Localización de direcciones de alta frecuencia

La radiogoniometría era una técnica muy utilizada incluso antes de la Primera Guerra Mundial , tanto para la navegación naval como aérea. El concepto básico empleaba una antena de bucle , que en su forma más simple consistía en un bucle circular de alambre con una circunferencia determinada por el rango de frecuencia de las señales a detectar. Cuando el bucle se alinea perpendicularmente a la señal, la señal en las dos mitades del bucle se anula, produciendo una caída repentina en la señal de salida conocida como "nulo".

Los primeros sistemas de radiogoniometría utilizaban una antena de bucle que podía girarse mecánicamente. El operador sintonizaba una emisora ​​de radio conocida y luego giraba la antena hasta que la señal desaparecía. Esto significaba que la antena quedaba perpendicular a la emisora, aunque esta podía estar a cualquiera de sus lados. Tomando varias mediciones de este tipo, o utilizando algún otro tipo de información de navegación para descartar una de las direcciones ambiguas, se podía determinar la marcación hacia la emisora.

En 1907, Ettore Bellini y Alessandro Tosi introdujeron una mejora que simplificó enormemente el sistema de radiogoniometría en algunas configuraciones. La antena de bucle simple fue reemplazada por dos antenas dispuestas en ángulo recto. La señal de 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, se disponían muy cerca una de la otra en ángulo recto. 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 se encontraba en el mismo ángulo que la señal con respecto a las antenas. Esto eliminó la necesidad de mover las antenas. El radiogoniómetro Bellini-Tosi (BT) se utilizó ampliamente en barcos, aunque los bucles giratorios se siguieron utilizando en aeronaves, ya que normalmente eran más pequeños. ^{[ 4 ]}

Todos estos dispositivos requerían tiempo para funcionar. Normalmente, el operador de radio primero utilizaba sintonizadores de radio convencionales para encontrar la señal en cuestión, ya fuera con la antena de radiogoniometría o con una antena no direccional independiente . Una vez sintonizada, el operador giraba las antenas o el goniómetro buscando picos o nulos en la señal. Si bien la ubicación aproximada podía determinarse girando el control rápidamente, para obtener 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 límite de recepción, este proceso resultaba difícil. Era común que los tiempos de fijación fueran del orden de un minuto. ^{[ 4 ]}

Se realizaron algunos trabajos de automatización del sistema BT 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 American Corporation . 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 parpadeaba cuando apuntaba en la dirección correcta. Al girar rápidamente, a unas 120 RPM, los destellos se fusionaban en un único punto (errante) que indicaba la dirección. El equipo destruyó todo su trabajo en la oficina francesa y abandonó Francia en 1940, justo antes de la invasión alemana, y continuó el desarrollo en Estados Unidos. ^{[ 5 ]}

Desde hacía tiempo se sabía que los rayos emiten señales de radio. La señal se extiende por muchas frecuencias, pero es particularmente fuerte en el espectro de onda larga , 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 alertas útiles de largo alcance para pilotos y barcos. En algunos experimentos, logró detectar tormentas eléctricas sobre África, a 2500 kilómetros (1600 millas) de distancia. ^{[ 6 ]}

Los rayos duraron tan poco tiempo que los sistemas RDF tradicionales que utilizan antenas de bucle no pudieron determinar la dirección antes de que desaparecieran. ^{[ 7 ]} Lo único que se pudo determinar fue una ubicación promedio que produjo la mejor señal durante un largo período, incorporando la señal de muchos rayos. ^{[ 6 ]} En 1916, Watt propuso que se podría usar un tubo de rayos catódicos (CRT) como elemento indicador en lugar de sistemas mecánicos, ^{[ 8 ]} pero no tuvo la capacidad de probar esto.

Watt trabajaba en la Oficina Meteorológica de la RAF en Aldershot , pero en 1924 decidieron devolver el lugar para que lo usaran otras unidades de la RAF. En julio de 1924, Watt se trasladó a una nueva ubicación en Ditton Park, cerca de Slough . Este lugar ya albergaba el centro de investigación de la Sección de Radio del Laboratorio Nacional de Física (NPL). Watt participaba en la rama de Atmósfera, realizando estudios básicos sobre la propagación de señales de radio a través de la atmósfera, mientras que el NPL se dedicaba a las mediciones de intensidad de campo en investigaciones de campo y de localización de dirección. El NPL contaba con dos dispositivos utilizados en estos estudios que resultarían cruciales para el desarrollo del huff-duff: una antena Adcock y un osciloscopio moderno . ^{[ 6 ]}

La antena Adcock es un conjunto de cuatro mástiles monopolo conectados eléctricamente para funcionar 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 últimos tenían un rendimiento muy deficiente debido a las características eléctricas del área de Slough, lo que dificultaba determinar si una señal se recibía en línea recta o desde el cielo. Smith-Rose y Barfield volvieron a centrar su atención en la antena Adcock, que no tenía componente horizontal y, por lo tanto, filtraba las "ondas ionosféricas". En una serie de experimentos posteriores, lograron determinar con precisión la ubicación de los transmisores en todo el país. ^{[ 9 ]}

Fue el constante deseo de Watt de capturar la ubicación de los rayos individuales lo que condujo a los últimos avances importantes en el sistema básico de detección de rayos. El laboratorio había recibido recientemente un osciloscopio WE-224 de Bell Labs , que ofrecía una conexión sencilla y tenía un fósforo persistente . Trabajando con Jock Herd, en 1926 Watt añadió 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 desvaneciera. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Watt y Herd escribieron un extenso artículo sobre el sistema en 1926, refiriéndose a él como un "radiogoniómetro de lectura directa instantánea" y afirmando que podía utilizarse para determinar la dirección de señales de tan solo 0,001 segundos de duración. ^{[ 10 ]} El artículo describe el dispositivo en detalle y explica 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 secreto hasta convertirlo en una forma práctica.

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 alerta. Esto significaba que las zonas del interior de las Islas Británicas no tenían cobertura de radar, dependiendo en su lugar del Cuerpo de Observadores (más tarde Cuerpo Real de Observadores) para el seguimiento visual en esta área. Si bien el Cuerpo de Observadores podía proporcionar información sobre grandes incursiones, los cazas eran demasiado pequeños y volaban demasiado alto para ser identificados con certeza. Como todo el sistema de control aéreo de Dowding dependía de la dirección terrestre, se necesitaba alguna solución para localizar sus propios cazas. ^{[ 11 ]}

La solución práctica a esto 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 unos 48 km (30 millas ) de distancia. Estas estaciones escuchaban las transmisiones de los cazas, comparaban los ángulos para triangular su ubicación y luego transmitían esa información a las salas de control. ^{[ 12 ]} Comparando las posiciones del enemigo reportadas por el Cuerpo de Observadores y los cazas a través 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 un sistema conocido como " pip-squeak " en algunos cazas, al menos dos por sección (con hasta cuatro secciones por escuadrón). El pip-squeak emitía automáticamente un tono constante durante 14 segundos cada minuto, lo que daba tiempo suficiente a los operadores para rastrear la señal. Tenía el inconveniente de ocupar la radio de la aeronave mientras transmitía la señal de radiogoniometría.

La necesidad de equipos de radiogoniometría era tan acuciante que el Ministerio del Aire inicialmente no pudo suministrar la cantidad solicitada por Hugh Dowding , comandante del Mando de Caza de la RAF . En simulacros de batalla durante 1938, el sistema demostró ser tan útil que el Ministerio respondió proporcionando sistemas Bellini-Tosi con la promesa de que las versiones con pantalla de tubo de rayos catódicos (CRT) los reemplazarían lo antes posible. Esto se podía lograr en el campo de batalla, simplemente conectando las antenas existentes a un nuevo receptor. Para 1940, estos equipos estaban instalados en los 29 sectores del Mando de Caza y fueron una parte fundamental del sistema que ganó la batalla.

Junto con el sonar ("ASDIC"), la información obtenida al descifrar los códigos alemanes y el radar , el "Huff-Duff" fue una pieza valiosa del arsenal de los Aliados para detectar submarinos y corsarios alemanes durante la Batalla del Atlántico .

La Kriegsmarine sabía que los radiogoniómetros podían usarse para localizar sus barcos en el mar cuando estos transmitían mensajes. En consecuencia, desarrollaron un sistema que convertía los mensajes rutinarios en mensajes cortos. El " kurzsignale " resultante se codificaba con la máquina Enigma (por 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 usando sistemas BT, el único sistema conocido por los alemanes en ese momento, determinar la ubicación de dicha transmisión habría requerido mucha suerte. Con huff-duff, estos mensajes eran más que lo suficientemente largos como para medirlos fácilmente.

Al principio, el sistema de detección del Reino Unido consistía en varias estaciones costeras en las Islas Británicas y el Atlántico Norte, que coordinaban sus interceptaciones para determinar las ubicaciones. Las distancias necesarias para localizar submarinos en el Atlántico desde las estaciones de radiogoniometría costeras eran tan grandes, y la precisión de la radiogoniometría era relativamente baja, que las localizaciones no eran particularmente precisas. ^{[ 14 ]}

En 1944, la Inteligencia Naval desarrolló una nueva estrategia que consistía en la creación de grupos localizados de cinco estaciones de radiogoniometría terrestres para promediar las direcciones de cada una de ellas y obtener una dirección más fiable. Se establecieron cuatro de estos grupos en Gran Bretaña: en Ford End (Essex), Anstruther (Fife), Bower (Tierras Altas de Escocia) y Goonhavern (Cornualles). Se preveía la creación de otros grupos en Islandia, Nueva Escocia y Jamaica. ^{[ 15 ]}

Se comprobó que el promedio simple era ineficaz, por lo que posteriormente se utilizaron métodos estadísticos. También se pidió a los operadores que calificaran la fiabilidad de sus lecturas, de modo que las deficientes y variables recibieran menos peso que las que parecían estables y bien definidas. Varios de estos grupos de radiogoniometría continuaron en la década de 1970 como parte de la Organización de Señales Compuestas . ^{[ 16 ]}

Se utilizaron sistemas terrestres debido a los graves problemas técnicos que presentaban los buques, principalmente por los efectos de la superestructura en el frente de onda de las señales de radio entrantes. Estos problemas se superaron bajo la dirección técnica del ingeniero polaco Wacław Struszyński , del Centro de Señales del Almirantazgo. ^{[ 17 ]} A medida que los buques se equipaban, se realizaba una serie de mediciones complejas para determinar estos efectos y se proporcionaban tarjetas a los operadores para mostrar las correcciones necesarias en diversas frecuencias.

Para 1942, la disponibilidad de tubos de rayos catódicos (TRC) mejoró y dejó de ser un factor limitante en la cantidad de equipos que se podían fabricar. Al mismo tiempo, se introdujeron equipos mejorados que incluían sintonización motorizada continua para explorar las frecuencias probables y activar una alarma automática al detectar cualquier transmisión. De esta manera, los operadores podían ajustar rápidamente la señal antes de que desapareciera. Estos equipos se instalaron en los buques de escolta de convoyes, lo que les permitió localizar submarinos que transmitían desde el horizonte, fuera del alcance del radar. Esto posibilitó el envío a alta velocidad de buques y aeronaves de ataque en dirección al submarino, que podía ser localizado por radar si aún se encontraba en la superficie o por ASDIC si estaba sumergido.

Desde agosto de 1944, Alemania trabajó en el sistema Kurier , que transmitiría una señal corta completa en una ráfaga de no más de 454  milisegundos, demasiado breve para ser localizada o interceptada para su descifrado, pero el sistema no llegó a estar operativo al final de la guerra.