Определение направления радиоизлучения, радиопеленгация

Первые эксперименты в области радиопеленгации (RDF) были проведены в 1888 году, когда Генрих Герц обнаружил направленность разомкнутой проволочной петли, используемой в качестве антенны. Когда антенна была направлена ​​на сигнал, она обеспечивала максимальное усиление и нулевое усиление при прямом расположении. Это означало, что всегда существовала неопределенность в местоположении сигнала: выходной сигнал был одинаковым, если сигнал находился перед антенной или за ней. Позднее экспериментаторы также использовали дипольные антенны , которые работали в противоположном направлении, достигая максимального усиления под прямым углом и нулевого усиления при прямом расположении. Системы RDF с использованием механически поворачиваемых петлевых или дипольных антенн стали распространены к началу XX века. Наиболее известные 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 многих других.

К началу 1900-х годов многие экспериментаторы искали способы использования этой концепции для определения местоположения передатчика. Ранние радиосистемы обычно использовали сигналы средней и длинной волны . Длинноволновые сигналы, в частности, обладали хорошими характеристиками передачи на большие расстояния благодаря ограниченному взаимодействию с землей, и, таким образом, обеспечивали отличное распространение наземных волн по большому кругу , направленное непосредственно на передатчик. Методы выполнения RDF на длинноволновых сигналах были важной областью исследований в 1900-х и 1910-х годах. ^{[ 3 ]}

Антенны , как правило , чувствительны к сигналам только тогда , когда их длина составляет значительную часть длины волны или больше. Большинство антенн имеют длину не менее 1/4 длины волны, чаще всего 1/2 — полуволновой диполь является очень распространенной конструкцией. Для использования на длинных волнах это привело к появлению петлевых антенн длиной в десятки футов с каждой стороны, часто с более чем одной петлей, соединенной вместе для улучшения сигнала. Другое решение этой проблемы было разработано компанией Marconi в 1905 году. Оно состояло из ряда горизонтальных проводов или стержней, расположенных так, чтобы быть направленными наружу от общей центральной точки. Подвижный переключатель мог соединять противоположные пары этих проводов, образуя диполь, и, вращая переключатель, оператор мог искать самый сильный сигнал. ^{[ 4 ]} ВМС США частично преодолели эту проблему, устанавливая антенны на кораблях и плавая по кругу. ^{[ 5 ]} Такие системы были громоздкими и непрактичными для многих применений. ^{[ 6 ]}

Ключевое усовершенствование концепции радиопеленгатора было предложено Этторе Беллини и Алессандро Този в 1909 году (патент США № 943960). В их системе использовались две такие антенны, обычно треугольные петли, расположенные под прямым углом. Сигналы от антенн передавались в катушки, намотанные на деревянную раму размером примерно с банку из-под напитка , где сигналы воспроизводились в области между катушками. Отдельная петлевая антенна, расположенная в этой области, могла затем использоваться для определения направления без перемещения основных антенн. Это сделало радиопеленгатор настолько практичным, что вскоре он стал широко использоваться для навигации, часто в качестве первой доступной формы аэронавигации, с наземными станциями, наводящимися на радиоприемник самолета. Пеленгаторы Беллини-Този получили широкое распространение с 1920-х по 1950-е годы.

Ранние системы радиочастотного считывания (RDF) были полезны в основном для сигналов длинных волн. Эти сигналы способны распространяться на очень большие расстояния, что делало их полезными для навигации на больших расстояниях. Однако при применении той же техники к более высоким частотам возникали неожиданные трудности из-за отражения высокочастотных сигналов от ионосферы . Станция RDF теперь могла принимать один и тот же сигнал из двух или более точек, особенно днем, что создавало серьезные проблемы при попытке определить местоположение. Это привело к появлению в 1919 году антенны Адкока (патент Великобритании № 130490), которая состояла из четырех отдельных монопольных антенн вместо двух петель, устраняя горизонтальные компоненты и, таким образом, отфильтровывая отраженные от ионосферы небесные волны . Антенны Адкока широко использовались с детекторами Беллини-Този начиная с 1920-х годов.

В 1931 году ВВС США испытали примитивный радиокомпас, который использовал коммерческие станции в качестве маяка. ^{[ 7 ]}

Значительное усовершенствование метода радиопеленгации (RDF) было предложено Робертом Уотсоном-Уоттом в рамках его экспериментов по определению местоположения молний для указания направления грозовых облаков морякам и летчикам. Он долгое время работал с обычными системами RDF, но их было сложно использовать из-за мимолетных сигналов от молний. Вначале он предложил использовать осциллограф для почти мгновенного отображения этих сигналов, но не смог найти его, работая в Метеорологической службе . После переезда службы, на новом месте работы на радиоисследовательской станции, он получил в свое распоряжение антенну Адкока и подходящий осциллограф, и в 1926 году представил свою новую систему.

Несмотря на публичную презентацию системы и широкое освещение ее измерений в Великобритании, ее влияние на искусство радиопеленгации (RDF) кажется на удивление сдержанным. Развитие системы было ограничено до середины 1930-х годов, когда различные британские силы начали широкомасштабную разработку и развертывание этих « высокочастотных систем пеленгации», или «хафф-дафф». Чтобы избежать радиопеленгации, немцы разработали метод передачи коротких сообщений длительностью менее 30 секунд, что меньше 60 секунд, необходимых обученному оператору системы Беллини-Този для определения направления. Однако это было бесполезно против систем хафф-дафф, которые определяли направление с достаточной точностью за секунды. Немцы узнали об этой проблеме только в середине войны и не предприняли никаких серьезных шагов для ее решения до 1944 года. К тому времени системы хафф-дафф помогли примерно в четверти всех успешных атак на флот подводных лодок.

Ряд разработок в электронике во время и после Второй мировой войны привел к значительному улучшению методов сравнения фаз сигналов. Кроме того, фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) позволила легко настраивать сигналы, предотвращая их дрейф. Усовершенствованные вакуумные лампы и внедрение транзисторов позволили экономично использовать гораздо более высокие частоты, что привело к широкому распространению сигналов ОВЧ и УВЧ диапазонов. Все эти изменения привели к появлению новых методов радиопеленгации (RDF) и ее гораздо более широкому применению.

В частности, возможность сравнения фаз сигналов привела к созданию фазового пеленгатора, который, пожалуй, является наиболее широко используемой сегодня методикой. В этой системе петлевая антенна заменена одним квадратным ферритовым сердечником с петлями, намотанными вокруг двух перпендикулярных сторон. Сигналы с петель поступают в схему фазового сравнения, фаза выходного сигнала которой напрямую указывает направление сигнала. Передавая этот сигнал на любой дисплей и синхронизируя его с помощью ФАПЧ, можно непрерывно отображать направление к вещателю. Работа системы сводится исключительно к настройке на станцию ​​и настолько автоматизирована, что такие системы обычно называют автоматическими пеленгаторами .

Были разработаны и другие системы, требующие большей точности. Псевдодоплеровские радиопеленгаторы используют ряд небольших дипольных антенн, расположенных по кольцу, и электронное переключение для быстрого выбора диполей, подаваемых на приемник. Полученный сигнал обрабатывается и воспроизводит звуковой тон. Фаза этого звукового тона, относительно вращения антенны, зависит от направления сигнала. Доплеровские радиопеленгаторы широко заменили систему Хафф-Дафф для определения местоположения быстро исчезающих сигналов.

Различные процедуры радиопеленгации для определения местоположения в море больше не являются частью системы морской безопасности GMDSS , действующей с 1999 года. Эффектная крестообразная антенна с прикрепленной вспомогательной антенной встречается только на сигнальных мачтах некоторых старых судов, поскольку там она не создает помех, а ее демонтаж обошелся бы слишком дорого.

Современные методы позиционирования, такие как GPS, DGPS, радар и ныне устаревшая система Loran C, используют радиопеленгацию, которая неточна для современных задач.

Сети радиопеленгации также больше не существуют. ^{[ 8 ]} Однако спасательные суда, такие как спасательные шлюпки RNLI в Великобритании, и поисково-спасательные вертолеты имеют приемники пеленгации для морских сигналов УКВ и сигналов наведения 121,5 МГц, встроенные в маяки EPIRB и PLB, хотя современные GPS-EPIRB и маяки AIS постепенно вытесняют их.

В одном из типов пеленгации используется направленная антенна , которая более чувствительна в одних направлениях, чем в других. Многие конструкции антенн обладают этим свойством. Например, антенна Яги имеет довольно выраженную направленность, поэтому источник сигнала можно определить, направив ее в сторону, где достигается максимальный уровень сигнала. Поскольку направленность может быть очень широкой, для повышения точности могут использоваться большие антенны, или методы подавления сигнала для улучшения углового разрешения.

Электронный анализ сигналов двух антенн

Для высокоточных систем определения направления обычно используются более сложные методы, такие как фазированные антенные решетки . Современные системы называются гониометрами по аналогии с направленными схемами времен Второй мировой войны , которые использовались для измерения направления путем сравнения разницы в сигналах, принимаемых двумя или более согласованными эталонными антеннами, и применялись в старой радиотехнической разведке (SIGINT). Современная система определения направления, устанавливаемая на вертолете , была разработана компанией ESL Incorporated для правительства США еще в 1972 году.

Методы, основанные на разности времени прихода сигнала, сравнивают время прихода радиоволны на две или более разных антенн и на основе этой информации определяют направление прихода. Этот метод может использовать механически простые неподвижные всенаправленные антенные элементы, подключенные к многоканальной приемной системе.

Один из способов радиопеленгации основан на сравнении мощности сигнала направленной антенны, направленной в разные стороны. Первоначально эта система использовалась наземными и морскими радиооператорами с помощью простой поворотной петлевой антенны, соединенной с градусным индикатором. Позже эта система была принята на вооружение как на кораблях, так и на самолетах и ​​широко применялась в 1930-х и 1940-х годах. На самолетах до Второй мировой войны антенны радиопеленгации легко узнать по круглым петлям, установленным над или под фюзеляжем. Более поздние конструкции петлевых антенн были заключены в аэродинамический обтекатель каплевидной формы. На кораблях и небольших судах в приемниках радиопеленгации первоначально использовались большие металлические петлевые антенны, похожие на авиационные, но обычно устанавливаемые на портативном приемнике с батарейным питанием.

При использовании радиопеленгатора оператор сначала настраивал приемник на нужную частоту, затем вручную поворачивал петлю, либо слушая, либо наблюдая за S-метром , чтобы определить направление нулевой точки (направление, в котором данный сигнал наиболее слаб) длинноволнового ( ДВ) или средневолнового (АМ) радиомаяка или станции (прослушивание нулевой точки проще, чем прослушивание пикового сигнала, и обычно дает более точный результат). Эта нулевая точка была симметричной и, таким образом, определяла как правильный курс в градусах, отмеченный на компасной розе радиоприемника, так и его противоположное направление на 180 градусов. Хотя эта информация обеспечивала базовую линию от станции до корабля или самолета, штурману все равно нужно было заранее знать, находится ли он к востоку или западу от станции, чтобы избежать прокладки курса на 180 градусов в неправильном направлении. Определив пеленги до двух или более радиостанций и нанеся на карту пересекающиеся пеленги, штурман мог определить относительное положение своего корабля или самолета.

Позже радиопеленгаторы стали оснащаться вращающимися ферритовыми петлевыми антеннами, что сделало их более портативными и менее громоздкими. Некоторые из них позже были частично автоматизированы с помощью моторизованной антенны (ADF). Ключевым прорывом стало внедрение вторичной вертикальной штыревой или «чувствительной» антенны , которая подтверждала правильный пеленг и позволяла штурману избегать прокладки пеленга на 180 градусов в противоположном направлении от фактического курса. Радиопеленгатор ВМС США модели SE 995, использующий чувствительную антенну, применялся во время Первой мировой войны. ^{[ 10 ]} После Второй мировой войны многие мелкие и крупные 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 авиационной технике Bendix и Sperry-Rand были двумя крупнейшими производителями радиолокационных станций и навигационных приборов.

Одноканальная система пеленгации использует многоантенную решетку с одноканальным радиоприемником. Такой подход к пеленгации имеет свои преимущества и недостатки. Поскольку используется только один приемник, преимуществами являются мобильность и меньшее энергопотребление. Без возможности одновременного наблюдения за каждой антенной (что было бы в случае использования нескольких приемников, также известных как N-канальная пеленгация) для передачи сигнала на приемник необходимо выполнять более сложные операции на антенне.

Алгоритмы одноканального распознавания речи делятся на две основные категории: сравнение амплитуд и сравнение фаз . Некоторые алгоритмы могут быть гибридными, сочетая в себе оба подхода.