- Antenas RDF
( Isla Galeta ) 
- RDF en 121,5 MHz
( frecuencia de emergencia de aeronaves ) - Antena 121,5/156,8 MHz
(radio de localización de emergencia para aeronaves) - Estación RDF 410 kHz
- Estación marítima RDF (GT-302)
- Estación marítima RDF
(Pelengator)
La radiogoniometría ( DF ), o radiogoniometría ( RDF ), es el uso de ondas de radio para determinar la dirección de una fuente de radio. La fuente puede ser un transmisor de radio cooperante o puede ser una fuente inadvertida, una fuente de radio natural o un sistema ilícito o enemigo. La radiogoniometría se diferencia del radar en que solo la dirección es determinada por cualquier receptor; un sistema de radar generalmente también proporciona una distancia al objeto de interés, así como la dirección. Por triangulación , la ubicación de una fuente de radio se puede determinar midiendo su dirección desde dos o más ubicaciones. La radiogoniometría se utiliza en la navegación por radio para barcos y aeronaves, para ubicar transmisores de emergencia para búsqueda y rescate , para rastrear la vida silvestre y para localizar transmisores ilegales o interferentes. Durante la Segunda Guerra Mundial, ambos bandos utilizaron la radiogoniometría para localizar y dirigir aeronaves, buques de superficie y submarinos.
Los sistemas RDF pueden utilizarse con cualquier fuente de radio, aunque las longitudes de onda muy largas (bajas frecuencias) requieren antenas muy grandes y, por lo general, se utilizan solo en sistemas terrestres. No obstante, estas longitudes de onda se utilizan para la radionavegación marítima , ya que pueden viajar distancias muy largas "más allá del horizonte", lo que resulta valioso para los barcos cuando la línea de visión puede ser de solo unas pocas decenas de kilómetros. Para el uso aéreo, donde el horizonte puede extenderse a cientos de kilómetros, se pueden utilizar frecuencias más altas, lo que permite el uso de antenas mucho más pequeñas. Un radiogoniómetro automático , que podía sintonizarse con radiobalizas llamadas balizas no direccionales o emisoras de radio AM comerciales , era una característica de la mayoría de las aeronaves en el siglo XX, pero está siendo eliminado gradualmente. [1]
Para el ejército, el RDF es una herramienta clave de inteligencia de señales . La capacidad de localizar la posición de un transmisor enemigo ha sido inestimable desde la Primera Guerra Mundial y jugó un papel clave en la Batalla del Atlántico de la Segunda Guerra Mundial . Se estima que los avanzados sistemas " huff-duff " del Reino Unido fueron responsables directos o indirectos del 24% de todos los submarinos hundidos durante la guerra. Los sistemas modernos a menudo utilizan antenas de matriz en fase para permitir una rápida formación de haces para obtener resultados muy precisos y son parte de un conjunto más amplio de guerra electrónica .
Los primeros radiogoniómetros utilizaban antenas rotatorias mecánicas que comparaban la intensidad de las señales, y luego surgieron varias versiones electrónicas del mismo concepto. Los sistemas modernos utilizan la comparación de fases o técnicas Doppler , que generalmente son más sencillas de automatizar. Los primeros equipos de radar británicos se denominaban RDF, lo que a menudo se afirma que era un engaño. De hecho, los sistemas Chain Home utilizaban grandes receptores RDF para determinar las direcciones. Los sistemas de radar posteriores generalmente utilizaban una sola antena para la transmisión y la recepción, y determinaban la dirección a partir de la dirección en la que apuntaba la antena. [2]
Los primeros experimentos en RDF se llevaron a cabo en 1888 cuando Heinrich Hertz descubrió la direccionalidad de un bucle abierto de alambre usado como antena. Cuando la antena estaba alineada de manera que apuntara a la señal, producía una ganancia máxima y producía una señal cero cuando estaba de frente. Esto significaba que siempre había una ambigüedad en la ubicación de la señal: produciría la misma salida si la señal estaba delante o detrás de la antena. Experimentadores posteriores también utilizaron antenas dipolo , que funcionaban en el sentido opuesto, alcanzando la ganancia máxima en ángulos rectos y cero cuando estaban alineadas. Los sistemas RDF que usaban antenas dipolo o de bucle osciladas mecánicamente eran comunes a principios del siglo XX. Ejemplos destacados fueron patentados por John Stone Stone en 1902 (Patente de EE. UU. 716,134) y Lee de Forest en 1904 (Patente de EE. UU. 771,819), entre muchos otros ejemplos.
A principios del siglo XX, muchos investigadores buscaban formas de utilizar este concepto para localizar la posición de un transmisor. Los primeros sistemas de radio generalmente utilizaban señales de onda media y onda larga . Las ondas largas, en particular, tenían buenas características de transmisión a larga distancia debido a su interacción limitada con el suelo y, por lo tanto, proporcionaban una excelente propagación de ondas terrestres en ruta de círculo máximo que apuntaban directamente al transmisor. Los métodos para realizar RDF en señales de onda larga fueron un área importante de investigación durante los años 1900 y 1910. [3]
Las antenas son generalmente sensibles a las señales sólo cuando tienen una longitud que es una porción significativa de la longitud de onda, o mayor. La mayoría de las antenas tienen al menos 1 ⁄ 4 de la longitud de onda, más comúnmente 1 ⁄ 2 – el dipolo de media onda es un diseño muy común. Para el uso de onda larga, esto dio como resultado antenas de bucle de decenas de pies de lado, a menudo con más de un bucle conectado entre sí para mejorar la señal. Otra solución a este problema fue desarrollada por la compañía Marconi en 1905. Esto consistía en una serie de cables o varillas horizontales dispuestos para apuntar hacia afuera desde un punto central común. Un interruptor móvil podía conectar pares opuestos de estos cables para formar un dipolo, y al girar el interruptor el operador podía buscar la señal más fuerte. [4] La Marina de los EE. UU. superó este problema, hasta cierto punto, montando antenas en barcos y navegando en círculos. [5] Estos sistemas eran difíciles de manejar y poco prácticos para muchos usos. [6]
En 1909, Ettore Bellini y Alessandro Tosi introdujeron una mejora clave en el concepto de radiogoniómetro (patente estadounidense 943.960). Su sistema utilizaba dos antenas de este tipo, normalmente de bucle triangular, dispuestas en ángulo recto. Las señales de las antenas se enviaban a bobinas enrolladas alrededor de un marco de madera del tamaño de una lata de refresco , donde las señales se recreaban en el área entre las bobinas. Una antena de bucle separada ubicada en esta área podía utilizarse entonces para buscar la dirección, sin mover las antenas principales. Esto hizo que el radiogoniómetro fuera mucho más práctico que pronto se utilizó para la navegación a gran escala, a menudo como la primera forma de navegación aérea disponible, con estaciones terrestres que se dirigían al aparato de radio del avión. Los radiogoniómetros Bellini-Tosi se generalizaron desde la década de 1920 hasta la de 1950.
Los primeros sistemas RDF fueron útiles en gran medida para señales de onda larga. Estas señales pueden viajar distancias muy largas, lo que las hizo útiles para la navegación de largo alcance. Sin embargo, cuando se aplicó la misma técnica a frecuencias más altas, surgieron dificultades inesperadas debido a la reflexión de señales de alta frecuencia desde la ionosfera . La estación RDF ahora podía recibir la misma señal desde dos o más ubicaciones, especialmente durante el día, lo que causaba serios problemas al intentar determinar la ubicación. Esto condujo a la introducción en 1919 de la antena Adcock (patente del Reino Unido 130.490), que consistía en cuatro antenas monopolares separadas en lugar de dos bucles, eliminando los componentes horizontales y filtrando así las ondas del cielo que se reflejaban desde la ionosfera. Las antenas Adcock se utilizaron ampliamente con los detectores Bellini-Tosi a partir de la década de 1920.
En 1931, el Cuerpo Aéreo del Ejército de los EE. UU. probó una brújula de radio primitiva que utilizaba estaciones comerciales como baliza. [7]
Robert Watson-Watt introdujo una mejora importante en la técnica RDF como parte de sus experimentos para localizar rayos como método para indicar la dirección de las tormentas eléctricas a los marineros y aviadores. Había trabajado durante mucho tiempo con sistemas RDF convencionales, pero estos eran difíciles de usar con las señales fugaces de los rayos. Había sugerido desde el principio el uso de un osciloscopio para visualizarlas casi instantáneamente, pero no pudo encontrar uno mientras trabajaba en la Oficina Meteorológica . Cuando la oficina se trasladó, su nueva ubicación en una estación de investigación de radio le proporcionó una antena Adcock y un osciloscopio adecuado, y presentó su nuevo sistema en 1926.
A pesar de que el sistema se presentó públicamente y sus mediciones fueron ampliamente difundidas en el Reino Unido, su impacto en el arte de la radiodifusión por radiofrecuencia parece ser extrañamente moderado. Su desarrollo fue limitado hasta mediados de la década de 1930, cuando las diversas fuerzas británicas comenzaron a desarrollar y desplegar ampliamente estos sistemas de " radiodifusión por alta frecuencia " o "huff-duff". Para evitar la radiodifusión por radiofrecuencia, los alemanes habían desarrollado un método de transmisión de mensajes cortos de menos de 30 segundos, menos de los 60 segundos que necesitaría un operador entrenado de Bellini-Tosi para determinar la dirección. Sin embargo, esto era inútil contra los sistemas huff-duff, que localizaban la señal con una precisión razonable en segundos. Los alemanes no se dieron cuenta de este problema hasta mediados de la guerra y no tomaron ninguna medida seria para abordarlo hasta 1944. En ese momento, el huff-duff había ayudado en aproximadamente una cuarta parte de todos los ataques exitosos a la flota de submarinos.
Varios avances en electrónica durante y después de la Segunda Guerra Mundial condujeron a métodos muy mejorados para comparar la fase de las señales. Además, el bucle de enganche de fase (PLL) permitió una fácil sintonización de las señales, que no se desviaban. Las válvulas de vacío mejoradas y la introducción del transistor permitieron utilizar frecuencias mucho más altas de forma económica, lo que llevó al uso generalizado de señales VHF y UHF. Todos estos cambios condujeron a nuevos métodos de RDF y a su uso mucho más extendido.
En particular, la capacidad de comparar la fase de las señales condujo a la comparación de fase RDF, que es quizás la técnica más utilizada en la actualidad. En este sistema, la antena de bucle se reemplaza por un único núcleo de ferrita de forma cuadrada , con bucles enrollados alrededor de dos lados perpendiculares. Las señales de los bucles se envían a un circuito de comparación de fase, cuya fase de salida indica directamente la dirección de la señal. Al enviar esto a cualquier tipo de pantalla y bloquear la señal mediante PLL, se puede mostrar continuamente la dirección hacia la emisora. El funcionamiento consiste únicamente en sintonizar la estación y es tan automático que estos sistemas normalmente se conocen como radiogoniómetros automáticos .
Se han desarrollado otros sistemas en los que se requiere mayor precisión. Los sistemas de radiogoniómetros pseudo-doppler utilizan una serie de pequeñas antenas dipolares dispuestas en un anillo y utilizan conmutación electrónica para seleccionar rápidamente los dipolos que se van a introducir en el receptor. La señal resultante se procesa y produce un tono de audio. La fase de ese tono de audio, en comparación con la rotación de la antena, depende de la dirección de la señal. Los sistemas de radiogoniómetros Doppler han sustituido ampliamente al sistema huff-duff para la localización de señales fugaces.
Los diversos procedimientos de radiogoniometría para determinar la posición en el mar ya no forman parte del sistema de seguridad marítima GMDSS , vigente desde 1999. La llamativa antena de bastidor en cruz con antena auxiliar acoplada solo se puede encontrar en los mástiles de señales de algunos barcos más antiguos porque no interfieren allí y su desmontaje sería demasiado costoso.
Los métodos de posicionamiento modernos como GPS, DGPS, radar y el ahora obsoleto Loran C tienen métodos de radiogoniometría que son imprecisos para las necesidades actuales.
Las redes de radiogoniometría tampoco existen ya. [8] Sin embargo, los barcos de rescate, como los botes salvavidas RNLI en el Reino Unido, y los helicópteros de búsqueda y rescate tienen receptores de radiogoniometría para señales VHF marinas y señales de localización de 121,5 MHz incorporadas en las radiobalizas EPIRB y PLB, aunque las modernas radiobalizas GPS-EPIRBS y AIS están volviéndolas lentamente redundantes.
Un radiogoniómetro ( RDF ) es un dispositivo para encontrar la dirección o rumbo de una fuente de radio . El acto de medir la dirección se conoce como radiogoniómetro o, a veces, simplemente radiogoniómetro ( DF ). Utilizando dos o más mediciones de diferentes ubicaciones, se puede determinar la ubicación de un transmisor desconocido; alternativamente, utilizando dos o más mediciones de transmisores conocidos, se puede determinar la ubicación de un vehículo. El RDF se utiliza ampliamente como un sistema de navegación por radio , especialmente con barcos y aviones.
Los sistemas RDF pueden utilizarse con cualquier fuente de radio, aunque el tamaño de las antenas receptoras depende de la longitud de onda de la señal; las longitudes de onda muy largas (bajas frecuencias) requieren antenas muy grandes y, por lo general, se utilizan sólo en sistemas terrestres. No obstante, estas longitudes de onda son muy útiles para la navegación marítima , ya que pueden viajar distancias muy largas y "más allá del horizonte", lo que resulta valioso para los barcos, cuando la línea de visión puede ser de sólo unas pocas decenas de kilómetros. Para los aviones, donde el horizonte en altitud puede extenderse a cientos de kilómetros, se pueden utilizar frecuencias más altas, lo que permite utilizar antenas mucho más pequeñas. Un radiogoniómetro automático, que a menudo puede sintonizarse con transmisores de radio AM comerciales , es una característica de casi todos los aviones modernos.
Para el ejército, los sistemas RDF son un componente clave de los sistemas y metodologías de inteligencia de señales . La capacidad de localizar la posición de un transmisor enemigo ha sido invaluable desde la Primera Guerra Mundial , y jugó un papel clave en la Batalla del Atlántico de la Segunda Guerra Mundial . Se estima que los avanzados sistemas " huff-duff " del Reino Unido fueron responsables directos o indirectos del 24% de todos los submarinos hundidos durante la guerra. [9] Los sistemas modernos a menudo utilizan antenas de matriz en fase para permitir la formación rápida de haces para obtener resultados altamente precisos. Estos generalmente se integran en un conjunto más amplio de guerra electrónica .
A lo largo del tiempo se han utilizado varias generaciones distintas de sistemas RDF, siguiendo los nuevos avances en electrónica. Los primeros sistemas utilizaban antenas rotadas mecánicamente que comparaban las intensidades de las señales desde diferentes direcciones, y luego surgieron varias versiones electrónicas del mismo concepto. Los sistemas modernos utilizan la comparación de fases o técnicas Doppler , que generalmente son más sencillas de automatizar. Los sistemas modernos de radiogoniómetros pseudo-Doppler consisten en una serie de pequeñas antenas fijadas a una tarjeta circular, y todo el procesamiento se realiza mediante software.
Los primeros radares británicos también se denominaban RDF, lo que constituía una táctica de engaño. Sin embargo, la terminología no era inexacta; los sistemas Chain Home utilizaban transmisores omnidireccionales independientes y grandes receptores RDF para determinar la ubicación de los objetivos. [2]
En un tipo de radiogoniometría se utiliza una antena direccional que es más sensible en ciertas direcciones que en otras. Muchos diseños de antenas presentan esta propiedad. Por ejemplo, una antena Yagi tiene una direccionalidad bastante pronunciada, por lo que la fuente de una transmisión se puede determinar apuntándola en la dirección en la que se obtiene el nivel máximo de señal. Dado que las características direccionales pueden ser muy amplias, se pueden utilizar antenas grandes para mejorar la precisión o técnicas de nulidad para mejorar la resolución angular.
Una forma sencilla de antena direccional es la antena de bucle . Esta consiste en un bucle abierto de alambre sobre un marco aislante o un anillo de metal que forma el elemento de bucle de la antena; a menudo, el diámetro del bucle es una décima parte de una longitud de onda o menor en la frecuencia objetivo. Este tipo de antena será menos sensible a las señales que sean perpendiculares a su cara y más sensible a las que lleguen de canto. Esto se debe a la fase de la señal recibida: la diferencia de fase eléctrica a lo largo del borde del bucle en cualquier instante provoca una diferencia en los voltajes inducidos en ambos lados del bucle.
Girar el plano del bucle para que esté "de frente" a la señal de modo que las fases que llegan sean idénticas en todo el borde no inducirá ningún flujo de corriente en el bucle. Por lo tanto, simplemente girando la antena para producir un mínimo en la señal deseada se establecerán dos direcciones posibles (delantera y trasera) desde las que podrían llegar las ondas de radio. Esto se llama un nulo en la señal y se utiliza en lugar de la dirección de señal más fuerte, porque pequeñas desviaciones angulares de la antena de bucle alejándose de sus posiciones nulas producen cambios mucho más abruptos en la corriente recibida que cambios direccionales similares alrededor de la orientación de señal más fuerte del bucle. Dado que la dirección nula da una indicación más clara de la dirección de la señal (el nulo es "más nítido" que el máximo), con la antena de bucle, la dirección nula se utiliza para localizar una fuente de señal.
Se utiliza una "antena de detección" para resolver las dos posibilidades de dirección; la antena de detección es una antena no direccional configurada para tener la misma sensibilidad que la antena de bucle. Al sumar la señal constante de la antena de detección a la señal alterna de la señal de bucle a medida que gira, ahora solo hay una posición cuando el bucle gira 360° en la que hay corriente cero. Esto actúa como un punto de referencia de fase, lo que permite identificar el punto nulo correcto, eliminando la ambigüedad de 180°. Una antena dipolo exhibe propiedades similares, como un bucle pequeño, aunque su dirección nula no es tan "afilada".
La antena Yagi-Uda es conocida como la antena de televisión VHF o UHF común . Una antena Yagi utiliza múltiples elementos dipolares, que incluyen elementos dipolares "reflectores" y "directores". El "reflector" es el elemento dipolar más largo y bloquea casi toda la señal que viene de atrás, por lo tanto, una Yagi no tiene ambigüedad direccional entre el frente y la parte posterior: la señal máxima solo se produce cuando el extremo más estrecho de la Yagi está orientado en la dirección desde la que llegan las ondas de radio. Con una cantidad suficiente de elementos "directores" más cortos, la dirección máxima de una Yagi se puede acercar a la nitidez del nulo de un bucle pequeño. [ cita requerida ]
Para frecuencias mucho más altas, como las ondas milimétricas y las microondas , se pueden utilizar antenas parabólicas o antenas de plato . Las antenas de plato son muy direccionales, ya que su forma parabólica dirige las señales recibidas desde un ángulo muy estrecho hacia un pequeño elemento receptor montado en el foco de la parábola.
En general, se utilizan técnicas más sofisticadas, como los sistemas de antenas en fase , para sistemas de radiogoniometría de alta precisión. Los sistemas modernos se denominan goniómetros por analogía con los circuitos direccionales de la Segunda Guerra Mundial que se utilizaban para medir la dirección comparando las diferencias en las señales recibidas de dos o más antenas de referencia acopladas, que se utilizaban en la antigua inteligencia de señales (SIGINT). En 1972, ESL Incorporated diseñó un sistema de radiogoniometría moderno montado en helicóptero para el gobierno de los EE. UU.
Las técnicas de diferencia de tiempo de llegada comparan el tiempo de llegada de una onda de radio a dos o más antenas diferentes y deducen la dirección de llegada a partir de esta información de tiempo. Este método puede utilizar elementos de antena omnidireccionales mecánicamente simples e inmóviles que se introducen en un sistema receptor de múltiples canales.
Una forma de radiogoniometría funciona comparando la intensidad de la señal de una antena direccional que apunta en diferentes direcciones. Al principio, este sistema lo utilizaban los operadores de radio terrestres y marítimos, utilizando una simple antena de bucle giratoria conectada a un indicador de grados. Este sistema se adoptó más tarde tanto para barcos como para aviones, y se utilizó ampliamente en las décadas de 1930 y 1940. En los aviones anteriores a la Segunda Guerra Mundial , las antenas RDF son fáciles de identificar como los bucles circulares montados encima o debajo del fuselaje. Los diseños posteriores de antena de bucle estaban encerrados en un carenado aerodinámico con forma de lágrima. En los barcos y las embarcaciones pequeñas, los receptores RDF emplearon primero grandes antenas de bucle de metal, similares a las de los aviones, pero generalmente montadas sobre un receptor portátil alimentado por batería.
En uso, el operador de RDF primero sintonizaba el receptor a la frecuencia correcta, luego giraba manualmente el bucle, ya sea escuchando o mirando un medidor S para determinar la dirección del nulo (la dirección en la que una señal dada es más débil) de una radiobaliza o estación de transmisión de onda larga (LW) o onda media (AM) (escuchar el nulo es más fácil que escuchar una señal de pico, y normalmente produce un resultado más preciso). Este nulo era simétrico y, por lo tanto, identificaba tanto el rumbo correcto marcado en la rosa de los vientos de la radio como su opuesto de 180 grados. Si bien esta información proporcionaba una línea de base desde la estación hasta el barco o la aeronave, el navegante aún necesitaba saber de antemano si estaba al este o al oeste de la estación para evitar trazar un curso de 180 grados en la dirección incorrecta. Al tomar rumbos a dos o más estaciones de transmisión y trazar los rumbos que se cruzaban, el navegante podía localizar la posición relativa de su barco o aeronave.
Más tarde, los equipos RDF fueron equipados con antenas de ferrita giratorias , lo que hizo que los equipos fueran más portátiles y menos voluminosos. Algunos fueron posteriormente automatizados parcialmente por medio de una antena motorizada (ADF). Un avance clave fue la introducción de una antena de látigo vertical secundaria o "sensorial" que corroboraba el rumbo correcto y permitía al navegante evitar trazar un rumbo 180 grados opuesto al rumbo real. El modelo RDF SE 995 de la Armada de los EE. UU. que usaba una antena sensora estuvo en uso durante la Primera Guerra Mundial. [10] Después de la Segunda Guerra Mundial, hubo muchas empresas pequeñas y grandes que fabricaban equipos de radiogoniometría para marineros, entre ellas Apelco , Aqua Guide, Bendix , Gladding (y su división marina, Pearce-Simpson), Ray Jefferson, Raytheon y Sperry. En la década de 1960, muchas de estas radios eran fabricadas por fabricantes de productos electrónicos japoneses, como Panasonic , Fuji Onkyo y Koden Electronics Co., Ltd. En equipos aeronáuticos, Bendix y Sperry-Rand eran dos de los mayores fabricantes de radios RDF e instrumentos de navegación.
La DF de un solo canal utiliza un conjunto de múltiples antenas con un receptor de radio de un solo canal. Este enfoque de DF ofrece algunas ventajas y desventajas. Dado que solo utiliza un receptor, la movilidad y el menor consumo de energía son beneficios. Sin la capacidad de observar cada antena simultáneamente (que sería el caso si se utilizaran varios receptores, también conocido como DF de N canales), deben realizarse operaciones más complejas en la antena para presentar la señal al receptor.
Las dos categorías principales en las que se divide un algoritmo DF de un solo canal son la comparación de amplitud y la comparación de fase . Algunos algoritmos pueden ser híbridos de los dos.
La técnica pseudo-Doppler es un método de DF basado en la fase que produce una estimación del rumbo de la señal recibida midiendo el desplazamiento Doppler inducido en la señal mediante el muestreo alrededor de los elementos de una matriz circular. El método original utilizaba una sola antena que se movía físicamente en un círculo, pero el enfoque moderno utiliza una matriz circular de múltiples antenas en la que se muestrean cada antena en sucesión.
La técnica Watson-Watt utiliza dos pares de antenas para realizar una comparación de amplitud en la señal entrante. El popular método Watson-Watt utiliza una matriz de dos bobinas ortogonales (dipolos magnéticos) en el plano horizontal, a menudo completadas con un dipolo eléctrico omnidireccional polarizado verticalmente para resolver ambigüedades de 180°.
El conjunto de antenas Adcock utiliza un par de antenas monopolares o dipolos que toman la diferencia vectorial de la señal recibida en cada antena, de modo que solo hay una salida de cada par de antenas. Dos de estos pares están ubicados en el mismo lugar, pero orientados perpendicularmente para producir lo que se puede denominar señales N–S (Norte-Sur) y E–O (Este-Oeste) que luego se transmitirán al receptor. En el receptor, el ángulo de orientación se puede calcular tomando la arcotangente de la relación entre la señal N–S y la E–O.
El principio básico del interferómetro correlativo consiste en comparar las diferencias de fase medidas con las diferencias de fase obtenidas para un sistema de antena de radiogoniometría de configuración conocida en un ángulo de onda conocido (conjunto de datos de referencia). Para ello, al menos tres elementos de antena (con características de recepción omnidireccionales) deben formar una base no colineal. La comparación se realiza para diferentes valores de acimut y elevación del conjunto de datos de referencia. El resultado de la orientación se obtiene a partir de una evaluación correlativa y estocástica para la que el coeficiente de correlación es máximo. Si los elementos de antena de radiogoniometría tienen un patrón de antena direccional, entonces la amplitud puede incluirse en la comparación.
Normalmente, el sistema de interferómetro correlativo DF consta de más de cinco elementos de antena, que se escanean uno tras otro mediante una matriz de conmutación específica. En un sistema DF multicanal, se combinan n elementos de antena con m canales de recepción para mejorar el rendimiento del sistema DF.
La radiogoniometría , radiogoniómetro o RDF , fue en su día la principal ayuda a la navegación aérea ( Radiogoniometría era la abreviatura utilizada para describir al predecesor del radar . [2] ) Las balizas se utilizaban para marcar las intersecciones de "vías aéreas" y para definir los procedimientos de salida y aproximación. Dado que la señal transmitida no contiene información sobre el rumbo o la distancia, estas balizas se denominan balizas no direccionales o NDB en el mundo de la aviación . A partir de la década de 1950, estas balizas fueron generalmente reemplazadas por el sistema VOR , en el que el rumbo a la ayuda a la navegación se mide a partir de la propia señal; por lo tanto, no se requiere una antena especializada con partes móviles. Debido al coste relativamente bajo de compra, mantenimiento y calibración, las NDB todavía se utilizan para marcar las ubicaciones de aeródromos más pequeños y sitios importantes de aterrizaje de helicópteros.
En las zonas costeras también se utilizan radiobalizas similares para la navegación marítima, ya que casi todos los barcos estaban equipados con un radiogoniómetro (Appleyard 1988). En la actualidad (2008) siguen en activo muy pocas radiobalizas para navegación marítima, ya que los barcos han abandonado la navegación mediante RDF en favor de la navegación GPS.
En el Reino Unido, los pilotos de aeronaves que se encuentren en peligro o tengan dificultades disponen de un servicio de radiogoniometría en las frecuencias de 121,5 MHz y 243,0 MHz. El servicio se basa en una serie de unidades de radiogoniometría situadas en aeropuertos civiles y militares y en ciertas estaciones de la Guardia Costera de Su Majestad. [11] Estas estaciones pueden obtener una "posición" de la aeronave y transmitirla por radio al piloto.
Los transmisores de radio para la navegación aérea y marítima se conocen como balizas y son el equivalente en radio a un faro . El transmisor envía una transmisión en código Morse en una frecuencia de onda larga (150 – 400 kHz) o de onda media (520 – 1720 kHz) que incorpora el identificador de la estación que se utiliza para confirmar la estación y su estado operativo. Dado que estas señales de radio se transmiten en todas las direcciones (omnidireccionales) durante el día, la señal en sí no incluye información de dirección, y por lo tanto, estas balizas se denominan balizas no direccionales o NDB .
Como la banda de transmisión de onda media comercial se encuentra dentro de la capacidad de frecuencia de la mayoría de las unidades RDF, estas estaciones y sus transmisores también se pueden utilizar para puntos de referencia de navegación. Si bien estas estaciones de radio comerciales pueden ser útiles debido a su alta potencia y ubicación cerca de las principales ciudades, puede haber varios kilómetros entre la ubicación de la estación y su transmisor, lo que puede reducir la precisión de la "solución" al acercarse a la ciudad de transmisión. Un segundo factor es que algunas estaciones de radio AM son omnidireccionales durante el día y cambian a una señal direccional de potencia reducida por la noche.
En el pasado, la radiodifusión por radio (RDF) era la forma principal de navegación aérea y marítima. Las cadenas de balizas formaban "vías aéreas" de aeropuerto a aeropuerto, mientras que las NDB marítimas y las estaciones de radiodifusión AM comerciales proporcionaban asistencia a la navegación a las pequeñas embarcaciones que se aproximaban a tierra. En los Estados Unidos, las estaciones de radio AM comerciales debían transmitir su identificador de estación una vez por hora para que lo utilizaran los pilotos y los marineros como ayuda a la navegación. En la década de 1950, las NDB de aviación se ampliaron con el sistema VOR , en el que la dirección de la baliza se puede extraer de la propia señal, de ahí la distinción con las balizas no direccionales. El uso de las NDB marítimas fue reemplazado en gran medida en América del Norte por el desarrollo de LORAN en la década de 1970.
En la actualidad, muchos NDB han sido descontinuados en favor de sistemas de navegación GPS más rápidos y mucho más precisos . Sin embargo, el bajo costo de los sistemas ADF y RDF y la existencia continua de estaciones de transmisión AM (así como de balizas de navegación en países fuera de América del Norte) han permitido que estos dispositivos sigan funcionando, principalmente para su uso en pequeñas embarcaciones, como complemento o respaldo del GPS.
Durante la Segunda Guerra Mundial se dedicó un esfuerzo considerable a la identificación de transmisores secretos en el Reino Unido (RU) mediante radiogoniometría. El trabajo fue realizado por el Servicio de Seguridad de Radio (RSS, también MI8). Inicialmente, la Oficina General de Correos instaló tres estaciones de radiodifusión de alta frecuencia U Adcock en 1939. Con la declaración de guerra, el MI5 y el RSS desarrollaron esta red hasta convertirla en una red más grande. Uno de los problemas para proporcionar cobertura a un área del tamaño del Reino Unido fue instalar suficientes estaciones de radiodifusión para cubrir toda el área y recibir señales de ondas ionosféricas reflejadas desde las capas ionizadas de la atmósfera superior. Incluso con la red ampliada, algunas áreas no estaban cubiertas adecuadamente y, por esta razón, se reclutaron hasta 1700 interceptores voluntarios (radioaficionados) para detectar transmisiones ilícitas mediante ondas terrestres . Además de las estaciones fijas, el RSS tenía una flota de vehículos móviles de radiodifusión por todo el Reino Unido. Si las estaciones fijas de radiodifusión o los interceptores voluntarios identificaban un transmisor, se enviaban unidades móviles a la zona para localizar la fuente. Las unidades móviles eran sistemas Adcock de alta frecuencia.
En 1941, sólo se habían identificado un par de transmisores ilícitos en el Reino Unido; se trataba de agentes alemanes que habían sido "desviados" y transmitían bajo el control del MI5. Se habían registrado muchas transmisiones ilícitas que emanaban de agentes alemanes en países ocupados y neutrales de Europa. El tráfico se convirtió en una valiosa fuente de inteligencia, por lo que el control del RSS pasó posteriormente al MI6, que era responsable de la inteligencia secreta procedente de fuera del Reino Unido. La operación de búsqueda de dirección e interceptación aumentó en volumen e importancia hasta 1945.
Las estaciones HF Adcock consistían en cuatro antenas verticales de 10 m que rodeaban una pequeña caseta de madera para operadores que contenía un receptor y un radiogoniómetro que se ajustaba para obtener el rumbo. También se utilizaron estaciones MF que usaban cuatro antenas de torre de celosía arriostradas de 30 m. En 1941, RSS comenzó a experimentar con radiogoniómetros de bucle espaciado, desarrollados por la empresa Marconi y los Laboratorios Nacionales de Física del Reino Unido . Estos consistían en dos bucles paralelos de 1 a 2 m cuadrados en los extremos de un haz giratorio de 3 a 8 m. El ángulo del haz se combinaba con los resultados de un radiogoniómetro para proporcionar un rumbo. El rumbo obtenido era considerablemente más agudo que el obtenido con el sistema U Adcock, pero había ambigüedades que impedían la instalación de los 7 sistemas SL DF propuestos. El operador de un sistema SL estaba en un tanque subterráneo de metal debajo de las antenas. Se instalaron siete tanques subterráneos, pero solo se instalaron dos sistemas SL en Wymondham, Norfolk y Weaverthorp en Yorkshire. Se encontraron problemas que hicieron que los cinco tanques subterráneos restantes se equiparan con sistemas Adcock. La antena giratoria SL se giraba a mano, lo que significaba que las mediciones sucesivas eran mucho más lentas que girar el dial de un goniómetro.
En 1942, cerca de Aberdeen, se construyó otra estación experimental de bucle espaciado para el Ministerio del Aire, con un búnker de hormigón semisubterráneo. Esta también se abandonó debido a dificultades operativas. En 1944, se desarrolló una versión móvil del bucle espaciado que fue utilizada por la RSS en Francia tras la invasión de Normandía en el Día D.
El ejército estadounidense utilizó una versión en tierra del DF de bucle espaciado durante la Segunda Guerra Mundial, llamada "DAB". Los bucles se colocaban en los extremos de una viga, que se encontraba dentro de una cabaña de madera con los componentes electrónicos en un gran gabinete con una pantalla de tubo de rayos catódicos en el centro de la viga y todo apoyado sobre un eje central. El operador giraba la viga manualmente.
La Marina Real introdujo una variación de las estaciones de radiogoniometría de alta frecuencia basadas en tierra en 1944 para rastrear submarinos en el Atlántico Norte. Construyeron grupos de cinco estaciones de radiogoniometría, de modo que se pudieran combinar los rumbos de las estaciones individuales del grupo y tomar una media. Se construyeron cuatro grupos de este tipo en Gran Bretaña en Ford End , Essex, Goonhavern, Cornwall, Anstruther y Bowermadden en las Tierras Altas de Escocia. También se construyeron grupos en Islandia, Nueva Escocia y Jamaica. Las mejoras previstas no se realizaron, pero el trabajo estadístico posterior mejoró el sistema y los grupos de Goonhavern y Ford End continuaron utilizándose durante la Guerra Fría. La Marina Real también desplegó equipos de radiogoniometría en barcos destinados a la guerra antisubmarina para intentar localizar submarinos alemanes, por ejemplo, las fragatas de clase Captain estaban equipadas con una antena de radiogoniometría de frecuencia media (MF/DF) (la antena se instalaba delante del puente) y una antena de radiogoniometría de alta frecuencia (HF/DF, "Huffduff") Tipo FH 4 (la antena se instalaba en la parte superior del palo mayor). [12]
Roland Keen, que era el jefe del departamento de ingeniería de RSS en Hanslope Park, escribió una referencia completa sobre la radiogoniometría inalámbrica durante la Segunda Guerra Mundial. Los sistemas de radiogoniometría mencionados aquí se describen en detalle en su libro de 1947 Wireless Direction Finding [13] .
Al final de la Segunda Guerra Mundial, varias estaciones RSS DF continuaron operando durante la Guerra Fría bajo el control del GCHQ, la organización SIGINT británica.
La mayor parte de los esfuerzos de búsqueda de dirección en el Reino Unido en la actualidad (2009) se dirigen a localizar transmisiones de radio FM " piratas " no autorizadas. Se utiliza una red de radiogoniómetros VHF operados a distancia, ubicados principalmente alrededor de las principales ciudades. Las transmisiones de los teléfonos móviles también se localizan mediante una forma de búsqueda de dirección que utiliza la intensidad de señal comparativa en los receptores "celulares" locales circundantes. Esta técnica se utiliza a menudo como prueba en los procesos penales del Reino Unido y, casi con toda seguridad, para fines de SIGINT. [14]
Las balizas de rescate con indicación de posición de emergencia se utilizan ampliamente en aeronaves civiles y barcos. Históricamente, los transmisores de localización de emergencia solo enviaban una señal de tono y dependían de la búsqueda de dirección por parte de aeronaves de búsqueda para localizar la baliza. Las balizas de emergencia modernas transmiten una señal de identificación única que puede incluir datos de ubicación GPS que pueden ayudar a encontrar la ubicación exacta del transmisor.
Los transceptores de avalanchas funcionan a una frecuencia estándar de 457 kHz y están diseñados para ayudar a localizar personas y equipos enterrados por avalanchas. Como la potencia de la baliza es tan baja, la direccionalidad de la señal de radio está dominada por efectos de campo de pequeña escala [15] y puede ser bastante complicado localizarlos.
La localización de animales con radiotransmisores mediante triangulación es una técnica de investigación ampliamente utilizada para estudiar el movimiento de los animales. La técnica se utilizó por primera vez a principios de la década de 1960, cuando los transmisores de radio y las baterías se volvieron lo suficientemente pequeños como para colocarlos en la fauna silvestre, y ahora se utiliza ampliamente para diversos estudios sobre la fauna silvestre. La mayor parte del seguimiento de animales salvajes a los que se les ha colocado un equipo de radiotransmisor lo realiza un investigador de campo utilizando un dispositivo de radiogoniometría portátil. Cuando el investigador desea localizar un animal en particular, la ubicación del animal se puede triangular determinando la dirección hacia el transmisor desde varias ubicaciones.
Los conjuntos de antenas en fase y otras técnicas avanzadas se utilizan para rastrear los lanzamientos de sistemas de cohetes y sus trayectorias resultantes. Estos sistemas pueden utilizarse con fines defensivos y también para obtener información sobre el funcionamiento de misiles pertenecientes a otras naciones. Estas mismas técnicas se utilizan para la detección y el seguimiento de aeronaves convencionales .
Los receptores terrestres pueden detectar señales de radio que emanan de estrellas distantes o regiones de gas ionizado. Los receptores de los radiotelescopios pueden detectar la dirección general de esas fuentes de radio naturales, a veces correlacionando su ubicación con objetos visibles con telescopios ópticos. La medición precisa del tiempo de llegada de los impulsos de radio por dos radiotelescopios en diferentes lugares de la Tierra, o el mismo telescopio en diferentes momentos de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, también puede permitir estimar la distancia a un objeto de radio.
Los eventos organizados por grupos y organizaciones que involucran el uso de habilidades de radiogoniometría para localizar transmisores en ubicaciones desconocidas han sido populares desde el final de la Segunda Guerra Mundial. [16] Muchos de estos eventos se promovieron por primera vez con el fin de practicar el uso de técnicas de radiogoniometría para fines de respuesta a desastres y defensa civil , o para practicar la localización de la fuente de interferencia de radiofrecuencia . La forma más popular del deporte, en todo el mundo, se conoce como radiogoniometría amateur o por su abreviatura internacional ARDF. Otra forma de la actividad, conocida como " cacería de transmisores ", "cacería móvil T" o "cacería de zorros" se lleva a cabo en un área geográfica más grande, como el área metropolitana de una gran ciudad, y la mayoría de los participantes viajan en vehículos de motor mientras intentan localizar uno o más transmisores de radio con técnicas de radiogoniometría.
Las técnicas de radiodifusión para frecuencias de microondas se desarrollaron en la década de 1940, en respuesta al creciente número de transmisores que operaban en estas frecuencias más altas. Esto requirió el diseño de nuevas antenas y receptores para los sistemas de radiodifusión.
En los sistemas navales, la capacidad DF pasó a formar parte del conjunto de medidas de apoyo electrónico (ESM), [17] : 6 [18] : 126 [19] : 70 donde la información direccional obtenida complementa otros procesos de identificación de señales. En las aeronaves, un sistema DF proporciona información adicional para el receptor de advertencia de radar (RWR).
Con el tiempo, se hizo necesario mejorar el rendimiento de los sistemas DF de microondas para contrarrestar las tácticas evasivas empleadas por algunos operadores, como los radares de baja probabilidad de intercepción y los enlaces de datos encubiertos .
A principios de siglo, los tubos de vacío (válvulas termoiónicas) se usaban ampliamente en transmisores y receptores, pero su rendimiento de alta frecuencia estaba limitado por los efectos del tiempo de tránsito. [20] : 192 [21] : 394 [22] : 206 Incluso con procesos especiales para reducir las longitudes de los cables, [23] como la construcción de rejilla de marco, como la utilizada en el EF50 , y la construcción planar, [20] : 192 muy pocos tubos podían funcionar por encima de UHF .
En la década de 1930 se llevó a cabo un intenso trabajo de investigación para desarrollar tubos de transmisión específicos para la banda de microondas, que incluían, en particular, el klistrón [24] [20] : 201, el magnetrón de cavidad [20] : 347 [24] : 45 y el tubo de ondas viajeras (TWT). [20] : 241 [24] : 48 Tras el exitoso desarrollo de estos tubos, en la década siguiente se produjo su producción a gran escala.
Las señales de microondas tienen longitudes de onda cortas, lo que da como resultado una resolución del objetivo mucho mejor en comparación con los sistemas de RF . Esto permite una mejor identificación de múltiples objetivos y, también, proporciona una precisión direccional mejorada. [25] Además, las antenas son pequeñas, por lo que se pueden ensamblar en conjuntos compactos y, además, pueden lograr patrones de haz bien definidos que pueden proporcionar los haces estrechos con alta ganancia favorecidos por los radares y los enlaces de datos .
Otras ventajas de la nueva banda de microondas fueron la ausencia de desvanecimiento (un problema frecuente en la banda de radio de onda corta ) y un gran aumento del espectro de la señal, en comparación con las congestionadas bandas de RF que ya se utilizaban. Además de poder admitir muchas más señales, ahora era posible utilizar técnicas de espectro ensanchado y saltos de frecuencia .
Una vez establecidas las técnicas de microondas, hubo una rápida expansión en la banda por parte de usuarios tanto militares como comerciales.
Las antenas para radiogoniometría deben cumplir requisitos diferentes a los de un radar o un enlace de comunicaciones, donde una antena con un haz estrecho y una ganancia alta suele ser una ventaja. Sin embargo, al realizar radiogoniometría, puede que se desconozca la orientación de la fuente, por lo que normalmente se eligen antenas con anchos de haz amplios , aunque tengan una ganancia de puntería de antena menor . Además, las antenas deben cubrir una amplia banda de frecuencias.
La figura muestra el diagrama polar normalizado de una característica de ganancia de antena típica, en el plano horizontal. El ancho de haz de media potencia del haz principal es 2 × Ψ 0 . Preferentemente, cuando se utilizan métodos de comparación de amplitud para la búsqueda de dirección, el lóbulo principal debe aproximarse a una característica gaussiana. Aunque la figura también muestra la presencia de lóbulos laterales , estos no son una preocupación importante cuando se utilizan antenas en un conjunto de radiogoniometría.
Por lo general, la ganancia de puntería de una antena está relacionada con el ancho del haz. [26] : 257 Para una bocina rectangular, Ganancia ≈ 30000/BW h .BW v , donde BW h y BW v son los anchos de haz de la antena horizontal y vertical, respectivamente, en grados. Para una apertura circular, con ancho de haz BW c , es Ganancia ≈ 30000/BW c 2 .
Dos tipos de antenas populares para DF son las espirales con cavidad en el fondo y las antenas de bocina .
Las antenas espirales son capaces de alcanzar anchos de banda muy amplios [26] : 252 [27] y tienen un ancho de haz de media potencia nominal de aproximadamente 70 grados, lo que las hace muy adecuadas para conjuntos de antenas que contienen 4, 5 o 6 antenas. [18] : 41
Para conjuntos más grandes que necesitan anchos de haz más estrechos , se pueden utilizar bocinas. Los anchos de banda de las antenas de bocina se pueden aumentar utilizando alimentadores de guía de ondas de doble cresta [28] [18] : 72 y utilizando bocinas con crestas internas. [29] : 267 [30] : 181
Los primeros receptores de microondas eran, por lo general, receptores de "vídeo de cristal" sencillos, [31] : 169 [18] : 172 [32] que utilizan un detector de cristal seguido de un amplificador de vídeo con una característica compresiva para ampliar el rango dinámico. Este tipo de receptor era de banda ancha, pero no muy sensible. Sin embargo, esta falta de sensibilidad podía tolerarse debido a la "ventaja de alcance" de la que disfrutaba el receptor DF (véase más adelante).
El klistrón y el TWT son dispositivos lineales y, por lo tanto, en principio, podrían utilizarse como preamplificadores de receptores. Sin embargo, el klistrón era bastante inadecuado, ya que era un dispositivo de banda estrecha y extremadamente ruidoso [21] : 392 y el TWT, aunque potencialmente más adecuado, [21] : 548 tiene características de adaptación deficientes y un gran volumen, lo que lo hacía inadecuado para sistemas multicanal que utilizan un preamplificador por antena. Sin embargo, se ha demostrado un sistema en el que un solo preamplificador TWT selecciona selectivamente señales de un conjunto de antenas. [33]
Los transistores adecuados para frecuencias de microondas estuvieron disponibles hacia finales de la década de 1950. El primero de ellos fue el transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET). Otros le siguieron, por ejemplo, el transistor de efecto de campo de semiconductor de metal y el transistor de alta movilidad de electrones (HEMT). Inicialmente, los transistores discretos se incrustaban en circuitos de línea de banda o microbanda , pero luego aparecieron los circuitos integrados de microondas . Con estos nuevos dispositivos, se hicieron posibles los preamplificadores de receptor de bajo ruido, lo que aumentó enormemente la sensibilidad y, por lo tanto, el rango de detección de los sistemas de DF.
Fuente: [34]
El receptor DF disfruta de una ventaja en el alcance de detección [35] sobre el receptor de radar. Esto se debe a que la intensidad de la señal en el receptor DF, debido a una transmisión de radar, es proporcional a 1/R 2 mientras que la del receptor de radar proveniente del retorno reflejado es proporcional a σ/R 4 , donde R es el alcance y σ es la sección transversal del radar del sistema DF. [36] Esto da como resultado que la intensidad de la señal en el receptor de radar sea mucho menor que la del receptor DF. En consecuencia, a pesar de su baja sensibilidad, un receptor DF de video de cristal simple es, por lo general, capaz de detectar la transmisión de señal de un radar a un alcance mayor que aquel en el que el propio receptor del radar es capaz de detectar la presencia del sistema DF. [18] : 8
En la práctica, la ventaja se reduce por la relación de las ganancias de antena (normalmente son 36 dB y 10 dB para el radar y el ESM, respectivamente) y el uso de técnicas de espectro ensanchado , como la compresión Chirp , por parte del radar, para aumentar la ganancia de procesamiento de su receptor. Por otro lado, el sistema DF puede recuperar alguna ventaja utilizando receptores sensibles y de bajo ruido y utilizando prácticas Stealth para reducir su sección transversal de radar , [29] : 292 como con los aviones y barcos Stealth .
El cambio a frecuencias de microondas significó una reevaluación de los requisitos de un sistema DF. [37] Ahora, el receptor ya no podía depender de un flujo de señal continuo en el que realizar mediciones. Los radares con sus haces estrechos solo iluminarían las antenas del sistema DF con poca frecuencia. Además, algunos radares que desean evitar la detección (los de contrabandistas, barcos hostiles y misiles) radiarían sus señales con poca frecuencia y, a menudo, a baja potencia. [38] Un sistema de este tipo se conoce como radar de baja probabilidad de intercepción . [39] [40] En otras aplicaciones, como enlaces de microondas, la antena del transmisor puede no apuntar nunca al receptor DF, por lo que la recepción solo es posible por medio de la fuga de señal de los lóbulos laterales de la antena . Además, los enlaces de datos encubiertos [41] solo pueden radiar una secuencia de alta velocidad de datos muy ocasionalmente.
En general, para satisfacer las circunstancias modernas, se requiere que un sistema DF de microondas de banda ancha tenga alta sensibilidad y cobertura de 360° para tener la capacidad de detectar pulsos individuales (a menudo llamados monopulso de amplitud ) y lograr una alta "Probabilidad de intercepción" (PoI). [42]
La comparación de amplitud ha sido popular como método para DF porque los sistemas son relativamente simples de implementar, tienen buena sensibilidad y, muy importante, una alta probabilidad de detección de señal. [43] : 97 [18] : 207 Normalmente, se utiliza una matriz de cuatro o más antenas direccionales bifurcadas para dar una cobertura de 360 grados. [44] : 155 [18] : 101 [45] : 5–8.7 [43] : 97 [46] Los métodos de DF por comparación de fase pueden dar una mejor precisión de rumbo, [45] : 5–8.9 pero el procesamiento es más complejo. Los sistemas que utilizan una sola antena parabólica giratoria son más sensibles, pequeños y relativamente fáciles de implementar, pero tienen un PoI pobre. [42]
Por lo general, se comparan las amplitudes de las señales en dos canales adyacentes del conjunto para obtener la orientación de un frente de onda entrante, pero, a veces, se utilizan tres canales adyacentes para lograr una mayor precisión. Aunque las ganancias de las antenas y sus cadenas de amplificación deben coincidir estrechamente, un diseño y una construcción cuidadosos y procedimientos de calibración efectivos pueden compensar las deficiencias en el hardware. Se han reportado precisiones de orientación generales de 2° a 10° (rms) [45] [47] utilizando el método.
La DF de dos canales, utilizando dos antenas adyacentes de una matriz circular, se logra comparando la potencia de la señal de mayor tamaño con la de la segunda señal de mayor tamaño. La dirección de una señal entrante, dentro del arco descrito por dos antenas con un ángulo de orientación de Φ, se puede obtener comparando las potencias relativas de las señales recibidas. Cuando la señal está en el eje de puntería de una de las antenas, la señal en la otra antena será aproximadamente 12 dB menor. Cuando la dirección de la señal está a mitad de camino entre las dos antenas, los niveles de señal serán iguales y aproximadamente 3 dB menores que el valor del eje de puntería. En otros ángulos de orientación, φ, una relación intermedia de los niveles de señal dará la dirección.
Si los patrones de lóbulo principal de la antena tienen una característica gaussiana y las potencias de la señal se describen en términos logarítmicos (por ejemplo, decibeles (dB) en relación con el valor de alineación), entonces existe una relación lineal entre el ángulo de orientación φ y la diferencia de nivel de potencia, es decir, φ ∝ (P1(dB) - P2(dB)), donde P1(dB) y P2(dB) son las salidas de dos canales adyacentes. La miniatura muestra un gráfico típico.
Para dar una cobertura de 360°, se eligen antenas de un conjunto circular, en pares, según los niveles de señal recibidos en cada antena. Si hay N antenas en el conjunto, con un espaciamiento angular (ángulo de estrabismo) Φ, entonces Φ = 2π/N radianes (= 360/N grados).
Si los lóbulos principales de las antenas tienen una característica gausiana, entonces la salida P 1 (φ), en función del ángulo de orientación φ, viene dada por [18] : 238
dónde
La segunda antena, orientada hacia Phi y con la misma ganancia de puntería G 0, proporciona una salida
Comparando niveles de señal,
El logaritmo natural del cociente es
Reorganizando
Esto muestra la relación lineal entre la diferencia del nivel de salida, expresada logarítmicamente, y el ángulo de orientación ø.
Los logaritmos naturales se pueden convertir a decibeles (dB) (donde dB se refiere a la ganancia de puntería) utilizando ln(X) = X(dB)/(10.\log 10 (e)), por lo que la ecuación se puede escribir
Se pueden lograr mejoras en la precisión del rumbo si se incluyen datos de amplitud de una tercera antena en el procesamiento del rumbo. [48] [44] : 157
Para un DF de tres canales, con tres antenas inclinadas en ángulos Φ, la dirección de la señal entrante se obtiene comparando la potencia de señal del canal que contiene la señal más grande con las potencias de señal de los dos canales adyacentes, situados a cada lado de este.
Para las antenas en un conjunto circular, se seleccionan tres antenas según los niveles de señal recibidos, con la señal más grande presente en el canal central.
Cuando la señal se encuentra en el eje de puntería de la Antena 1 (φ = 0), la señal de las otras dos antenas será igual y aproximadamente 12 dB inferior. Cuando la dirección de la señal se encuentra a medio camino entre dos antenas (φ = 30°), sus niveles de señal serán iguales y aproximadamente 3 dB inferiores al valor del eje de puntería, siendo la tercera señal ahora unos 24 dB inferior. En otros ángulos de orientación, ø, algunas relaciones intermedias de los niveles de señal darán la dirección.
Para una señal entrante en un rumbo ø, considerado aquí a la derecha del eje de puntería de la Antena 1:
La salida del canal 1 es
La salida del canal 2 es
La salida del canal 3 es
donde G T es la ganancia total de cada canal, incluida la ganancia de puntería de la antena, y se supone que es la misma en los tres canales. Como antes, en estas ecuaciones, los ángulos están en radianes, Φ = 360/N grados = 2 π/N radianes y A = -ln(0,5).
Como antes, estos se pueden ampliar y combinar para dar:
Eliminando A/Ψ 0 2 y reordenando
donde Δ 1,3 = \ln(P 1 ) - ln(P 3 ), Δ 1,2 = \ln(P 1 ) - \ln(P 2 ) y Δ 2,3 = \ln(P 2 ) - \ln(P 3 ),
Los valores de diferencia aquí están en nepers pero podrían estar en decibeles .
El valor de rumbo obtenido con esta ecuación es independiente del ancho del haz de la antena (= 2,Ψ0), por lo que no es necesario conocer este valor para obtener resultados de rumbo precisos. Además, existe un efecto de suavizado para los valores de rumbo cercanos al eje de puntería de la antena central, por lo que no hay discontinuidad en los valores de rumbo allí, ya que las señales entrantes se mueven de izquierda a derecha (o viceversa) a través del eje de puntería, como puede ocurrir con el procesamiento de 2 canales.
Muchas de las causas de error de rumbo, como imperfecciones mecánicas en la estructura de la antena, mala adaptación de las ganancias del receptor o patrones de ganancia de antena no ideales, pueden compensarse mediante procedimientos de calibración y tablas de consulta correctivas, pero el ruido térmico siempre será un factor degradante. Como todos los sistemas generan ruido térmico [49] [50] , cuando el nivel de la señal entrante es bajo, las relaciones señal-ruido en los canales del receptor serán deficientes y la precisión de la predicción del rumbo se verá afectada.
En general, una guía para la incertidumbre de los rodamientos se da en [45] [51] > : 82 [31] : 91 [52] : 244
para una señal en el cruce, pero donde SNR 0 es la relación señal-ruido que se aplicaría en el punto de mira.
Para obtener predicciones más precisas en un rumbo determinado, se utilizan las relaciones señal-ruido reales de las señales de interés. (Los resultados se pueden obtener suponiendo que los errores inducidos por el ruido se aproximan relacionando los diferenciales con el ruido no correlacionado).
Para el procesamiento adyacente utilizando, por ejemplo, el Canal 1 y el Canal 2, la incertidumbre de rumbo (ruido angular), Δø (rms), se proporciona a continuación. [18] [31] : 91 [53] En estos resultados, se supone la detección de la ley cuadrada y las cifras de SNR son para señales en video (banda base), para el ángulo de rumbo φ.
donde SNR 1 y SNR 2 son los valores de señal a ruido de video (banda base) para los canales de Antena 1 y Antena 2, cuando se utiliza la detección de ley cuadrada.
En el caso del procesamiento de 3 canales, una expresión que es aplicable cuando las relaciones S:N en los tres canales exceden la unidad (cuando ln(1 + 1/SNR) ≈ 1/SNR es verdadero en los tres canales), es
donde SNR 1 , SNR 2 y SNR 3 son los valores de señal-ruido de vídeo para el Canal 1, Canal 2 y Canal 3 respectivamente, para el ángulo de rumbo φ.
En la figura se muestra un esquema de un posible sistema DF, [18] : 101 que emplea seis antenas, [54] [55] .
Las señales recibidas por las antenas son primero amplificadas por un preamplificador de bajo ruido antes de ser detectadas por los amplificadores de video-logaritmo del detector (DLVAs). [56] [57] [58] Los niveles de señal de los DLVAs se comparan para determinar el ángulo de llegada. Al considerar los niveles de señal en una escala logarítmica, como la proporcionada por los DLVAs, se logra un amplio rango dinámico [56] : 33 y, además, los cálculos de radiogoniometría se simplifican cuando los lóbulos principales de los patrones de antena tienen una característica gaussiana, como se mostró anteriormente.
Una parte necesaria del análisis DF es identificar el canal que contiene la señal más grande y esto se logra por medio de un circuito comparador rápido. [44] Además del proceso DF, se pueden investigar otras propiedades de la señal, como la duración del pulso, la frecuencia, la frecuencia de repetición de pulso (PRF) y las características de modulación. [45] La operación del comparador generalmente incluye histéresis, para evitar fluctuaciones en el proceso de selección cuando el rumbo de la señal entrante es tal que dos canales adyacentes contienen señales de amplitud similar.
A menudo, los amplificadores de banda ancha están protegidos de fuentes de alta potencia locales (como en un barco) mediante limitadores de entrada y/o filtros. De manera similar, los amplificadores pueden contener filtros de supresión para eliminar señales conocidas, pero no deseadas, que podrían perjudicar la capacidad del sistema para procesar señales más débiles. Algunos de estos problemas se tratan en Cadena de RF .
![{\displaystyle P_{1}(\phi )=G_{0}.\exp {\Bigr [}-A.{\Big (}{\frac {\phi }{\Psi _{0}}}{\Big )}^{2}{\Bigr ]}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5f15d7dd42215d4cc1c027bf5b8131d0aed564f8)
![{\displaystyle P_{2}=G_{0}.\exp {\Bigr [}-A.{\Big (}{\frac {\Phi -\phi }{\Psi _{0}}}{\Big )}^{2}{\Bigr ]}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4bc00f945971d79d862beef86c331cda16c84758)
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![{\displaystyle \phi ={\frac {\Psi _{0}^{2}}{2A.\Phi }}.{\big [}\ln(P_{2})-\ln(P_{1}){\big ]}+{\frac {\Phi }{2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/86d7f75574799ac307ce780b77f7aae1d52d33a6)
![{\displaystyle \phi ={\frac {\Psi _{0}^{2}}{6.0202\Phi }}.{\big [}P_{2}(dB)-P_{1}(dB){\big ]}+{\frac {\Phi }{2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b247d0bdef7c7453e0a57108a6662c6e39cb78f9)
![{\displaystyle P_{1}=G_{T}.\exp {\Bigr [}-A.{\Big (}{\frac {\phi }{\Psi _{0}}}{\Big )}^{2}{\Bigr ]}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9cd6ef95366a8a132a862b8e6ddb8b1a993f8aea)
![{\displaystyle P_{2}=G_{T}.\exp {\Bigr [}-A.{\Big (}{\frac {\Phi -\phi }{\Psi _{0}}}{\Big )}^{2}{\Bigr ]}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ed0e9099b9ee075ea7e910dad6b6c66baef9879d)
![{\displaystyle P_{3}=G_{T}.\exp {\Bigr [}-A.{\Big (}{\frac {\Phi +\phi }{\Psi _{0}}}{\Big )}^{2}{\Bigr ]}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/463e9864a50090bb2beb5f93397df4bbe6a67024)
