La radiogoniometría de alta frecuencia , conocida habitualmente por su abreviatura HF/DF o por el sobrenombre huff-duff , es un tipo de radiogoniómetro (RDF) introducido en la Segunda Guerra Mundial . La alta frecuencia (HF) se refiere a una banda de radio que puede comunicarse eficazmente a largas distancias; por ejemplo, entre submarinos y sus cuarteles generales en tierra. La HF/DF se utilizó principalmente para captar radios enemigas mientras transmitían, aunque también se utilizó para localizar aeronaves amigas como ayuda a la navegación. La técnica básica sigue utilizándose como una de las disciplinas fundamentales de la inteligencia de señales , aunque normalmente se incorpora a un conjunto más amplio de sistemas de radio y radares en lugar de ser un sistema independiente.
En los primeros sistemas RDF, el operador giraba mecánicamente una antena de bucle o solenoide y escuchaba los picos o nulos en la señal para determinar el rumbo hacia el transmisor. Esto llevaba un tiempo considerable, del orden de un minuto o más. Los operadores de radio podían evitar ser localizados si sus mensajes eran breves. En los sistemas HF/DF, un conjunto de antenas recibía la señal en ubicaciones o ángulos ligeramente diferentes y luego utilizaba las ligeras diferencias resultantes en la señal para mostrar el rumbo en la pantalla de un osciloscopio . Este proceso era esencialmente instantáneo, lo que permitía captar incluso las señales más cortas, como las de la flota de submarinos.
El sistema fue desarrollado inicialmente por Robert Watson-Watt a partir de 1926, como un sistema para localizar rayos . Su papel en inteligencia no se desarrolló hasta finales de la década de 1930. En el período de principios de la guerra, las unidades HF/DF tenían una gran demanda y había una considerable rivalidad entre servicios en su distribución. Uno de los primeros usos fue por parte del Mando de Cazas de la RAF como parte del sistema Dowding de control de interceptación, mientras que las unidades terrestres también se utilizaron ampliamente para recopilar información para el Almirantazgo para localizar submarinos. Entre 1942 y 1944, las unidades más pequeñas se volvieron ampliamente disponibles y eran elementos comunes en los buques de la Marina Real . Se estima que el HF/DF contribuyó al 24% de todos los submarinos hundidos durante la guerra. [1]
El concepto básico también se conoce con varios nombres alternativos, entre ellos, radiogoniometría de rayos catódicos (CRDF), [2] radiogoniometría de trayectorias gemelas (Twin Path DF), [1] y, por su inventor, radiogoniometría Watson-Watt o Adcock/Watson-Watt cuando se considera la antena. [3]
La radiogoniometría era una técnica muy utilizada incluso antes de la Primera Guerra Mundial , tanto para la navegación naval como para la aérea. El concepto básico utilizaba una antena de bucle , que en su forma más básica era simplemente un bucle circular de alambre con una circunferencia determinada por el rango de frecuencia de las señales que se iban a detectar. Cuando el bucle se alinea en ángulo recto con la señal, la señal en las dos mitades del bucle se cancela, lo que produce una caída repentina en la salida conocida como "nulo".
Los primeros sistemas de radiofrecuencia utilizaban una antena de bucle que podía rotarse mecánicamente. El operador sintonizaba una estación de radio conocida y luego rotaba la antena hasta que la señal desaparecía. Esto significaba que la antena ahora estaba en ángulo recto con la emisora, aunque podía estar a ambos lados de la antena. Al tomar varias de estas mediciones, o usar alguna otra forma de información de navegación para eliminar una de las direcciones ambiguas, se podía determinar el rumbo hacia la emisora.
En 1907 Ettore Bellini y Alessandro Tosi introdujeron una mejora que simplificó enormemente el sistema DF en algunas configuraciones. La antena de bucle único fue reemplazada por dos antenas, dispuestas en ángulos rectos. La salida de cada una se enviaba a su propio cable en bucle, o como se las denomina en este sistema, una "bobina de campo". Dos de estas bobinas, una para cada antena, están dispuestas juntas en ángulos rectos. Las señales de las dos antenas generaban un campo magnético en el espacio entre las bobinas, que era captado por un solenoide giratorio , la "bobina de búsqueda". La señal máxima se generaba cuando la bobina de búsqueda estaba alineada con el campo magnético de las bobinas de campo, que estaba en el ángulo de la señal en relación con las antenas. Esto eliminó cualquier necesidad de que las antenas se movieran. El radiogoniómetro Bellini-Tosi (BT) se utilizó ampliamente en barcos, aunque los bucles giratorios siguieron utilizándose en aviones, ya que normalmente eran más pequeños. [4]
Todos estos dispositivos tardaban un tiempo en funcionar. Normalmente, el operador de radio utilizaba primero sintonizadores de radio convencionales para encontrar la señal en cuestión, ya sea utilizando la(s) antena(s) DF o una antena no direccional separada. Una vez sintonizada, el operador giraba las antenas o el goniómetro buscando picos o nulos en la señal. Aunque la ubicación aproximada se podía encontrar girando el control rápidamente, para mediciones más precisas el operador tenía que "buscar" con movimientos cada vez más pequeños. Con señales periódicas como el código Morse o señales en el borde de la recepción, este era un proceso difícil. Los tiempos de reparación se citaban comúnmente en el orden de un minuto. [4]
Algunos trabajos de automatización del sistema BT se llevaron a cabo justo antes del inicio de la Segunda Guerra Mundial, especialmente por los ingenieros franceses Maurice Deloraine y Henri Busignies , que trabajaban en la división francesa de la ITT Corporation de los EE. UU . Su sistema motorizaba la bobina de búsqueda, así como una tarjeta de visualización circular, que giraba sincronizada. Una lámpara en la tarjeta de visualización estaba conectada a la salida del goniómetro y destellaba siempre que estaba en la dirección correcta. Cuando giraba rápidamente, aproximadamente a 120 RPM, los destellos se fusionaban en un solo punto (errante) que indicaba la dirección. El equipo destruyó todo su trabajo en la oficina francesa y abandonó Francia en 1940, justo antes de que Alemania invadiera, y continuó el desarrollo en los EE. UU. [5]
Se sabe desde hace tiempo que los rayos emiten señales de radio. La señal se propaga en muchas frecuencias, pero es especialmente intensa en el espectro de ondas largas , que era una de las principales frecuencias de radio para las comunicaciones navales de largo alcance. Robert Watson-Watt había demostrado que las mediciones de estas señales de radio podían utilizarse para rastrear tormentas eléctricas y proporcionar una útil advertencia de largo alcance para pilotos y barcos. En algunos experimentos, pudo detectar tormentas eléctricas sobre África, a 2.500 kilómetros (1.600 millas) de distancia. [6]
Los rayos duraban tan poco tiempo que los sistemas RDF tradicionales que utilizaban antenas de bucle no podían determinar el rumbo antes de que desaparecieran. [7] Todo lo que se podía determinar era una ubicación promedio que producía la mejor señal durante un largo período, incorporando la señal de muchos rayos. [6] En 1916, Watt propuso que se podía utilizar un tubo de rayos catódicos (CRT) como elemento indicador en lugar de sistemas mecánicos, [8] pero no tenía la capacidad de probar esto.
Watt trabajó en la Oficina Meteorológica de la RAF en Aldershot , pero en 1924 decidieron devolver la ubicación para que la utilizaran otras unidades de la RAF. En julio de 1924, Watt se mudó a un nuevo sitio en Ditton Park, cerca de Slough . Este sitio ya albergaba el sitio de investigación de la Sección de Radio del Laboratorio Nacional de Física (NPL). Watt estaba involucrado en la rama de Atmósfera, realizando estudios básicos en la propagación de señales de radio a través de la atmósfera, mientras que el NPL estaba involucrado en mediciones de intensidad de campo en el campo y en investigaciones de radiogoniometría. El NPL tenía dos dispositivos utilizados en estos estudios que resultarían críticos para el desarrollo del huff-duff, una antena Adcock y un osciloscopio moderno . [6]
La antena Adcock es una disposición de cuatro mástiles monopolares conectados eléctricamente para actuar como dos antenas de bucle virtuales dispuestas en ángulo recto. Al comparar las señales recibidas en los dos bucles virtuales, se puede determinar la dirección de la señal utilizando las técnicas RDF existentes. Los investigadores habían instalado la antena en 1919, pero la habían descuidado en favor de diseños más pequeños. Se descubrió que estos tenían un rendimiento muy deficiente debido a las características eléctricas de la zona de Slough, que dificultaban determinar si una señal se recibía en línea recta o descendía del cielo. Smith-Rose y Barfield volvieron a centrarse en la antena Adcock, que no tenía componente horizontal y, por lo tanto, filtraba las "ondas ionosféricas". En una serie de experimentos de seguimiento, pudieron determinar con precisión la ubicación de los transmisores en todo el país. [9]
Fue el deseo constante de Watt de capturar la ubicación de los rayos individuales lo que llevó a los principales desarrollos finales en el sistema básico huff-duff. El laboratorio había recibido recientemente un osciloscopio WE-224 de Bell Labs , que proporcionaba una conexión fácil y tenía un fósforo persistente . Trabajando con Jock Herd, en 1926 Watt agregó un amplificador a cada uno de los dos brazos de la antena y envió esas señales a los canales X e Y del osciloscopio. Como se esperaba, la señal de radio produjo un patrón en la pantalla que indicaba la dirección del rayo, y el fósforo de decaimiento lento le dio al operador tiempo suficiente para medirlo antes de que la pantalla se apagara. [6] [7]
Watt y Herd escribieron un extenso artículo sobre el sistema en 1926, en el que se referían a él como "un radiogoniómetro de lectura directa instantánea" y afirmaban que podía utilizarse para determinar la dirección de señales con una duración de tan solo 0,001 segundos. [10] El artículo describe el dispositivo en profundidad y continúa explicando cómo podría utilizarse para mejorar la radiogoniometría y la navegación. A pesar de esta demostración pública y de las películas que mostraban su uso para localizar rayos, el concepto aparentemente permaneció desconocido fuera del Reino Unido. Esto permitió que se desarrollara en forma práctica en secreto.
Durante la prisa por instalar los sistemas de radar Chain Home (CH) antes de la Batalla de Inglaterra , las estaciones CH se ubicaron lo más adelante posible, a lo largo de la costa, para proporcionar el máximo tiempo de advertencia. Esto significó que las áreas interiores sobre las Islas Británicas no tenían cobertura de radar, dependiendo en cambio del Cuerpo de Observadores (más tarde Cuerpo de Observadores Reales) para el seguimiento visual en esta área. Si bien el Cuerpo de Observadores pudo proporcionar información sobre grandes incursiones, los cazas eran demasiado pequeños y estaban demasiado altos para ser identificados positivamente. Como todo el sistema de control aéreo de Dowding dependía de la dirección terrestre, se necesitaba alguna solución para localizar a sus propios cazas. [11]
La solución más conveniente para este problema fue el uso de estaciones huff-duff para sintonizar las radios de los cazas. Cada Control de Sector, a cargo de una selección de escuadrones de cazas, estaba equipado con un receptor huff-duff, junto con otras dos subestaciones ubicadas en puntos distantes, a unas 30 millas (48 km) de distancia. Estas estaciones escucharían las transmisiones de los cazas, compararían los ángulos para triangular su ubicación y luego transmitirían esa información a las salas de control. [12] Comparando las posiciones del enemigo informadas por el Cuerpo de Observadores y los cazas de los sistemas huff-duff, los Comandantes de Sector podían dirigir fácilmente a los cazas para interceptar al enemigo.
Para facilitar este proceso, se instaló en algunos de los cazas un sistema conocido como " pip-squeak ", al menos dos por sección (con hasta cuatro secciones por escuadrón). El pip-squeak enviaba automáticamente un tono constante durante 14 segundos cada minuto, lo que ofrecía tiempo suficiente a los operadores del "huff-duff" para rastrear la señal. Tenía el inconveniente de que saturaba la radio del avión mientras transmitía su señal DF. [ cita requerida ]
La necesidad de equipos de defensa aérea era tan acuciante que el Ministerio del Aire no pudo proporcionar inicialmente la cantidad solicitada por Hugh Dowding , comandante del Mando de Cazas de la RAF . En batallas simuladas durante 1938, el sistema demostró ser tan útil que el Ministerio respondió proporcionando sistemas Bellini-Tosi con la promesa de que las versiones CRT los reemplazarían lo antes posible. Esto se podía lograr en el campo, simplemente conectando las antenas existentes a un nuevo conjunto receptor. En 1940, estos estaban instalados en los 29 "sectores" del Mando de Cazas y eran una parte importante del sistema que ganó la batalla.
Junto con el sonar ("ASDIC"), la inteligencia obtenida a partir de los códigos alemanes y el radar , el "Huff-Duff" fue una parte valiosa del arsenal de los Aliados para detectar submarinos alemanes y buques de guerra comerciales durante la Batalla del Atlántico .
La Kriegsmarine sabía que los radiogoniómetros podían utilizarse para localizar sus barcos en el mar cuando estos transmitían mensajes. En consecuencia, desarrolló un sistema que convertía los mensajes rutinarios en mensajes de corta duración. La " kurzsignale " resultante se codificaba entonces con la máquina Enigma (por motivos de seguridad) y se transmitía rápidamente. Un operador de radio experimentado podía tardar unos 20 segundos en transmitir un mensaje típico. [13] Si el Reino Unido hubiera estado utilizando sistemas BT, el único sistema que conocían los alemanes en aquel momento, determinar la ubicación de una transmisión de ese tipo habría requerido mucha suerte. Con Huff-Duff, estos mensajes eran más que suficientemente largos para medirlos fácilmente.
En un principio, el sistema de detección del Reino Unido consistía en una serie de estaciones costeras en las Islas Británicas y el Atlántico Norte, que coordinarían sus intercepciones para determinar las ubicaciones. Las distancias involucradas en la localización de submarinos en el Atlántico desde estaciones de radiodifusión en tierra eran tan grandes, y la precisión de la radiodifusión era relativamente ineficiente, por lo que las correcciones no eran particularmente precisas. En 1944, la Inteligencia Naval desarrolló una nueva estrategia en la que se construyeron grupos localizados de cinco estaciones de radiodifusión en tierra para que se pudieran promediar los rumbos de cada una de las cinco estaciones y obtener un rumbo más confiable. Se establecieron cuatro de estos grupos en Gran Bretaña: en Ford End en Essex, Anstruther en Fife, Bower en las Tierras Altas de Escocia y Goonhavern en Cornualles. Se pretendía establecer otros grupos en Islandia, Nueva Escocia y Jamaica. [14] Se descubrió que el promedio simple era ineficaz, y más tarde se utilizaron métodos estadísticos. También se pidió a los operadores que calificaran la confiabilidad de sus lecturas para que las malas y variables tuvieran menos peso que las que parecían estables y bien definidas. Varios de estos grupos DF continuaron en la década de 1970 como parte de la Organización de Señales Compuestas . [15]
Los sistemas terrestres se utilizaron porque existían graves problemas técnicos en el funcionamiento de los barcos, principalmente debido a los efectos de la superestructura en el frente de onda de las señales de radio que llegaban. Estos problemas se superaron bajo el liderazgo técnico del ingeniero polaco Wacław Struszyński , que trabajaba en el Establecimiento de Señales del Almirantazgo. [16] A medida que se equipaban los barcos, se llevaba a cabo una serie de mediciones complejas para determinar estos efectos, y se suministraban tarjetas a los operadores para mostrar las correcciones necesarias en varias frecuencias. En 1942, la disponibilidad de tubos de rayos catódicos mejoró y ya no era un límite en la cantidad de equipos huff-duff que se podían producir. Al mismo tiempo, se introdujeron equipos mejorados que incluían una sintonización continua impulsada por motor, para escanear las frecuencias probables y hacer sonar una alarma automática cuando se detectaba alguna transmisión. Los operadores podían entonces sintonizar rápidamente la señal antes de que desapareciera. Estos equipos se instalaron en escoltas de convoyes, lo que les permitía obtener correcciones en los submarinos que transmitían desde el horizonte, más allá del alcance del radar. Esto permitió enviar barcos y aviones de caza-asesinos a gran velocidad en dirección al submarino, que podía ser localizado por radar si todavía estaba en la superficie o por ASDIC si estaba sumergido.
Desde agosto de 1944, Alemania estaba trabajando en el sistema Kurier , que transmitiría una señal kurz completa en una ráfaga de no más de 454 milisegundos, demasiado corta para ser localizada o interceptada para su descifrado, pero el sistema no había entrado en funcionamiento al final de la guerra.
El concepto básico del sistema huff-duff es enviar la señal desde dos antenas a los canales X e Y de un osciloscopio. Normalmente, el canal Y representaría norte/sur para las estaciones terrestres o, en el caso del barco, estaría alineado con el rumbo de proa/popa del barco. El canal X, por tanto, representa este/oeste o babor/estribor.
La desviación del punto en la pantalla del osciloscopio es una indicación directa de la fase instantánea y la fuerza de la señal de radio. Dado que las señales de radio consisten en ondas, la señal varía en fase a una velocidad muy rápida. Si se considera la señal recibida en un canal, digamos Y, el punto se moverá hacia arriba y hacia abajo, tan rápidamente que parecería ser una línea vertical recta, que se extiende distancias iguales desde el centro de la pantalla. Cuando se agrega el segundo canal, sintonizado con la misma señal, el punto se moverá en las direcciones X e Y al mismo tiempo, lo que hace que la línea se vuelva diagonal. Sin embargo, la señal de radio tiene una longitud de onda finita , por lo que a medida que viaja a través de los bucles de la antena, la fase relativa que se encuentra con cada parte de la antena cambia. Esto hace que la línea se desvíe en una elipse o curva de Lissajous , según las fases relativas. La curva se gira de modo que su eje mayor se encuentre a lo largo del rumbo de la señal. En el caso de una señal hacia el noreste, el resultado sería una elipse que se extiende a lo largo de la línea de 45/225 grados en la pantalla. [17] Dado que la fase cambia mientras se dibuja la pantalla, la forma mostrada resultante incluye un "desenfoque" que debe tenerse en cuenta. [18]
Esto deja el problema de determinar si la señal es noreste o suroeste, ya que la elipse tiene la misma longitud en ambos lados del punto central de la pantalla. Para resolver este problema, se agregó a esta mezcla una antena separada, la "antena de detección". Se trataba de una antena omnidireccional ubicada a una distancia fija de los bucles, aproximadamente a media longitud de onda de distancia. Cuando se mezclaba esta señal, la señal de fase opuesta de esta antena suprimía fuertemente la señal cuando la fase estaba en la dirección de la antena de detección. Esta señal se enviaba al canal de brillo, o eje Z, del osciloscopio, lo que hacía que la pantalla desapareciera cuando las señales estaban desfasadas. Al conectar la antena de detección a uno de los bucles, digamos el canal norte/sur, la pantalla se suprimía fuertemente cuando estaba en la mitad inferior de la pantalla, lo que indicaba que la señal estaba en algún lugar al norte. En este punto, el único rumbo posible es el noreste. [19]
Las señales que reciben las antenas son muy pequeñas y de alta frecuencia, por lo que primero se amplifican individualmente en dos receptores de radio idénticos. Esto requiere que los dos receptores estén extremadamente bien equilibrados para que uno no amplifique más que el otro y, por lo tanto, cambie la señal de salida. Por ejemplo, si el amplificador de la antena norte/sur tiene un poco más de ganancia, el punto no se moverá a lo largo de la línea de 45 grados, sino quizás de la línea de 30 grados. Para equilibrar los dos amplificadores, la mayoría de las configuraciones incluían un "bucle de prueba" que generaba una señal de prueba direccional conocida. [20]
En el caso de los sistemas de a bordo, la superestructura del buque presentaba una causa grave de interferencias, especialmente en fase, ya que las señales se movían alrededor de las diversas obstrucciones metálicas. Para solucionar este problema, el buque estaba anclado mientras un segundo barco transmitía una señal de prueba desde aproximadamente una milla de distancia, y las señales resultantes se registraban en una hoja de calibración. El barco transmisor se trasladaba entonces a otra ubicación y se repetía la calibración. La calibración era diferente para las distintas longitudes de onda y direcciones; construir un conjunto completo de hojas para cada buque requería un trabajo significativo. [21]
Las unidades navales, en particular el conjunto HF4 común, incluían una placa de plástico giratoria con una línea, el "cursor", que se utilizaba para medir el ángulo. Esto podía resultar difícil si las puntas de la elipse no alcanzaban el borde de la pantalla o se salían de él. Al alinear el cursor con los picos de cada extremo, esto se volvió sencillo. Las marcas de almohadilla a cada lado del cursor permitían medir el ancho de la pantalla y utilizar eso para determinar la cantidad de desenfoque.