiotrianguleringsschema med två riktningsantenner (A och B)
En värmekarta som visar signaltäckning av en drönare baserad på ett RF-riktnings-system
Riktningsantenn nära staden Lucerne , Schweiz

Riktningsfynd ( DF ), eller radioriktningsfynd ( RDF ), är mätningen av riktningen från vilken en mottagen signal överfördes. Detta kan avse radio eller andra former av trådlös kommunikation, inklusive upptäckt och övervakning av radarsignaler (ELINT/ESM). Genom att kombinera riktningsinformationen från två eller flera lämpligt åtskilda mottagare (eller en enda mobil mottagare) kan källan till en överföring lokaliseras via triangulering . Radiosökning hittar man vid navigering av fartyg och flygplan, för att lokalisera nödsändare för sökning och räddning , för att spåra vilda djur och för att lokalisera olagliga eller störande sändare. RDF var viktigt för att bekämpa tyska hot under både andra världskrigets slag om Storbritannien och det långvariga slaget vid Atlanten . I det förra använde luftdepartementet också RDF för att lokalisera sina egna stridsgrupper och vektorera dem för att upptäcka tyska räder.

RDF-system kan användas med alla radiokällor, även om mycket långa våglängder (låga frekvenser) kräver mycket stora antenner och används i allmänhet endast på markbaserade system. Dessa våglängder används ändå för marin radionavigering eftersom de kan färdas mycket långa sträckor "över horisonten", vilket är värdefullt för fartyg när siktlinjen bara kan vara några tiotals kilometer. För flyganvändning, där horisonten kan sträcka sig till hundratals kilometer, kan högre frekvenser användas, vilket möjliggör användning av mycket mindre antenner. En automatisk riktningssökare , som kan ställas in på radiofyrar som kallas icke-riktade fyrar eller kommersiella AM-radiosändare , var tills nyligen en funktion hos de flesta flygplan, men fasas nu ut

För militären är RDF ett viktigt verktyg för signalintelligens . Möjligheten att lokalisera positionen för en fiendesändare har varit ovärderlig sedan första världskriget och spelade en nyckelroll i andra världskrigets slag om Atlanten . Det uppskattas att Storbritanniens avancerade " huff-duff " -system direkt eller indirekt var ansvariga för 24% av alla U-båtar som sjönk under kriget. Moderna system använde ofta fasade matrisantenner för att möjliggöra snabb strålformning för mycket exakta resultat och är en del av en större elektronisk krigssvit.

Tidiga sökare för radioriktning använde mekaniskt roterade antenner som jämförde signalstyrkor och flera elektroniska versioner av samma koncept följde. Moderna system använder jämförelse av fas- eller dopplertekniker som i allmänhet är enklare att automatisera. Tidiga brittiska radarsatser kallades RDF, vilket ofta anges var ett bedrägeri. Faktum är att Chain Home -systemen använde stora RDF -mottagare för att bestämma riktningar. Senare radarsystem använde vanligtvis en enda antenn för sändning och mottagning, och bestämde riktning från den riktning antennen riktade sig.

Antenner

Riktningsfynd kräver en antenn som är riktad (mer känslig i vissa riktningar än i andra). Många antenndesigner visar denna egenskap. Till exempel har en Yagi -antenn ganska uttalad riktning, så källan till en överföring kan bestämmas helt enkelt genom att rikta den i riktningen där den maximala signalnivån erhålls. Men för att fastställa riktning till stor noggrannhet krävs mer sofistikerad teknik.

DF-antennen med korsade öglor ovanpå masten på en bogserbåt

En enkel form av riktningsantenn är slingantennen . Detta består av en öppen trådslinga på en isolerande formare, eller en metallring som bildar själva antennelementen, där slingans diameter är en tiondel av en våglängd eller mindre vid målfrekvensen. En sådan antenn kommer att vara minst känslig för signaler som är normala för ansiktet och mest mottagliga för dem som möter kant-på. Detta orsakas av fasutsignalen från den sändande fyren. Fasförändringsfasen orsakar en skillnad mellan spänningarna som induceras på vardera sidan av slingan när som helst. Slå på slingans yta kommer inte att orsaka något strömflöde. Att helt enkelt vrida antennen för att få minsta signal kommer att skapa två möjliga riktningar från vilka signalen kan komma. NULL används, eftersom små vinkelavböjningar av slingantennen nära dess nolllägen ger större förändringar i strömmen än liknande vinkelförändringar nära slingornas maxlägen. Av denna anledning används en nollposition för slingantennen.

För att lösa de två riktningsmöjligheterna används en avkänningsantenn, avkänningsantennen har inga riktningsegenskaper men har samma känslighet som slingantennen. Genom att lägga till den stabila signalen från avkänningsantennen till den växlande signalen från slingasignalen när den roterar, finns det nu bara en position när slingan roterar 360 ° vid vilken det finns nollström. Detta fungerar som en fasreferenspunkt, vilket gör att den korrekta nollpunkten kan identifieras och därmed avlägsnar 180 ° -tvetydigheten. En dipolantenn uppvisar liknande egenskaper och är grunden för Yagi -antennen, som är känd som den vanliga TV -antennen VHF eller UHF . För fortfarande mycket högre frekvenser kan paraboliska antenner användas, som är mycket riktade och fokuserar mottagna signaler från en mycket smal vinkel till ett mottagande element i mitten.

Mer sofistikerade tekniker som fasade matriser används i allmänhet för mycket exakta riktningssökande system som kallas goniometrar som används i signalintelligens (SIGINT). Ett helikopterbaserat DF -system designades av ESL Incorporated för den amerikanska regeringen redan 1972.

Se även: Radioriktningssökare
RDF-antennen på denna B-17F är placerad i det framträdande tårhöljet under näsan.

Enkanals DF

Enkanals DF använder en multi-antennmatris med en enkanals radiomottagare. Detta tillvägagångssätt för DF erbjuder några fördelar och nackdelar. Eftersom den bara använder en mottagare är rörlighet och lägre strömförbrukning fördelar. Utan förmågan att titta på varje antenn samtidigt (vilket skulle vara fallet om man skulle använda flera mottagare, även känd som N-kanal DF) måste mer komplexa operationer ske vid antennen för att presentera signalen för mottagaren.

De två huvudkategorierna som en enda kanal DF -algoritm faller i är amplitudjämförelse och fasjämförelse . Vissa algoritmer kan vara hybrider av de två.

Pseudo-doppler DF-teknik

Den pseudo-dopplerteknik är en fas baserad DF metod som ger en lageruppskattning på den mottagna signalen genom mätning av dopplerskift som induceras på signalen genom att sampla runt elementen i en cirkulär uppsättning. Den ursprungliga metoden använde en enda antenn som fysiskt rörde sig i en cirkel, men det moderna tillvägagångssättet använder en cirkulär array med flera antenner med varje antenn samplad i följd.

Watson-Watt eller Adcock-antennmatris

Huvudartikel: Adcock -antenn

Den Watson-Watt teknik använder två Adcock antennparen för att utföra en jämförelse amplitud på den inkommande signalen. Ett Adcock -antennpar är ett par monopol- eller dipolantenner som tar vektorskillnaden för den mottagna signalen vid varje antenn så att det bara finns en utgång från paret antenner. Två av dessa par är samlokaliserade men vinkelrätt orienterade för att producera det som kan kallas NS (nord-syd) och EW (öst-väst) signaler som sedan kommer att skickas till mottagaren. I mottagaren kan lagervinkeln sedan beräknas genom att ta arctangenten av förhållandet mellan NS och EW -signalen.

Korrelativ interferometer

Grundprincipen för den korrelativa interferometern består i att jämföra de uppmätta fasskillnaderna med fasskillnaderna som erhålls för ett DF -antennsystem med känd konfiguration vid en känd vågvinkel (referensdatauppsättning). Jämförelsen görs för olika azimutvärden för referensdatauppsättningen, bäringen erhålls från de data för vilka korrelationskoefficienten är högst. Om antennelementen i riktningsriktningen har ett riktat antennmönster kan amplituden inkluderas i jämförelsen.

Användande

Radionavigering

En bärbar, batteridriven GT-302 Accumatic automatisk riktningssökare för marint bruk

Radiosökning , radioriktningssökare eller RDF , var en gång det främsta flyghandlingshjälpmedlet. ( Räckvidd och riktningsfynd var en förkortning som användes för att beskriva föregångaren till radar .) Fyrar användes för att markera "luftvägar" -korsningar och för att definiera avgångs- och inflygningsprocedurer. Eftersom den överförda signalen inte innehåller information om bäring eller avstånd, kallas dessa fyrar som icke-riktade fyrar eller NDB i flygvärlden . Från 1950 -talet ersattes dessa fyrar i allmänhet med VOR -systemet, där bäringen till navigationshjälpmedlet mäts från själva signalen ; därför krävs ingen specialantenn med rörliga delar. På grund av relativt låga inköps-, underhålls- och kalibreringskostnader används NDB: er fortfarande för att markera platser för mindre flygplatser och viktiga landningsplatser för helikopter.

Ytterligare information: Icke-riktad fyr

Liknande fyrar som ligger i kustområden används också för maritim radionavigering, eftersom nästan varje fartyg är (var) utrustat med en riktningssökare (Appleyard 1988). Mycket få marina radionavigationsfyrar förblir aktiva idag (2008) eftersom fartyg har övergett navigering via RDF till förmån för GPS -navigering.

I Storbritannien finns en radioriktningsfunktionstjänst tillgänglig på 121,5 MHz och 243,0 MHz för flygplanets piloter som är i nöd eller har problem. Tjänsten är baserad på ett antal radio -DF -enheter som finns på civila och militära flygplatser och vissa HM Coastguard -stationer. Dessa stationer kan få en "fix" av flygplanet och överföra det via radio till piloten.

Placering av olagliga, hemliga eller fientliga sändare - SIGINT

Se även: Högfrekvent riktningsfynd och SIGINT
British Post Office RDF -lastbil från 1927 för att hitta olicensierade amatörradiosändare . Det användes också för att hitta regenererande mottagare som utstrålade störande signaler på grund av feedback, ett stort problem vid den tiden.

Under andra världskriget gjordes stora ansträngningar för att identifiera hemliga sändare i Storbritannien (Storbritannien) genom riktningssökning. Arbetet utfördes av Radio Säkerhetspolisen (RSS även MI8). Ursprungligen inrättades tre U Adcock HF DF -stationer 1939 av General Post Office. Med krigsförklaringen utvecklade MI5 och RSS detta till ett större nätverk. Ett av problemen med att täcka ett område i storleken på Storbritannien var att installera tillräckligt med DF -stationer för att täcka hela området för att ta emot skywave -signaler som reflekteras tillbaka från de joniserade skikten i den övre atmosfären. Även med det utökade nätverket täcktes vissa områden inte tillräckligt och därför rekryterades upp till 1700 frivilliga avlyssnare (radioamatörer) för att upptäcka olagliga sändningar med markvåg . Förutom de fasta stationerna drev RSS en flotta med mobila DF -fordon runt om i Storbritannien. Om en sändare identifierades av de fasta DF -stationerna eller frivilliga avlyssnare, skickades de mobila enheterna till området för att ta hem källan. De mobila enheterna var HF Adcock -system.

År 1941 hade endast ett par olagliga sändare identifierats i Storbritannien; dessa var tyska agenter som hade ”vänt” och sändde under MI5 -kontroll. Många olagliga sändningar hade loggats ut från tyska agenter i ockuperade och neutrala länder i Europa. Trafiken blev en värdefull källa till underrättelse, så kontrollen av RSS överfördes därefter till MI6 som var ansvariga för hemlig underrättelse från utanför Storbritannien. Riktningsfyndet och avlyssningsoperationen ökade i volym och betydelse fram till 1945.

HF Adcock stationer bestod av fyra 10  m vertikala antenner som omger en liten trä operatörer Hut innehållande en mottagare och en radio- goniometer som justerades för att erhålla lagret. MF -stationer användes också som använde fyra fyrkantiga 30  m gittertornsantenner. År 1941 började RSS experimentera med distanserade slingriktare, utvecklade av Marconi -företaget och Storbritanniens nationella fysiska laboratorier . Dessa bestod av två parallella slingor 1 till 2  m kvadrat i ändarna på en roterbar 3 till 8  m balk. Strålens vinkel kombinerades med resultat från en radiogoniometer för att ge ett lager. Lagret som erhölls var betydligt skarpare än det som erhölls med U Adcock -systemet, men det fanns oklarheter som hindrade installationen av 7 föreslagna SL DF -system. Operatören av ett SL -system befann sig i en underjordisk metalltank nedanför antennerna. Sju underjordiska tankar installerades, men endast två SL -system installerades i Wymondham, Norfolk och Weaverthorp i Yorkshire. Problem stötte på vilket resulterade i att de återstående fem underjordiska tankarna utrustades med Adcock -system. Den roterande SL -antennen vrids för hand vilket innebar att på varandra följande mätningar var mycket långsammare än att vrida ratten på en goniometer.

En annan experimentell distanserad slingestation byggdes nära Aberdeen 1942 för luftministeriet med en halvt underjordisk betongbunker. Även detta övergavs på grund av driftssvårigheter. År 1944 hade en mobilversion av den distanserade slingan utvecklats och användes av RSS i Frankrike efter D-Day-invasionen av Normandie.

Den amerikanska militären använde en strandbaserad version av den distanserade slingan DF under andra världskriget som kallades "DAB". Slingorna placerades i ändarna på en balk, som alla var placerade inuti en träkoja med elektroniken i ett stort skåp med katodstrålerör i mitten av balken och allt stöds på en central axel. Strålen roterades manuellt av operatören.

Den kungliga marinen infört en variation på landbaserade HF DF stationer 1944 för att spåra U-båtar i Nordatlanten. De byggde grupper om fem DF -stationer, så att lager från enskilda stationer i gruppen kunde kombineras och ett medelvärde tas. Fyra sådana grupper byggdes i Storbritannien vid Ford End , Essex, Goonhavern, Cornwall, Anstruther och Bowermadden i skotska höglandet. Grupper byggdes också på Island, Nova Scotia och Jamaica. De förväntade förbättringarna realiserades inte men senare statistikarbete förbättrade systemet och Goonhavern och Ford End -grupperna fortsatte att användas under kalla kriget. Kungliga flottan använde också riktningsupptäckande utrustning på fartyg som hade till uppgift att bekämpa ubåtskrig för att försöka lokalisera tyska ubåtar, t ex kaptenklassfregatter var utrustade med en medelfrekvent riktningsantenn (MF/DF) (antennen monterades framför av bron) och högfrekvensriktningsfynd (HF/DF, "Huffduff") typ FH 4 -antenn (antennen monterades ovanpå stormasten).

En omfattande referens om att hitta trådlösa riktningar i andra världskriget skrevs av Roland Keen, som var chef för teknikavdelningen för RSS på Hanslope Park. DF -systemen som nämns här beskrivs i detalj i hans bok från 1947 Wireless Direction Finding .

I slutet av andra världskriget fortsatte ett antal RSS DF -stationer att operera in i det kalla kriget under kontroll av GCHQ, den brittiska SIGINT -organisationen.

De flesta riktningsinsatser inom Storbritannien nu (2009) är riktade mot att hitta obehöriga " pirat " FM -sändningsradiosändningar. Ett nätverk av fjärrstyrda VHF -riktningssökare används främst i storstäderna. Sändningarna från mobiltelefoner är också lokaliserade genom en form av riktningsfynd med användning av den jämförande signalstyrkan vid de omgivande lokala "cell" -mottagarna. Denna teknik erbjuds ofta som bevis vid brittiska åtal och, nästan säkert, för SIGINT -ändamål.

Nödhjälp

Huvudartikel: Radioriktningssökare

Det finns många former av radiosändare avsedda att sända som en ledstjärna i händelse av en nödsituation, som är utbredda på civila flygplan . Moderna nödfyrar sänder en unik identifieringssignal som kan hjälpa till att hitta sändarens exakta plats.

Räddning av lavin

Skredstransceivrar arbetar på en standard 457 kHz och är utformade för att hjälpa till att lokalisera människor och utrustning begravd av laviner. Eftersom signalens effekt är så låg domineras riktningssignalen för radiosignalen av småskaliga fälteffekter och kan vara ganska komplicerad att lokalisera.

Spårning av vilt

Plats för radiomärkta djur genom triangulering är en allmänt tillämpad forskningsteknik för att studera rörelser hos djur . Tekniken användes först i början av 1960 -talet, då tekniken som användes i radiosändare och batterier gjorde dem tillräckligt små för att fästa vid vilda djur , och används nu i stor utsträckning för en mängd olika djurstudier. Mest spårning av vilda djur som har fästs med radiosändarutrustning görs av en fältforskare som använder en handhållen enhet för att hitta radioriktning. När forskaren vill lokalisera ett visst djur kan djurets plats trianguleras genom att bestämma riktningen till sändaren från flera platser.

Spaning

Fasfaser och andra avancerade antenntekniker används för att spåra uppskjutningar av raketsystem och deras resulterande banor. Dessa system kan användas för defensiva ändamål och även för att få intelligens om drift av missiler som tillhör andra nationer. Samma teknik används för att upptäcka och spåra konventionella flygplan .

Sport

Huvudartikel: Amatörradioriktningsfynd

Händelser som arrangeras av grupper och organisationer som innefattar användning av färdigheter för att hitta radioriktningar för att lokalisera sändare på okända platser har varit populära sedan slutet av andra världskriget. Många av dessa händelser marknadsfördes först för att öva på att använda radioriktningsfunktioner för katastrofinsatser och civilförsvarsändamål , eller för att öva på att hitta källan till radiofrekvensstörningar . Den mest populära sportformen världen över är känd som Amateur Radio Direction Finding eller med dess internationella förkortning ARDF. En annan form av aktiviteten, känd som " sändarjakt ", "mobil T-jakt" eller "rävjakt" äger rum i ett större geografiskt område, till exempel storstadsområdet i en storstad, och de flesta deltagarna reser i motorfordon medan försök att lokalisera en eller flera radiosändare med tekniker för att hitta radioriktningar.

Se även

Referenser

Bibliografi