Nawigator radiowy - Radio direction finder

Amelia Earhart jest Lockheed Wzór 10 Electra z okrągłym RDF anteny widoczne powyżej kabiny

Wykrywacz kierunku radiowej ( RDF ) jest urządzeniem do znalezienia kierunek lub łożysko , w radiowym źródła. Czynność mierzenia kierunku jest znana jako określanie kierunku radiowego lub czasami po prostu określanie kierunku ( DF ). Korzystając z dwóch lub więcej pomiarów z różnych lokalizacji, można określić lokalizację nieznanego nadajnika; alternatywnie, wykorzystując dwa lub więcej pomiarów znanych nadajników, można określić położenie pojazdu. RDF jest szeroko stosowany jako system radionawigacji , zwłaszcza w łodziach i samolotach.

Systemy RDF mogą być używane z dowolnym źródłem radiowym, chociaż wielkość anten odbiornika jest funkcją długości fali sygnału; bardzo długie fale (niskie częstotliwości) wymagają bardzo dużych anten i są zwykle używane tylko w systemach naziemnych. Te długości fal są jednak bardzo przydatne w żegludze morskiej, ponieważ mogą podróżować na bardzo duże odległości i „poza horyzontem”, co jest cenne dla statków, gdy linia widzenia może wynosić tylko kilkadziesiąt kilometrów. W przypadku samolotów, których horyzont na wysokości może sięgać setek kilometrów, można zastosować wyższe częstotliwości, co pozwala na zastosowanie znacznie mniejszych anten. Automatyczny celownik, często zdolny do dostrojenia do komercyjnych nadajników radiowych AM , jest cechą prawie wszystkich nowoczesnych samolotów.

Dla wojska systemy RDF są kluczowym elementem systemów i metodologii rozpoznania sygnałów . Możliwość zlokalizowania położenia nadajnika wroga była nieoceniona od I wojny światowej , a to odgrywa kluczową rolę w II wojnie światowej „s bitwy o Atlantyk . Szacuje się, że zaawansowane brytyjskie systemy „huff-duff” były bezpośrednio lub pośrednio odpowiedzialne za 24% wszystkich łodzi podwodnych zatopionych podczas wojny. Nowoczesne systemy często wykorzystują anteny z układem fazowanym, aby umożliwić szybkie formowanie wiązki w celu uzyskania bardzo dokładnych wyników. Są one zazwyczaj zintegrowane z szerszym zestawem do prowadzenia wojny elektronicznej .

Z biegiem czasu stosowano kilka różnych generacji systemów RDF, będących następstwem nowych osiągnięć w elektronice. Wczesne systemy wykorzystywały mechanicznie obracane anteny, które porównywały siły sygnału z różnych kierunków, a następnie pojawiło się kilka elektronicznych wersji tej samej koncepcji. Nowoczesne systemy wykorzystują porównanie technik fazowych lub dopplerowskich, które na ogół są prostsze do zautomatyzowania. Nowoczesne systemy namierzania kierunku pseudodopplerowskiego składają się z kilku małych anten przymocowanych do okrągłej karty, a całość przetwarzania przeprowadzana jest przez oprogramowanie.

Wczesne brytyjskie zestawy radarowe były również określane jako RDF, co było taktyką oszustwa. Jednak terminologia nie była niedokładna; z łańcuchem domowe systemy stosowane oddzielne dookólnych nadawców i dużych odbiorników RDF aby określić lokalizację celów.

Historia

Wczesne systemy mechaniczne

WG Wade z National Bureau of Standards używa dużej anteny wielopętlowej do wykonywania RDF na tym zdjęciu z 1919 roku. To dość mała jednostka jak na tę epokę.

Najwcześniejsze eksperymenty w RDF przeprowadzono w 1888 roku, kiedy Heinrich Hertz odkrył kierunkowość otwartej pętli drutu używanej jako antena. Kiedy antena była ustawiona tak, że była skierowana na sygnał, generowała maksymalne wzmocnienie i generowała zerowy sygnał, gdy była zwrócona twarzą. Oznaczało to, że zawsze istniała niejednoznaczność w lokalizacji sygnału, dawałaby to samo wyjście, gdyby sygnał znajdował się z przodu lub z tyłu anteny. Późniejsi eksperymentatorzy stosowali również anteny dipolowe , które działały w odwrotnym sensie, osiągając maksymalne wzmocnienie pod kątem prostym i zero po ustawieniu. Systemy RDF wykorzystujące mechanicznie odchylane anteny pętlowe lub dipolowe były powszechne na przełomie XIX i XX wieku. Wybitne przykłady zostały opatentowane przez Johna Stone'a Stone'a w 1902 (patent USA 716,134) i Lee de Forest w 1904 (patent USA 771,819), wśród wielu innych przykładów.

Na początku XX wieku wielu eksperymentatorów szukało sposobów wykorzystania tej koncepcji do lokalizowania pozycji nadajnika. Wczesne systemy radiowe zwykle wykorzystywały sygnały fal średnich i długich . W szczególności fale długie miały dobrą charakterystykę transmisji na duże odległości ze względu na ich ograniczoną interakcję z gruntem, a tym samym zapewniały doskonałą propagację fali gruntowej na trasie po wielkim okręgu, która była skierowana bezpośrednio do nadajnika. Metody wykonywania RDF na sygnałach długofalowych były głównym obszarem badań w latach 1900 i 1910.

Anteny są generalnie wrażliwe na sygnały tylko wtedy, gdy ich długość stanowi znaczną część długości fali lub jest większa. Większość anten ma co najmniej ¼ długości fali, częściej ½ - dipol półfalowy jest bardzo powszechną konstrukcją. W przypadku użycia fal długofalowych skutkowało to antenami pętlowymi o długości kilkudziesięciu stóp z boku, często z więcej niż jedną pętlą połączoną ze sobą w celu poprawy sygnału. Inne rozwiązanie tego problemu zostało opracowane przez firmę Marconi w 1905 roku. Składało się ono z szeregu poziomych drutów lub prętów ułożonych tak, aby wskazywały na zewnątrz od wspólnego punktu środkowego. Ruchomy przełącznik może łączyć przeciwległe pary tych przewodów, tworząc dipol, a obracając przełącznik operator może polować na najsilniejszy sygnał. US Navy pokonał ten problem, do punktu, poprzez zamontowanie anten na statkach i żeglowanie w kółko. Takie systemy były nieporęczne i niepraktyczne w wielu zastosowaniach.

Bellini-Tosi

Ten model Royal Navy jest typowy dla goniometrów BT. Widoczne są dwa zestawy „cewek polowych” i obracająca się „cewka czujnikowa”.

Kluczowe ulepszenie koncepcji RDF zostało wprowadzone przez Ettore Belliniego i Alessandro Tosi w 1909 (patent USA 943960). Ich system wykorzystywał dwie takie anteny, zazwyczaj trójkątne pętle, ustawione pod kątem prostym. Sygnały z anten były przesyłane do cewek owiniętych wokół drewnianej ramy wielkości puszki , gdzie sygnały były odtwarzane w obszarze między cewkami. Oddzielna antena pętlowa umieszczona w tym obszarze mogłaby być następnie wykorzystana do wyszukiwania kierunku bez przesuwania głównych anten. To sprawiło, że RDF był o wiele bardziej praktyczny, że wkrótce był używany do nawigacji na szeroką skalę, często jako pierwsza dostępna forma nawigacji lotniczej, ze stacjami naziemnymi naprowadzającymi się na radioodbiornik samolotu. Nawigatorzy Bellini-Tosi były szeroko rozpowszechnione od lat 20. XX wieku do lat 50. XX wieku.

Wczesne systemy RDF były przydatne głównie w przypadku sygnałów o długich falach. Sygnały te są w stanie pokonywać bardzo duże odległości, co czyni je przydatnymi w nawigacji dalekiego zasięgu. Jednak gdy ta sama technika została zastosowana do wyższych częstotliwości, pojawiły się nieoczekiwane trudności z powodu odbicia sygnałów o wysokiej częstotliwości z jonosfery . Stacja RDF może teraz odbierać ten sam sygnał z dwóch lub więcej lokalizacji, zwłaszcza w ciągu dnia, co powodowało poważne problemy z określeniem lokalizacji. Doprowadziło to do wprowadzenia w 1919 anteny Adcock (patent brytyjski 130 490), która składała się z czterech oddzielnych anten monopolowych zamiast dwóch pętli, eliminując składowe poziome, a tym samym odfiltrowując fale nieba odbijane od jonosfery. Anteny Adcock były szeroko stosowane z detektorami Bellini-Tosi od lat 20. XX wieku.

US Army Air Corps w 1931 roku przetestował prymitywny kompas radiowy, który wykorzystywał stacje komercyjne jako latarnię morską.

Huff-duff

Wyposażenie FH4 „Huff-duff” na statku-muzeum HMS Belfast

Znaczące ulepszenie w technice RDF zostało wprowadzone przez Roberta Watsona-Watta w ramach swoich eksperymentów mających na celu zlokalizowanie uderzeń piorunów jako metody wskazywania kierunku burz dla żeglarzy i lotników. Od dawna pracował z konwencjonalnymi systemami RDF, ale były one trudne w użyciu z ulotnymi sygnałami od błyskawic. Już na początku zasugerował użycie oscyloskopu do natychmiastowego wyświetlenia ich w pobliżu, ale nie był w stanie go znaleźć podczas pracy w Met Office . Kiedy biuro zostało przeniesione, jego nowa lokalizacja w radiowej stacji badawczej zapewniła mu zarówno antenę Adcock, jak i odpowiedni oscyloskop, a swój nowy system zaprezentował w 1926 roku.

Pomimo tego, że system jest prezentowany publicznie, a jego pomiary są szeroko relacjonowane w Wielkiej Brytanii, jego wpływ na sztukę RDF wydaje się być dziwnie stonowany. Rozwój był ograniczony do połowy lat 30. XX wieku, kiedy różne siły brytyjskie rozpoczęły szeroko zakrojony rozwój i rozmieszczenie tych systemów „ namierzania kierunku o wysokiej częstotliwości ” lub „huff-duff”. Aby uniknąć RDF, Niemcy opracowali metodę nadawania krótkich wiadomości w czasie krótszym niż 30 sekund, czyli mniej niż 60 sekund, których potrzebowałby wyszkolony operator Bellini-Tosi, aby określić kierunek. Było to jednak bezużyteczne w przypadku systemów „huff-duff”, które lokalizowały sygnał z rozsądną dokładnością w ciągu kilku sekund. Niemcy zdali sobie sprawę z tego problemu dopiero w połowie wojny i nie podjęli żadnych poważnych kroków, aby go rozwiązać aż do 1944 roku. Do tego czasu huff-duff pomógł w około jednej czwartej wszystkich udanych ataków na U- flota łodzi.

Systemy powojenne

Kilka postępów w elektronice podczas i po II wojnie światowej doprowadziło do znacznie ulepszonych metod porównywania faz sygnałów. Ponadto pętla synchronizacji fazowej (PLL) pozwoliła na łatwe dostrojenie sygnałów, które nie dryfują. Udoskonalone lampy próżniowe i wprowadzenie tranzystora pozwoliły na ekonomiczne wykorzystanie znacznie wyższych częstotliwości, co doprowadziło do powszechnego stosowania sygnałów VHF i UHF. Wszystkie te zmiany doprowadziły do powstania nowych metod RDF i ich znacznie szerszego wykorzystania.

W szczególności możliwość porównywania faz sygnałów doprowadziła do porównywania faz RDF, które jest prawdopodobnie najczęściej stosowaną obecnie techniką. W tym systemie antena pętlowa jest zastąpiona pojedynczym rdzeniem ferrytowym w kształcie kwadratu , z pętlami nawiniętymi wokół dwóch prostopadłych boków. Sygnały z pętli są przesyłane do układu porównania faz, którego faza wyjściowa bezpośrednio wskazuje kierunek sygnału. Wysyłając to do dowolnego sposobu wyświetlania i blokując sygnał za pomocą PLL, kierunek do nadawcy może być stale wyświetlany. Operacja polega wyłącznie na dostrajaniu stacji i jest tak automatyczna, że systemy te są zwykle określane mianem automatycznego namierzania kierunku .

Inne systemy zostały opracowane tam, gdzie wymagana jest większa dokładność. Pseudo-dopplerowskie systemy radionamierzające wykorzystują serię małych anten dipolowych ułożonych w pierścień i wykorzystują elektroniczne przełączanie do szybkiego wybierania dipoli do zasilania odbiornika. Otrzymany sygnał jest przetwarzany i wytwarza dźwięk. Faza tego tonu audio, w porównaniu z obrotem anteny, zależy od kierunku sygnału. Dopplerowskie systemy RDF w szerokim zakresie zastąpiły system „huff-duff” do lokalizacji ulotnych sygnałów.

Operacja

Wyszukiwarka radiowa US Navy wysokiej częstotliwości z II wojny światowej

Radio Direction Finding działa poprzez porównanie siły sygnału anteny kierunkowej skierowanej w różnych kierunkach. Początkowo system ten był używany przez radiooperatorów lądowych i morskich, wykorzystując prostą obrotową antenę pętlową połączoną ze wskaźnikiem stopni. System ten został później zaadoptowany zarówno dla statków, jak i samolotów i był szeroko stosowany w latach 30. i 40. XX wieku. W samolotach sprzed II wojny światowej anteny RDF są łatwe do zidentyfikowania jako okrągłe pętle zamontowane nad lub pod kadłubem. Późniejsze konstrukcje anten pętlowych zostały zamknięte w aerodynamicznej owiewce w kształcie łzy. Na statkach i małych łodziach odbiorniki RDF najpierw wykorzystywały duże metalowe anteny pętlowe, podobne do samolotów, ale zwykle montowane na przenośnym odbiorniku zasilanym bateryjnie.

W użyciu, operator RDF najpierw dostroi odbiornik do właściwej częstotliwości, a następnie ręcznie obróci pętlę, słuchając lub obserwując miernik S, aby określić kierunek zera (kierunek, w którym dany sygnał jest najsłabszy) długiej fala (LW) lub fala średnia (AM) radiolatarni lub stacji (nasłuchiwanie wartości zerowej jest łatwiejsze niż nasłuchiwanie sygnału szczytowego i zwykle daje dokładniejsze wyniki). Ta wartość zerowa była symetryczna, a zatem identyfikowała zarówno prawidłowy kurs stopni zaznaczony na róży kompasu radia, jak i jego 180-stopniowy przeciwny kierunek. Podczas gdy te informacje zapewniały linię bazową od stacji do statku lub samolotu, nawigator nadal musiał wiedzieć wcześniej, czy znajduje się na wschód, czy na zachód od stacji, aby uniknąć wykreślenia kursu 180 stopni w złym kierunku. Przenosząc namiar do dwóch lub więcej stacji nadawczych i wykreślając przecinające się namiary, nawigator mógł zlokalizować względną pozycję swojego statku lub samolotu.

Później zestawy RDF zostały wyposażone w obrotowe anteny z pętlą ferrytową , dzięki czemu zestawy stały się bardziej przenośne i mniej nieporęczne. Niektóre z nich zostały później częściowo zautomatyzowane za pomocą zmotoryzowanej anteny (ADF). Kluczowym przełomem było wprowadzenie wtórnej pionowej anteny biczowej lub anteny „sensownej”, która potwierdzała prawidłowy namiar i pozwalała nawigatorowi uniknąć wykreślenia namiaru 180 stopni w kierunku przeciwnym do rzeczywistego kursu. Model SE 995 US Navy RDF, który używał anteny czujnikowej , był używany podczas I wojny światowej. Po II wojnie światowej istniało wiele małych i dużych firm produkujących sprzęt do wyznaczania kierunku dla marynarzy, w tym Apelco , Aqua Guide, Bendix , Gladding (i jej oddział morski, Pearce-Simpson), Ray Jefferson, Raytheon i Sperry . W latach sześćdziesiątych wiele z tych radiotelefonów było faktycznie produkowanych przez japońskich producentów elektroniki, takich jak Panasonic , Fuji Onkyo i Koden Electronics Co., Ltd. W sprzęcie lotniczym Bendix i Sperry-Rand byli dwoma większymi producentami radioodbiorników RDF i przyrządy nawigacyjne.

Zastosowanie w nawigacji morskiej i lotniczej

Historyczna reklama kompasu radiowego Kolster

Elementy kompasu radiowego R-5/ARN7, ze skrzynką sterowania radiem (po lewej), wskaźnikiem (w środku) i jednostką kompasu radiowego (po prawej)

Nadajniki radiowe do żeglugi powietrznej i morskiej są znane jako beacons i są radiowym odpowiednikiem latarni morskiej . Nadajnik wysyła transmisję w kodzie Morse'a na częstotliwości fali długiej (150 – 400 kHz) lub fali średniej (520 – 1720 kHz) zawierającej identyfikator stacji, który służy do potwierdzenia stacji i jej statusu operacyjnego. Ponieważ te sygnały radiowe są nadawane we wszystkich kierunkach (wielokierunkowych) w ciągu dnia, sam sygnał nie zawiera informacji o kierunku, a zatem te latarnie są określane jako bezkierunkowe latarnie lub NDB .

Ponieważ komercyjne pasmo nadawania fal średnich mieści się w zakresie częstotliwości większości jednostek RDF, te stacje i ich nadajniki mogą być również wykorzystywane do nawigowania. Chociaż te komercyjne stacje radiowe mogą być przydatne ze względu na ich dużą moc i lokalizację w pobliżu głównych miast, może być kilka mil między lokalizacją stacji a jej nadajnikiem, co może zmniejszyć dokładność „naprawy” podczas zbliżania się do miasta nadawania. Drugim czynnikiem jest to, że niektóre stacje radiowe AM działają dookólnie w ciągu dnia i przełączają się na sygnał kierunkowy o zmniejszonej mocy w nocy.

RDF był kiedyś podstawową formą nawigacji lotniczej i morskiej. Ciągi radiolatarni utworzyły „drogi powietrzne” z lotniska do lotniska, podczas gdy morskie radiolatarnie NDB i komercyjne stacje nadawcze AM zapewniały pomoc nawigacyjną małym jednostkom wodnym zbliżającym się do miejsca wyjścia na ląd. W Stanach Zjednoczonych komercyjne stacje radiowe AM były zobowiązane do nadawania swojego identyfikatora stacji raz na godzinę do wykorzystania przez pilotów i marynarzy jako pomoc w nawigacji. W latach 50. lotnicze radiolatarnie NDB zostały rozszerzone o system VOR , w którym kierunek do radiolatarni można wydobyć z samego sygnału, stąd rozróżnienie z radiolatarnią bezkierunkową. Wykorzystanie morskich radiolatarni bezkierunkowych zostało w dużej mierze wyparte w Ameryce Północnej przez rozwój LORAN w latach 70. XX wieku.

Obecnie wiele radiolatarni NDB zostało wycofanych z eksploatacji na rzecz szybszych i znacznie dokładniejszych systemów nawigacji GPS . Jednak niski koszt systemów ADF i RDF oraz ciągłe istnienie stacji nadawczych AM (a także radiolatarni nawigacyjnych w krajach poza Ameryką Północną) pozwoliły tym urządzeniom na dalsze funkcjonowanie, głównie do użytku na małych łodziach, jako dodatkowe lub kopia zapasowa do GPS.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Boffa PD, System do nawigacji radiowej , wyd. Siderea, 1985
V. Piazzi, Sistemi radioelettrici di navigazione , vol V, AA
R. Trebbi, Strumenti e navigazione , wyd. Aviabooki
F. Francescotti, Avionica , wyd. Aviolibri
Alessandro Tosi, Il radiogoniometro Bellini-Tosi alla esposizione di storia della scienza in Firenze , Taranto, A. Dragone & C., 1929
Alessandro Tosi, L'enciclopedia italiana e radiosistema a radiogoniometro , Pisa : Pacini Mariotti, 1932
Alessandro Tosi, Contributo della marina all'avvento del radiogoniometro , Roma, E. Pinci, 1929
Apparati RT di bordo e radiogoniometro , Ministero dell'Aeronautica Ispettorato Scuole, Roma, 1937
Impiego pratico del radiogoniometro d. FM 3 sulle navi mercantili , Ministero delle Poste e delle telecomunicazioni, Roma, Ist. Poligr. Dello Stato, 1950
Musella, Francesco, Radiogoniometro i radiofaro nella navigazione , Roma, Ist. Poligr. Stan Dello, 1934
Radiogoniometro Marconi za granicą , napiwek 11 F , Rzym, napiwek. Radio, 1926
Catalogo illustrato per radiogoniometro p 57 n campale , Siemens SA, Ministero della guerra, Direzione superiore del servizio studi ed esperimenti del Genio, Milano, Tip. L. Toffaloni, 1942
Istruzioni per l'uso dell'alimentatore Tf. 109 per radiogoniometro e ricevitore , a cura della Siemens, Ministero dell'aeronautica, Ufficio centrale delle telecomunicazioni e dell'assistenza del volo, Mediolan, 1941
Catalogo illustrato per impianto radiogoniometro E 393 N. , Siemens S. n., Ministero della guerra. Direzione superiore del servizio studi ed esperimenti del genio, Mediolan, napiwek. L. Toffaloni, 1942
21: Il radiogoniometro Marconi per stazioni terrestri : tipo 12 A , Roma, Ufficio Marconi, 1923

Tosi, A., Il radiosistema Bellini-Tosi a radiogoniometro : l'ultima fase , Taranto, Arti Grafiche Dragone, 1930

23: Radiogoniometro Marconi per aeromobili: typ 14: kodeks Airder , Roma, Ufficio Marconi, e Genova, Officine radiotelegrafiche Marconi, 1923
Il radiogoniometro e la radiotelegrafia direttiva , Ufficio Marconi, Roma, Tip. Wyd. Unione, 1920
Radiogoniometro Marconi do użytku w mieście : Opis, funkcja, obsługa, osoba zatrudniona w condotta della navigazione , Genua : Wskazówka. Radio, 1923
Radiogoniometro Marconi r : GM 3. Istruzioni per l'uso e la manutenzione del segnale d'allarme automatico senza regolaggio tipo s. F. R , Roma : Ist. Wyznać. G. Marconiego, 1950
Radiogoniometro Marconi r : GM 3. Istruzioni per l'uso e la manutenzione del segnale d'allarme automatico senza regolaggio tipo s. F.R. , Roma, Ist. Professionale di Radiotelegrafia G. Marconi, 1949
Radiogoniometro indicatore di rotta tipo P 63 N : descrizione ed istruzioni per l'uso , Ministero dell'aeronautica, Divisione generale delle costruzioni e degli approvvigionamenti, Milano, Toffaloni, 1941
Impiego Pratico delle radiogoniometro DFM3 na navi mercantilii , Ministero delle Comunicazioni, Direzione Generale delle poste and dei telegrafi, Roma, Ist. Poligr. Statua, 1932
Vincenzo Nastro, Gabriella Messina, „Navigazione radiogoniometrica”, w Navigazione aerea , Milano, Hoepli, 2002, s. 213-262. ISBN 88-203-2942-5

Languages

In other projects