La radiogoniometría ( DF ), o radiogoniometría ( RDF ), es el uso de ondas de radio para determinar la dirección hacia una fuente de ondas de radio. La fuente puede ser un transmisor de radio cooperante o puede ser una fuente involuntaria, una fuente de radio natural o un sistema ilícito o enemigo. La radiogoniometría se diferencia del radar en que un solo receptor determina la dirección; Un sistema de radar normalmente también proporciona la distancia al objeto de interés, así como la dirección. Mediante 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 radionavegación de barcos y aviones, para localizar transmisores de emergencia para búsqueda y rescate , para rastrear vida silvestre y para localizar transmisores ilegales o perturbadores. Durante la Segunda Guerra Mundial, ambos bandos utilizaron la radiogoniometría para localizar y dirigir aviones, barcos de superficie y submarinos.
Los sistemas RDF se pueden utilizar con cualquier fuente de radio, aunque las longitudes de onda muy largas (bajas frecuencias) requieren antenas muy grandes y generalmente se utilizan sólo en sistemas terrestres. Sin embargo, estas longitudes de onda se utilizan para la radionavegación marina , 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 sólo unas pocas decenas de kilómetros. Para 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 buscador de dirección automático , que podía sintonizarse con radiobalizas llamadas balizas no direccionales o emisoras de radio AM comerciales , era en el siglo XX una característica de la mayoría de los aviones, pero se está eliminando gradualmente. [1]
Para los militares, RDF es una herramienta clave 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 directa o indirectamente responsables del 24% de todos los submarinos hundidos durante la guerra. Los sistemas modernos suelen utilizar antenas en fase para permitir una formación rápida del haz y obtener resultados muy precisos, y forman parte de un conjunto más amplio de guerra electrónica .
Los primeros radiogoniómetros utilizaban antenas rotadas mecánicamente que comparaban la intensidad de la señal, y siguieron varias versiones electrónicas del mismo concepto. Los sistemas modernos utilizan la comparación de técnicas de fase o Doppler que generalmente son más sencillas de automatizar. Los primeros radares 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 usaban una sola antena para transmisión y recepción, y determinaban la dirección a partir de la dirección hacia 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 cable utilizado como antena. Cuando la antena se alineó para que apuntara a la señal, produjo la máxima ganancia y produjo cero señal cuando estaba de frente. Esto significaba que siempre había una ambigüedad en la ubicación de la señal; produciría la misma salida si la señal estuviera delante o detrás de la antena. Experimentadores posteriores también utilizaron antenas dipolo , que funcionaban en sentido contrario, alcanzando una ganancia máxima en ángulos rectos y cero cuando estaban alineadas. Los sistemas RDF que utilizaban antenas dipolo o de bucle oscilantes mecánicamente eran comunes a principios del siglo XX. Ejemplos destacados fueron patentados por John Stone Stone en 1902 (patente estadounidense 716.134) y Lee de Forest en 1904 (patente estadounidense 771.819), entre muchos otros ejemplos.
A principios del siglo XX, muchos experimentadores 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 . La onda larga en particular tenía buenas características de transmisión a larga distancia debido a su interacción limitada con el suelo y, por lo tanto, proporcionaba una excelente propagación de la onda terrestre en la ruta del gran círculo que apuntaba 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 generalmente son sensibles a las señales solo 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 resultó en antenas de bucle de decenas de pies de lado, a menudo con más de un bucle conectado entre sí para mejorar la señal. La empresa Marconi desarrolló otra solución a este problema en 1905. Consistía en una serie de alambres o varillas horizontales dispuestos para apuntar hacia afuera desde un punto central común. Un interruptor móvil podría conectar pares opuestos de estos cables para formar un dipolo y, al girar el interruptor, el operador podría 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]
Ettore Bellini y Alessandro Tosi introdujeron una mejora clave en el concepto RDF en 1909 (patente estadounidense 943.960). Su sistema utilizaba dos antenas de este tipo, normalmente bucles triangulares, dispuestas en ángulo recto. Las señales de las antenas se enviaban a bobinas envueltas 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 cuadro separada ubicada en esta área podría usarse para buscar la dirección, sin mover las antenas principales. Esto hizo que el RDF fuera mucho más práctico que pronto se empezó a utilizar para la navegación a gran escala, a menudo como la primera forma de navegación aérea disponible, con estaciones terrestres localizadas en el aparato de radio del avión. Los radiogoniómetros Bellini-Tosi estuvieron muy extendidos 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 estaba aplicando la misma técnica a frecuencias más altas, surgieron dificultades inesperadas debido al reflejo de señales de alta frecuencia de 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 llevó a la introducción en 1919 de la antena Adcock (Patente del Reino Unido 130.490), que consistía en cuatro antenas monopolo 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 EE. UU. probó una primitiva brújula de radio 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 a marineros y aviadores. Había trabajado durante mucho tiempo con sistemas RDF convencionales, pero eran difíciles de utilizar con las señales fugaces de los rayos. Desde el principio había sugerido el uso de un osciloscopio para mostrarlos casi instantáneamente, pero no pudo encontrar uno mientras trabajaba en la Oficina Meteorológica . Cuando se trasladó la oficina, 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 de que sus mediciones fueron ampliamente difundidas en el Reino Unido, su impacto en el arte del RDF parece ser extrañamente moderado. El desarrollo fue limitado hasta mediados de la década de 1930, cuando las diversas fuerzas británicas comenzaron a desarrollar y desplegar ampliamente estos sistemas de " goniometría de alta frecuencia " o "huff-duff". Para evitar el RDF, los alemanes habían desarrollado un método para transmitir mensajes cortos de menos de 30 segundos, menos de los 60 segundos que necesitaría un operador capacitado de Bellini-Tosi para determinar la dirección. Sin embargo, esto fue inútil contra los sistemas huff-duff, que localizaron 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 medidas serias para solucionarlo hasta 1944. Para entonces, Huff-duff había ayudado en aproximadamente una cuarta parte de todos los ataques exitosos contra los EE.UU. flota de barcos.
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 bloqueo de fase (PLL) permitió una fácil sintonización de señales, que no se desviaban. Los tubos de vacío mejorados y la introducción del transistor permitieron utilizar de forma económica frecuencias mucho más altas, lo que llevó al uso generalizado de señales VHF y UHF. Todos estos cambios llevaron a nuevos métodos de RDF y a su uso mucho más generalizado.
En particular, la capacidad de comparar la fase de las señales condujo a la comparación de fases RDF, que es quizás la técnica más utilizada en la actualidad. En este sistema, la antena de cuadro 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 fases, cuya fase de salida indica directamente la dirección de la señal. Al enviar esto a cualquier tipo de pantalla y bloquear la señal usando PLL, la dirección a la emisora se puede mostrar continuamente. El funcionamiento consiste únicamente en sintonizar la emisora, y es tan automático que normalmente se denomina a estos sistemas como radiogoniómetros automáticos .
Se han desarrollado otros sistemas donde se requiere mayor precisión. Los sistemas radiogoniómetros pseudo-Doppler utilizan una serie de pequeñas antenas dipolo dispuestas en un anillo y utilizan conmutación electrónica para seleccionar rápidamente los dipolos que alimentarán 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 Doppler RDF han reemplazado ampliamente al sistema huff-duff para la localización de señales fugaces.
Los distintos 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 marco transversal con antena auxiliar adjunta solo se puede encontrar en los mástiles de señales de algunos barcos más antiguos porque no interfieren allí y su desmantelamiento sería demasiado caro.
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 buques de rescate, como los botes salvavidas RNLI en el Reino Unido, y los helicópteros de búsqueda y rescate tienen receptores de radiogoniometría para señales marinas VHF y señales de referencia de 121,5 MHz incorporadas en balizas EPIRB y PLB, aunque las modernas balizas GPS-EPIRBS y AIS son lentamente haciéndolos 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 radiogoniometría o, a veces, simplemente radiogoniometría ( DF ). Utilizando dos o más mediciones desde 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. RDF se utiliza ampliamente como sistema de radionavegación , especialmente en barcos y aviones.
Los sistemas RDF se pueden utilizar con cualquier fuente de radio, aunque el tamaño de las antenas del receptor es función de la longitud de onda de la señal; Las longitudes de onda muy largas (bajas frecuencias) requieren antenas muy grandes y generalmente se utilizan sólo en sistemas terrestres. Sin embargo, 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 antenas mucho más pequeñas. Un buscador de dirección automático, a menudo capaz de sintonizarse con transmisores de radio AM comerciales , es una característica de casi todos los aviones modernos.
Para los militares, 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 directa o indirectamente responsables del 24% de todos los submarinos hundidos durante la guerra. [9] Los sistemas modernos suelen utilizar antenas de matriz en fase para permitir una formación rápida del haz y obtener resultados muy precisos. Estos generalmente están integrados en un conjunto más amplio de guerra electrónica .
A lo largo del tiempo se han utilizado varias generaciones distintas de sistemas RDF, tras los nuevos desarrollos en electrónica. Los primeros sistemas utilizaban antenas rotadas mecánicamente que comparaban la intensidad de la señal desde diferentes direcciones, y siguieron varias versiones electrónicas del mismo concepto. Los sistemas modernos utilizan la comparación de técnicas de fase o Doppler que generalmente son más sencillas de automatizar. Los modernos sistemas radiogoniómetros pseudo-Doppler constan de varias antenas pequeñas fijadas a una tarjeta circular, y todo el procesamiento se realiza mediante software.
Los primeros radares británicos también se conocían como RDF, lo cual era una táctica de engaño. Sin embargo, la terminología no era inexacta; Los sistemas Chain Home utilizaron emisoras 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 determinadas direcciones que en otras. Muchos diseños de antenas exhiben 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 donde se obtiene el nivel máximo de señal. Dado que las características direccionales pueden ser muy amplias, se pueden usar antenas grandes para mejorar la precisión o técnicas nulas para mejorar la resolución angular.
Una forma simple de antena direccional es la antena de cuadro . Consiste en un bucle abierto de cable sobre un marco aislante o un anillo metálico que forma el propio elemento de bucle de la antena; A menudo, el diámetro del bucle es una décima parte de una longitud de onda o menos en la frecuencia objetivo. Una antena de este tipo será menos sensible a las señales que sean perpendiculares a su cara y más sensible a las que lleguen de canto. Esto es causado por la fase de la señal recibida: la diferencia en la 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 "encarar" la señal de modo que las fases que llegan sean idénticas en todo el borde no inducirá ningún flujo de corriente en el bucle. Entonces, simplemente girar la antena para producir un mínimo de la señal deseada establecerá dos direcciones posibles (delantera y trasera) desde las que podrían llegar las ondas de radio. Esto se llama nulo en la señal y se usa en lugar de la dirección de la señal más fuerte, porque las pequeñas desviaciones angulares de la antena del bucle lejos de sus posiciones nulas producen cambios mucho más abruptos en la corriente recibida que cambios direccionales similares alrededor de la señal más fuerte del bucle. orientación. Dado que la dirección nula proporciona una indicación más clara de la dirección de la señal (la nula es más nítida que la máxima), con antena de bucle la dirección nula se utiliza para localizar una fuente de señal.
Se utiliza una "antena detectora" para resolver las dos posibilidades de dirección; La antena detectora es una antena no direccional configurada para tener la misma sensibilidad que la antena de bucle. Al agregar la señal constante de la antena detectora a la señal alterna de la señal del bucle a medida que gira, ahora hay solo una posición cuando el bucle gira 360° en la que no hay corriente. Esto actúa como punto de referencia de fase, permitiendo identificar el punto nulo correcto, eliminando la ambigüedad de 180°. Una antena dipolo exhibe propiedades similares a las de un pequeño bucle, aunque su dirección nula no es tan "nítida".
La antena Yagi-Uda es conocida como la antena de televisión común VHF o UHF . Una antena Yagi utiliza múltiples elementos dipolo, que incluyen elementos dipolo "reflector" y "director". El "reflector" es el elemento dipolo más largo y bloquea casi toda la señal que viene detrás de él, por lo tanto, un Yagi no tiene ambigüedad direccional entre adelante y atrás: la señal máxima solo ocurre cuando el extremo más estrecho del Yagi apunta en la dirección desde donde llegan las ondas de radio. Con una cantidad suficiente de elementos "directores" más cortos, se puede hacer que la dirección máxima de un Yagi se acerque a la nitidez del nulo de un bucle pequeño. [ cita necesaria ]
Para frecuencias aún mucho más altas, como ondas milimétricas y microondas , se pueden utilizar antenas parabólicas o antenas "parabólicas" . Las antenas parabólicas son altamente direccionales, con forma parabólica que dirige las señales recibidas desde un ángulo muy estrecho hacia un pequeño elemento receptor montado en el foco de la parábola.
Generalmente se utilizan técnicas más sofisticadas, como las matrices en fase, para sistemas radiogoniométricos de alta precisión. Los sistemas modernos se denominan goniómetros por analogía con los circuitos direccionales de la Segunda Guerra Mundial utilizados para medir la dirección comparando las diferencias en las señales recibidas de dos o más antenas de referencia coincidentes, utilizadas en la antigua inteligencia de señales (SIGINT). ESL Incorporated diseñó un moderno sistema de radiogoniometría montado en un helicóptero para el gobierno de los Estados Unidos ya en 1972.
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 inmóviles mecánicamente simples alimentados a 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 fue utilizado por operadores de radio terrestres y marinos, utilizando una simple antena de cuadro giratoria conectada a un indicador de grados. Este sistema se adoptó posteriormente 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 bucles circulares montados encima o debajo del fuselaje. Los diseños posteriores de antenas de cuadro estaban encerrados en un carenado aerodinámico en forma de lágrima. En barcos y embarcaciones pequeñas, los receptores RDF emplearon por primera vez grandes antenas de bucle metálico, similares a las de los aviones, pero generalmente montadas encima de un receptor portátil alimentado por baterías.
En uso, el operador RDF primero sintonizaría el receptor a la frecuencia correcta, luego giraría manualmente el bucle, ya sea escuchando o mirando un medidor S para determinar la dirección del nulo (la dirección en la que una señal determinada es más débil) de un largo baliza o estación de transmisión de onda media (LW) o onda media (AM) (escuchar el valor nulo es más fácil que escuchar una señal pico y normalmente produce un resultado más preciso). Este nulo era simétrico y, por lo tanto, identificaba tanto el rumbo de grado 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 avión, el navegante aún necesitaba saber de antemano si estaba al este o al oeste de la estación para evitar trazar un rumbo de 180 grados en la dirección equivocada. Tomando rumbos a dos o más estaciones de transmisión y trazando los rumbos que se cruzan, el navegante podría localizar la posición relativa de su barco o avión.
Más tarde, los aparatos RDF se equiparon con antenas giratorias de ferrita , lo que los hizo más portátiles y menos voluminosos. Algunos fueron posteriormente automatizados parcialmente mediante una antena motorizada (ADF). Un avance clave fue la introducción de una antena de látigo vertical secundaria o de "detección" que corroboraba el rumbo correcto y permitía al navegante evitar trazar un rumbo de 180 grados opuesto al rumbo real. El modelo SE 995 de la Marina de los EE. UU., que utilizaba una antena sensora, estuvo en uso durante la Primera Guerra Mundial. [10] Después de la Segunda Guerra Mundial, hubo muchas empresas grandes y pequeñas que fabricaban equipos de radiogoniometría para marineros, incluidas 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 en realidad eran fabricadas por fabricantes japoneses de productos electrónicos, 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 y instrumentos de navegación.
El DF de un solo canal utiliza una matriz de múltiples antenas con un receptor de radio de un solo canal. Este enfoque del DF ofrece algunas ventajas e inconvenientes. Dado que sólo utiliza un receptor, la movilidad y el menor consumo de energía son ventajas. Sin la capacidad de mirar cada antena simultáneamente (lo que sería el caso si se usaran múltiples receptores, también conocido como DF de canal N), es necesario realizar operaciones más complejas en la antena para presentar la señal al receptor.
Las dos categorías principales en las que se incluye 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 radiogoniometría basado en fases 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 con cada antena muestreada en sucesión.
La técnica Watson-Watt utiliza dos pares de antenas para realizar una comparación de amplitud de la señal entrante. El popular método Watson-Watt utiliza una serie 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 monopolo o dipolo que toma la diferencia vectorial de la señal recibida en cada antena para que solo haya una salida de cada par de antenas. Dos de estos pares están ubicados juntos pero orientados perpendicularmente para producir lo que se puede denominar señales N – S (Norte-Sur) y E – W (Este-Oeste) que luego se pasarán al receptor. En el receptor, el ángulo de orientación se puede calcular tomando el arcotangente de la relación entre la señal N – S y E – W.
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 con 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 del rumbo se obtiene a partir de una evaluación correlativa y estocástica para la cual el coeficiente de correlación es máximo. Si los elementos de antena radiogoniométrica tienen un patrón de antena direccional, entonces la amplitud puede incluirse en la comparación.
Normalmente, el sistema DF de interferómetro correlativo consta de más de cinco elementos de antena. Estos se escanean uno tras otro a través de una matriz de conmutación específica. En un sistema DF multicanal, se combinan n elementos de antena con m canales de receptor para mejorar el rendimiento del sistema DF.
La radiogoniometría , radiogoniometro o RDF , fue alguna vez la principal ayuda para la navegación de la aviación. ( La radiogoniometría era la abreviatura utilizada para describir el predecesor del radar . [2] ) Las balizas se utilizaban para marcar las intersecciones de "vías aéreas" y 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 reemplazadas generalmente por el sistema VOR , en el que la orientación hacia 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 costo relativamente bajo de compra, mantenimiento y calibración, los NDB todavía se utilizan para marcar ubicaciones de aeródromos más pequeños e importantes sitios de aterrizaje de helicópteros.
Balizas similares situadas en zonas costeras también se utilizan para la radionavegación marítima, ya que casi todos los barcos estaban equipados con un radiogoniómetro (Appleyard 1988). Muy pocas radiobalizas de navegación marítima permanecen activas en la actualidad (2008), ya que los barcos han abandonado la navegación mediante RDF en favor de la navegación GPS.
En el Reino Unido, un servicio de radiogoniometría está disponible en 121,5 MHz y 243,0 MHz para los pilotos de aeronaves que se encuentran en peligro o experimentan dificultades. El servicio se basa en una serie de unidades de radio DF ubicadas en aeropuertos civiles y militares y en determinadas estaciones de la Guardia Costera HM. [11] Estas estaciones pueden obtener una "fija" de la aeronave y transmitirla por radio al piloto.
Los radiotransmisores para la navegación aérea y marítima se conocen como balizas y son el equivalente radioeléctrico de 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 comercial de onda media 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 conexiones de navegación. Si bien estas estaciones de radio comerciales pueden ser útiles debido a su alta potencia y su ubicación cerca de las principales ciudades, pueden haber varios kilómetros entre la ubicación de la estación y su transmisor, lo que puede reducir la precisión de la "fijación" 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 durante la noche.
RDF alguna vez fue la forma principal de navegación aérea y marítima. Cadenas de balizas formaban "vías aéreas" de aeropuerto a aeropuerto, mientras que los NDB marinos y las estaciones comerciales de transmisión AM brindaban asistencia de navegación a las pequeñas embarcaciones que se acercaban a tocar 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 pilotos y marineros como ayuda a la navegación. En la década de 1950, los NDB de aviación se ampliaron con el sistema VOR , en el que la dirección hacia la baliza se puede extraer de la propia señal, de ahí la distinción con las balizas no direccionales. El uso de NDB marinos fue suplantado en gran medida en América del Norte por el desarrollo de LORAN en la década de 1970.
Hoy en día, muchos NDB han sido desmantelados 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 balizas de navegación en países fuera de América del Norte) han permitido que estos dispositivos sigan funcionando, principalmente para uso en embarcaciones pequeñas, como complemento o copia de seguridad al GPS.
En la Segunda Guerra Mundial se dedicó un esfuerzo considerable a identificar transmisores secretos en el Reino Unido mediante radiogoniometría. El trabajo fue realizado por el Servicio de Seguridad de Radio (RSS también MI8). Inicialmente, en 1939 la Oficina General de Correos instaló tres estaciones U Adcock HF DF. Con la declaración de guerra, el MI5 y el RSS desarrollaron esto hasta convertirlo en una red más grande. Uno de los problemas a la hora de proporcionar cobertura a una zona del tamaño del Reino Unido fue instalar suficientes estaciones radiogoniométricas para cubrir toda la zona y recibir señales de ondas ionosféricas reflejadas desde las capas ionizadas de la atmósfera superior. Incluso con la red ampliada, algunas zonas no quedaron suficientemente cubiertas y por esta razón se reclutaron hasta 1.700 interceptores voluntarios (radioaficionados) para detectar transmisiones ilícitas por ondas terrestres . Además de las estaciones fijas, RSS gestionaba una flota de vehículos DF móviles en todo el Reino Unido. Si las estaciones fijas de radiogoniometría o los interceptores voluntarios identificaban un transmisor, las unidades móviles se enviaban a la zona para localizar la fuente. Las unidades móviles eran sistemas HF Adcock.
En 1941 sólo se habían identificado un par de transmisores ilícitos en el Reino Unido; se trataba de agentes alemanes que habían sido "convertidos" y estaban transmitiendo bajo el control del MI5. Se habían registrado muchas transmisiones ilícitas procedentes 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 radiogoniometría e interceptación aumentó en volumen e importancia hasta 1945.
Las estaciones Adcock en ondas decamétricas consistían en cuatro antenas verticales de 10 m que rodeaban una pequeña caseta de madera para el operador que contenía un receptor y un radiogoniómetro que se ajustaba para obtener la marcación. También se utilizaron estaciones de ondas hectométricas que utilizaban 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 una viga giratoria de 3 a 8 m. El ángulo del haz se combinó con los resultados de un radiogoniómetro para proporcionar una orientación. El rumbo obtenido fue considerablemente más agudo que el obtenido con el sistema U Adcock, pero hubo ambigüedades que impidieron la instalación de 7 sistemas SL DF propuestos. El operador de un sistema SL estaba en un tanque metálico subterráneo debajo de las antenas. Se instalaron siete tanques subterráneos, pero sólo dos sistemas SL en Wymondham, Norfolk y Weaverthorp en Yorkshire. Se encontraron problemas que provocaron que los cinco tanques subterráneos restantes fueran equipados con sistemas Adcock. La antena SL giratoria se giraba a mano, lo que significaba que las mediciones sucesivas eran mucho más lentas que girar el dial de un goniómetro.
En 1942 se construyó otra estación circular espaciada experimental cerca de Aberdeen para el Ministerio del Aire con un búnker de hormigón semisubterráneo. Esto también se abandonó debido a dificultades operativas. En 1944, se había desarrollado una versión móvil del bucle espaciado y RSS la utilizó en Francia tras la invasión de Normandía del Día D.
El ejército estadounidense utilizó una versión costera del bucle espaciado DF en la Segunda Guerra Mundial llamada "DAB". Los bucles se colocaron en los extremos de una viga, todo lo cual se ubicó dentro de una cabaña de madera con la electrónica 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 hizo girar la viga manualmente.
La Royal Navy introdujo una variación en las estaciones costeras de HF DF en 1944 para rastrear submarinos en el Atlántico Norte. Construyeron grupos de cinco estaciones DF, de modo que se pudieran combinar las marcaciones de las estaciones individuales del grupo y tomar una media. Se construyeron cuatro de estos grupos en Gran Bretaña en Ford End , Essex, Goonhavern, Cornwall, Anstruther y Bowermadden en las Tierras Altas de Escocia. También se formaron grupos en Islandia, Nueva Escocia y Jamaica. Las mejoras previstas no se realizaron, pero el trabajo estadístico posterior mejoró el sistema y los grupos Goonhavern y Ford End continuaron utilizándose durante la Guerra Fría. La Royal Navy también desplegó equipos de radiogoniometría en barcos encargados de la guerra antisubmarina para tratar de localizar submarinos alemanes; por ejemplo, las fragatas de clase Captain estaban equipadas con una antena radiogoniométrica de frecuencia media (MF/DF) (la antena estaba instalada en la parte delantera). del puente) y radiogoniometría de alta frecuencia (HF/DF, "Huffduff") Tipo FH 4 (la antena se instaló en la parte superior del palo mayor). [12]
Roland Keen, jefe del departamento de ingeniería de RSS en Hanslope Park, escribió una referencia completa sobre la radiogoniometría inalámbrica de la Segunda Guerra Mundial. Los sistemas DF 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 de GCHQ, la organización británica SIGINT.
La mayor parte de los esfuerzos de localización de direcciones en el Reino Unido actualmente (2009) están dirigidos a localizar transmisiones de radio FM " piratas " no autorizadas. Se utiliza una red de radiogoniómetros VHF operados remotamente ubicados principalmente alrededor de las principales ciudades. Las transmisiones de teléfonos móviles también se localizan mediante una especie de radiogoniometría que utiliza la intensidad de la señal comparativa en los receptores "celulares" locales circundantes. Esta técnica se ofrece a menudo como prueba en procesos penales en el Reino Unido y, casi con certeza, para fines SIGINT. [14]
Las balizas de rescate que indican la posición de emergencia se utilizan ampliamente en aviones y barcos civiles. Históricamente, los transmisores de ubicación de emergencia solo enviaban una señal de tono y dependían de la radiogoniometría de los aviones 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 en un estándar de 457 kHz y están diseñados para ayudar a localizar personas y equipos enterrados por avalanchas. Dado que la potencia de la baliza es tan baja, la direccionalidad de la señal de radio está dominada por efectos de campo a pequeña escala [15] y puede resultar bastante complicado de localizar.
La localización de animales radiomarcados mediante triangulación es una técnica de investigación ampliamente aplicada 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 acoplarse a la vida silvestre, y ahora se utiliza ampliamente para una variedad de estudios de vida silvestre. La mayor parte del seguimiento de animales salvajes a los que se les ha colocado un equipo transmisor de radio lo realiza un investigador de campo utilizando un dispositivo radiogoniométrico portátil. Cuando el investigador quiere localizar un animal en particular, la ubicación del animal se puede triangular determinando la dirección al transmisor desde varias ubicaciones.
Se utilizan conjuntos en fase y otras técnicas avanzadas de antenas para rastrear los lanzamientos de sistemas de cohetes y sus trayectorias resultantes. Estos sistemas pueden usarse con fines defensivos y también para obtener inteligencia sobre el funcionamiento de misiles pertenecientes a otras naciones. Estas mismas técnicas se utilizan para la detección y 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 dichas fuentes de radio naturales, correlacionando a veces su ubicación con objetos visibles con telescopios ópticos. La medición precisa del tiempo de llegada de los impulsos de radio mediante 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 implican 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 respuesta a desastres y defensa civil , o para practicar la localización de la fuente de interferencias de radiofrecuencia . La forma más popular de este deporte, en todo el mundo, se conoce como radiogoniometría para radioaficionados o por su abreviatura internacional ARDF. Otra forma de actividad, conocida como " caza de transmisores ", "caza de T móvil" o "caza de zorros", se lleva a cabo en un área geográfica más amplia, como el área metropolitana de una gran ciudad, y la mayoría de los participantes viajan en vehículos de motor mientras intentar localizar uno o más transmisores de radio con técnicas de radiogoniometría.
Las técnicas de radiogoniometría 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 DF.
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 aumenta otros procesos de identificación de señales. En los aviones, un sistema DF proporciona información adicional para el receptor de alerta de radar (RWR).
Con el tiempo, se hizo necesario mejorar el rendimiento de los sistemas DF por microondas para contrarrestar las tácticas evasivas empleadas por algunos operadores, como los radares de baja probabilidad de interceptación y los enlaces de datos encubiertos .
A principios de siglo, los tubos de vacío (válvulas termoiónicas) se utilizaban ampliamente en transmisores y receptores, pero su rendimiento en altas frecuencias 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 se usa en el EF50 , y la construcción plana, [20] : 192 muy pocos Los tubos podrían funcionar por encima de UHF .
En la década de 1930 se llevó a cabo un intenso trabajo de investigación para desarrollar tubos transmisores específicamente para la banda de microondas que incluía, 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 desarrollo exitoso de estos tubos, en la década siguiente se produjo una producción a gran escala.
Las señales de microondas tienen longitudes de onda cortas, lo que da como resultado una resolución del objetivo muy mejorada 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 pueden ensamblarse en conjuntos compactos y, además, pueden lograr patrones de haz bien definidos que pueden proporcionar haces estrechos con alta ganancia favorecidos por los radares y los enlaces de datos .
Otras ventajas de la banda de microondas recientemente disponible fueron la ausencia de desvanecimiento (a menudo un problema en la banda de radio de onda corta (SW)) y un gran aumento en el espectro de la señal, en comparación con las congestionadas bandas de RF que ya están en uso. Además de poder acomodar muchas más señales, ahora es posible utilizar técnicas de espectro ensanchado y salto de frecuencia .
Una vez que las técnicas de microondas se establecieron, hubo una rápida expansión en la banda por parte de usuarios tanto militares como comerciales.
Las antenas para radiogoniometría tienen que cumplir requisitos diferentes a los de un radar o un enlace de comunicación, donde una antena con un haz estrecho y una alta ganancia suele ser una ventaja. Sin embargo, al realizar radiogoniometría, es posible 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 más baja . Además, las antenas deben cubrir una amplia banda de frecuencias.
La figura muestra el gráfico polar normalizado de una característica de ganancia de antena típica, en el plano horizontal. El ancho del haz a potencia media del haz principal es 2 × Ψ 0 . Preferiblemente, cuando se utilizan métodos de comparación de amplitud para encontrar la dirección, el lóbulo principal debería aproximarse a una característica gaussiana. Aunque la figura también muestra la presencia de lóbulos laterales , éstos no suponen una preocupación importante cuando se utilizan antenas en un conjunto de radiogoniometría.
Normalmente, 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 antenas espirales con cavidad posterior y las antenas de bocina .
Las antenas en espiral son capaces de alcanzar anchos de banda muy amplios [26] : 252 [27] y tienen un ancho de haz nominal a media potencia 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 alimentaciones de guías de ondas de doble cresta [28] [18] : 72 y usando bocinas con crestas internas. [29] : 267 [30] : 181
Los primeros receptores de microondas eran generalmente receptores simples de "vídeo de cristal", [31] : 169 [18] : 172 [32] que utilizan un detector de cristal seguido de un amplificador de vídeo con una característica de compresión para ampliar el rango dinámico. Un receptor de este tipo era de banda ancha pero no muy sensible. Sin embargo, esta falta de sensibilidad podría tolerarse debido a la "ventaja de alcance" que disfruta el receptor DF (ver más abajo).
El klystron y el TWT son dispositivos lineales y, por 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 malas características de adaptación y 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 único preamplificador TWT selecciona selectivamente señales de un conjunto de antenas. [33]
A finales de los años cincuenta estuvieron disponibles transistores aptos para frecuencias de microondas. El primero de ellos fue el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET). Otros siguieron, por ejemplo, el transistor de efecto de campo semiconductor de metal y el transistor de alta movilidad de electrones (HEMT). Inicialmente, los transistores discretos se integraban en circuitos stripline o microstrip , pero luego siguieron los circuitos integrados de microondas . Con estos nuevos dispositivos, se hicieron posibles preamplificadores de receptores de bajo ruido, lo que aumentó considerablemente la sensibilidad y, por tanto, el rango de detección de los sistemas 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 de radiogoniometría, debida a una transmisión de radar, es proporcional a 1/R 2 , mientras que la del retorno reflejado en el receptor de radar 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 de radiogoniometría. En consecuencia, a pesar de su escasa sensibilidad, un simple receptor de videoDF de cristal suele ser capaz de detectar la transmisión de la señal de un radar a una distancia mayor que aquella a la que el propio receptor del radar es capaz de detectar la presencia del DF. sistema. [18] : 8
En la práctica, la ventaja se reduce por la relación de ganancias de la antena (normalmente son 36 dB y 10 dB para el radar y 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 ocurre con los aviones Stealth y los barcos Stealth .
El paso a las frecuencias de microondas significó una reevaluación de los requisitos de un sistema radiogoniométrico. [37] Ahora, el receptor ya no podía depender de un flujo de señal continuo para realizar mediciones. Los radares con sus haces estrechos sólo iluminarían con poca frecuencia las antenas del sistema DF. Además, algunos radares que deseaban evitar ser detectados (los de contrabandistas, barcos hostiles y misiles) irradiarían 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 interceptación . [39] [40] En otras aplicaciones, como enlaces de microondas, es posible que la antena del transmisor nunca apunte al receptor DF, por lo que la recepción solo es posible mediante la fuga de señal de los lóbulos laterales de la antena . Además, los enlaces de datos encubiertos [41] sólo pueden irradiar una secuencia de alta velocidad de datos muy ocasionalmente.
En general, para adaptarse a las circunstancias modernas, se requiere que un sistema DF de microondas de banda ancha tenga una alta sensibilidad y una cobertura de 360° para tener la capacidad de detectar pulsos únicos (a menudo llamados monopulso de amplitud ) y lograr una alta "probabilidad de Interceptar" (PdI). [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 un conjunto de cuatro o más antenas direccionales entrecerradas para brindar una cobertura de 360 grados. [44] : 155 [18] : 101 [45] : 5–8,7 [43] : 97 [46] El DF mediante métodos de comparación de fases puede dar una mejor precisión de orientación, [45] : 5–8,9 pero el procesamiento es más complejo. Los sistemas que utilizan una única antena parabólica giratoria son más sensibles, pequeños y relativamente fáciles de implementar, pero tienen un PoI deficiente. [42]
Normalmente, se comparan las amplitudes de la señal 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 mejorar la precisión. Aunque las ganancias de las antenas y sus cadenas amplificadoras deben coincidir estrechamente, un diseño y construcción cuidadosos y procedimientos de calibración eficaces pueden compensar las deficiencias del hardware. Se han informado precisiones generales de orientación de 2° a 10° (rms) [45] [47] utilizando este método.
La radiogoniometría de dos canales, utilizando dos antenas adyacentes de un conjunto circular, se logra comparando la potencia de la señal más grande con la de la segunda señal más grande. La dirección de una señal entrante, dentro del arco descrito por dos antenas con un ángulo de estrabismo de Φ, puede obtenerse 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 medio camino entre las dos antenas, los niveles de la señal serán iguales y aproximadamente 3 dB más bajos que el valor de puntería. En otros ángulos de orientación, φ, alguna relación intermedia de los niveles de señal dará la dirección.
Si los patrones del 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 puntería), entonces existe una relación lineal entre el ángulo de orientación φ y la diferencia del 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 una trama típica.
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 una separación angular (ángulo de entrecerramiento) 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, entrecerrada hacia Phi y con la misma ganancia de puntería G 0 , da una salida
Comparando niveles de señal,
El logaritmo natural de la razón es
Reorganizar
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 los dB se refieren a la ganancia de puntería) usando ln(X) = X(dB)/(10.\log 10 (e)), por lo que la ecuación se puede escribir
Se pueden lograr mejoras en la precisión de la marcación si en el procesamiento de la marcación se incluyen datos de amplitud de una tercera antena. [48] [44] : 157
Para radiogoniometría de tres canales, con tres antenas entrecerradas en ángulos Φ, la dirección de la señal entrante se obtiene comparando la potencia de la señal del canal que contiene la señal más grande con las potencias de la señal de los dos canales adyacentes, situados a cada lado del mismo. .
Para las antenas en un conjunto circular, se seleccionan tres antenas según los niveles de señal recibidos, estando la señal más grande presente en el canal central.
Cuando la señal está en el punto de mira de la Antena 1 (φ = 0), la señal de las otras dos antenas será igual y aproximadamente 12 dB menor. Cuando la dirección de la señal está a medio camino entre dos antenas (φ = 30°), sus niveles de señal serán iguales y aproximadamente 3 dB más bajos que el valor de puntería, con la tercera señal ahora unos 24 dB más baja. En otros ángulos de orientación, ø, algunas relaciones intermedias de los niveles de señal darán la dirección.
Para una señal entrante con un rumbo ø, aquí se considera que está 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 global 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 obtener:
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 demora, obtenido usando 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 demora precisos. Además, hay un efecto de suavizado para los valores de demora 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 procesamiento de 2 canales.
Muchas de las causas del error de marcación, 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 compensado. 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 receptores serán pobres y la precisión de la predicción de la demora se verá afectada.
En general, una guía para la incertidumbre del rumbo viene dada por [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 la puntería.
Para obtener predicciones más precisas en un rumbo determinado, se utilizan las relaciones S:N reales de las señales de interés. (Los resultados pueden derivarse suponiendo que los errores inducidos por el ruido se aproximan relacionando diferenciales con ruido no correlacionado).
Para el procesamiento adyacente utilizando, por ejemplo, el Canal 1 y el Canal 2, la incertidumbre de orientación (ruido angular), Δø (rms), se proporciona a continuación. [18] [31] : 91 [53] En estos resultados, se supone la detección de ley cuadrática y las cifras de SNR son para señales en video (banda base), para el ángulo de demora φ.
donde SNR 1 y SNR 2 son los valores de señal/ruido de vídeo (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 verdadera 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, el canal 2 y el canal 3 respectivamente, para el ángulo de orientación 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 se amplifican primero mediante un preamplificador de bajo ruido antes de ser detectadas por detectores-registro-vídeo-amplificadores (DLVA). [56] [57] [58] Los niveles de señal de los DLVA se comparan para determinar el ángulo de llegada. Al considerar los niveles de señal en una escala logarítmica, como proporcionan los DLVA, se logra un gran 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 mediante 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 del 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 locales de alta potencia (como en un barco) mediante limitadores y/o filtros de entrada. De manera similar, los amplificadores pueden contener filtros de muesca para eliminar señales conocidas, pero no deseadas, que podrían afectar la capacidad del sistema para procesar señales más débiles. Algunas de estas cuestiones se tratan en la cadena de RF .
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![{\displaystyle P_{3}=G_{T}.\exp {\Bigr [}-A.{\Big (}{\frac {\Phi +\phi }{\Psi _{0}}}{\Big )}^{2}{\Grande ]}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/463e9864a50090bb2beb5f93397df4bbe6a67024)
