方向探知

方向探知 （ DF ）、または無線方向探知 （ RDF ）は、受信信号が送信された方向の測定値です。これは、レーダー信号の検出と監視（ELINT / ESM）など、無線またはその他の形式の無線通信を指す場合があります。 2つ以上の適切に間隔を空けた受信機（または単一のモバイル受信機）からの方向情報を結合することにより、送信のソースを三角測量によって特定できます。無線方向探知は、船舶や航空機のナビゲーションで使用され、捜索と救助、野生生物の追跡、および違法または干渉する送信機を見つけるための緊急送信機を見つけます。 RDFは、第二次世界大戦中の英国の戦いと長期にわたる大西洋の戦いの両方でドイツの脅威と戦う上で重要でした。前者では、航空省はRDFを使用して独自の戦闘機グループを特定し、それらをドイツの襲撃を検出するためにベクトル化しました。

RDFシステムは任意の無線ソースで使用できますが、非常に長い波長（低周波数）には非常に大きなアンテナが必要であり、一般に地上システムでのみ使用されます。それにもかかわらず、これらの波長は「水平線上」で非常に長い距離を移動できるため、海洋無線航法に使用されます。これは、視線が数十キロメートルしかない船舶にとって貴重です。地平線が数百キロメートルに及ぶ空中使用の場合、より高い周波数を使用して、より小さなアンテナを使用できます。無指向性ビーコンまたは商用AMラジオ放送局と呼ばれるラジオビーコンに調整できる自動方向探知機は、最近までほとんどの航空機の機能でしたが、現在は廃止されています

軍隊にとって、RDFはシグナルインテリジェンスの重要なツールです。敵の送信機の位置を特定する能力は、第一次世界大戦以来非常に貴重であり、第二次世界大戦の大西洋の戦いで重要な役割を果たしました。英国の高度な「ハフダフ」システムは、戦争中に沈没したすべてのUボートの24％を直接的または間接的に担っていたと推定されています。最新のシステムでは、フェイズドアレイアンテナを使用して、非常に正確な結果を得るための高速ビームフォーミングを使用することが多く、より大きな電子戦スイートの一部です。

初期の無線方向探知機は、信号強度を比較する機械的に回転したアンテナを使用し、同じ概念のいくつかの電子バージョンが続きました。最近のシステムでは、一般的に自動化が簡単な位相またはドップラー技術の比較を使用しています。初期のイギリスのレーダーセットはRDFと呼ばれていました。実際、チェーンホームシステムは、大型のRDF受信機を使用して方向を決定しました。後のレーダーシステムは、一般に放送と受信に単一のアンテナを使用し、アンテナが向いている方向から方向を決定しました。

アンテナ

方向検出には、指向性のあるアンテナが必要です（他の方向よりも特定の方向の感度が高い）。多くのアンテナ設計がこの特性を示しています。たとえば、八木アンテナは非常に顕著な指向性を持っているため、送信のソースは、最大信号レベルが得られる方向にアンテナを向けるだけで決定できます。ただし、非常に正確な方向を確立するには、より高度な技術が必要です。

指向性アンテナの単純な形式は、ループアンテナです。これは、絶縁フォーマー上のワイヤのオープンループ、またはアンテナ要素自体を形成する金属リングで構成されます。ループの直径は、ターゲット周波数で波長の10分の1以下です。このようなアンテナは、その顔に垂直な信号に対する感度が最も低く、エッジオンの会議に対する応答性が最も高くなります。これは、送信ビーコンの位相出力が原因です。位相が変化する位相により、ループの両側に誘導される電圧に瞬時に差が生じます。ループ面をオンにしても、電流は流れません。アンテナを回して最小の信号を取得するだけで、信号が発生する可能性のある2つの方向が確立されます。 NULLが使用されるのは、そのヌル位置付近のループ空中の小さな角変位が、ループの最大位置付近の同様の角度変化よりも大きな電流変化を生み出すためです。このため、ループアンテナのヌル位置が使用されます。

2つの方向の可能性を解決するには、検知アンテナを使用します。検知アンテナには方向特性はありませんが、ループアンテナと同じ感度があります。検知アンテナからの定常信号をループ信号の交番信号に追加することにより、ループが360°回転し、電流がゼロになる位置が1つだけになります。これは位相基準点として機能し、正しいヌル点を識別できるため、180°のあいまいさがなくなります。ダイポールアンテナも同様の特性を示し、一般的なVHFまたはUHFテレビアンテナとしてよく知られている八木アンテナの基礎となっています。はるかに高い周波数に対しては、放物線アンテナを使用できます。放物線アンテナは非常に指向性が高く、受信信号を非常に狭い角度から中心の受信要素に集束します。

一般に、信号インテリジェンス（SIGINT）で使用されるゴニオメーターと呼ばれる非常に正確な方向探知システムには、フェーズドアレイなどのより高度な手法が使用されます。ヘリコプターベースのDFシステムは、早くも1972年に米国政府向けにESL Incorporatedによって設計されました。

シングルチャンネルDF

単一チャネルDFは、単一チャネル無線受信機を備えたマルチアンテナアレイを使用します。 DFへのこのアプローチには、いくつかの利点と欠点があります。 1つのレシーバーしか使用しないため、モビリティと低消費電力がメリットになります。各アンテナを同時に見ることができない場合（NチャネルDFとも呼ばれる複数の受信機を使用する場合）、受信機に信号を提示するために、アンテナでより複雑な操作を行う必要があります。

単一チャネルDFアルゴリズムが該当する2つの主なカテゴリは、 振幅比較と位相比較です。一部のアルゴリズムは、2つのハイブリッドにすることができます。

擬似ドップラーDFテクニック

擬似ドップラー技術は、円形アレイの要素の周囲をサンプリングすることで信号に誘導されるドップラーシフトを測定することにより、受信信号の方位推定を生成する位相ベースのDFメソッドです。元の方法では、物理的に円形に移動する単一のアンテナを使用していましたが、最新のアプローチでは、各アンテナが連続してサンプリングされるマルチアンテナ円形アレイを使用します。

ワトソン-ワット、またはアドコック-アンテナアレイ

Watson-Wattテクニックは、2つのAdcockアンテナペアを使用して、着信信号の振幅比較を実行します。アドコックアンテナペアはモノポールまたはダイポールアンテナのペアで、各アンテナで受信した信号のベクトル差を取得するため、アンテナのペアからの出力は1つだけです。これらのペアのうち2つは同じ場所にありますが、NS（北南）およびEW（東西）信号と呼ばれる信号を生成するために垂直に向けられ、受信機に渡されます。受信機では、NS信号とEW信号の比のアークタンジェントをとることにより、方位角を計算できます。

相関干渉計

相関干渉計の基本原理は、測定された位相差を、既知の波角での既知の構成のDFアンテナシステムで得られた位相差と比較することです（参照データセット）。比較は、参照データセットのさまざまな方位角値に対して行われ、方位は相関係数が最大のデータから取得されます。方向探知アンテナ要素に指向性アンテナパターンがある場合、振幅を比較に含めることができます。

使用法

ラジオナビゲーション

無線方向探知 、 無線方向探知機 、またはRDFは 、かつては主要な航空航法援助でした。（ 範囲と方向探知は、レーダーの前身を説明するために使用された略語でした。）ビーコンは、「気道」交差点をマークし、出発および進入手順を定義するために使用されました。送信される信号には方位や距離に関する情報が含まれないため、これらのビーコンは航空業界では無指向性ビーコン 、またはNDBと呼ばれます。 1950年代以降、これらのビーコンは一般にVORシステムに置き換えられました。VORシステムでは、航法援助装置への方位が信号自体から測定されます。したがって、可動部を備えた特殊なアンテナは不要です。購入、メンテナンス、校正のコストが比較的低いため、NDBは依然として小さな飛行場と重要なヘリコプターの着陸地点の位置を示すために使用されています。

ほぼすべての船に方向探知機が装備されていたため（Appleyard 1988）、沿岸地域にある同様のビーコンも海上無線航法に使用されています。船舶がGPSナビゲーションを支持してRDFによるナビゲーションを放棄したため、今日（2008年）アクティブなままの海上無線ナビゲーションビーコンはほとんどありません。

英国では、遭難しているまたは困難に直面している航空機パイロットに対して、121.5 MHzおよび243.0 MHzで無線方向探知サービスを利用できます。このサービスは、民間および軍用空港と特定のHM沿岸警備隊のステーションにある多数の無線DFユニットに基づいています。これらのステーションは、航空機の「修正」を取得し、それを無線でパイロットに送信できます。

違法、秘密、または敵対的な送信機の場所-SIGINT

第二次世界大戦では、方向探知によって英国（UK）の秘密送信機を特定するためにかなりの努力が費やされました。この作業は、Radio Security Serviceによって行われました（RSSもMI8）。当初、3つのU Adcock HF DFステーションが1939年に郵便局によって設置されました。宣戦布告により、MI5とRSSはこれをより大きなネットワークに発展させました。英国ほどの広さのエリアをカバーする際の問題の1つは、上空のイオン化層から反射されたスカイウェーブ信号を受信するためにエリア全体をカバーする十分なDFステーションを設置することでした。ネットワークが拡大しても、一部のエリアは適切にカバーされなかったため、地上波による不法な送信を検出するために最大1700人の自発的な迎撃者（無線アマチュア）が募集されました。固定局に加えて、RSSは英国内で多数のモバイルDF車両を走らせました。送信機が固定DFステーションまたは自発的なインターセプターによって識別された場合、モバイルユニットはソースに帰宅するためにエリアに送信されました。モバイルユニットはHF Adcockシステムでした。

1941年までに、英国では2、3の違法送信機しか特定されていませんでした。これらは「転向」され、MI5の制御下で送信されていたドイツのエージェントでした。ヨーロッパの占領国および中立国のドイツのエージェントから発せられる多くの違法な送信が記録されていました。トラフィックはインテリジェンスの貴重なソースになったため、RSSの制御はその後、英国外から発信される秘密のインテリジェンスを担当するMI6に渡されました。方向探知と傍受の操作は、1945年まで量と重要性が増加しました。

HFアドコックステーションは、受信機と方位角を取得するために調整されたラジオゴニオメータを含む小さな木製のオペレーター小屋を囲む4つの10 mの垂直アンテナで構成されていました。また、4つの支線付き30 m格子タワーアンテナを使用したMFステーションも使用しました。 1941年、RSSはMarconi社とUK National Physical Laboratoriesによって開発された、間隔を空けたループ方向ファインダの実験を開始しました。これらは、回転可能な3〜8 mのビームの端にある1〜2 mの2つの平行なループで構成されていました。ビームの角度をラジオゴニオメーターの結果と組み合わせて、ベアリングを提供しました。得られたベアリングは、U Adcockシステムで得られたベアリングよりもかなりシャープでしたが、7つの提案されたSL DFシステムの設置を妨げる曖昧さがありました。 SLシステムのオペレーターは、アンテナの下の金属製地下タンクにいました。 7つの地下タンクが設置されましたが、ヨークシャーのワイモンダム、ノーフォーク、およびウィーバーソープに設置されたSLシステムは2つだけでした。問題が発生し、残りの5つの地下タンクにアドコックシステムが取り付けられました。回転するSLアンテナは手で回されたため、ゴニオメーターのダイヤルを回すよりも連続測定がはるかに遅くなりました。

別の実験的間隔ループステーションは、1942年に半地下のコンクリートバンカーを備えた航空省のためにアバディーンの近くに建設されました。これも操作上の問題のために放棄されました。 1944年までに、間隔ループのモバイルバージョンが開発され、D-Dayのノルマンディ侵攻に続いてフランスのRSSで使用されました。

米軍は、第二次世界大戦で「DAB」と呼ばれる陸軍基地のスペースループDFを使用しました。ループは梁の両端に配置され、それらはすべて木製の小屋の中にあり、電子機器は大きなキャビネットに配置され、梁の中央にブラウン管ディスプレイがあり、すべてが中心軸で支持されていました。ビームはオペレータによって手動で回転されました。

イギリス海軍は、北大西洋のUボートを追跡するために、1944年に海岸に拠点を置くHF DFステーションのバリエーションを導入しました。 5つのDFステーションのグループを構築したため、グループ内の個々のステーションからの方位を組み合わせて平均をとることができました。このような4つのグループは、スコットランド高地のフォードエンド、エセックス、グーンハバーン、コーンウォール、アンストラザー、およびバウアーマッデンに英国で建設されました。アイスランド、ノバスコシア、ジャマイカでもグループが作られました。予想された改善は実現されませんでしたが、その後の統計作業によりシステムが改善され、GoonhavernグループとFord Endグループは冷戦中も引き続き使用されました。イギリス海軍は、ドイツの潜水艦の位置を特定するために、対潜水艦戦の任務を遂行する船に方向探知機器も配備しました。ブリッジの）および高周波方向検出（HF / DF、「Huffduff」）タイプFH 4アンテナ（アンテナはメインマストの上部に取り付けられました）。

第二次世界大戦の無線方向探知に関する包括的なリファレンスは、ハンスロープパークのRSSのエンジニアリング部門の責任者であるローランドキーンによって書かれました。ここで言及されているDFシステムは、彼の1947年の書籍Wireless Direction Findingで詳しく説明されています。

第二次世界大戦の終わりに、多くのRSS DFステーションは、英国SIGINT組織であるGCHQの管理下で冷戦に引き続き作動しました。

現在、英国内での方向探知の取り組みのほとんど（2009年）は、許可されていない「海賊版」のFM放送ラジオ送信の特定に向けられています。リモート操作のVHF方向探知機のネットワークは、主に主要都市周辺に配置されています。携帯電話のハンドセットからの送信は、周囲のローカル「セル」受信機での比較信号強度を使用した方向探知の形式によっても特定されます。この手法は、英国の刑事訴追の証拠としてしばしば提供され、ほぼ確実に、SIGINTの目的のために提供されます。

緊急援助

緊急時にビーコンとして送信するように設計された無線送信機には多くの形式があり、民間航空機に広く展開されています。最新の緊急ビーコンは、送信機の正確な位置を見つけるのに役立つ一意の識別信号を送信します。

雪崩救助

雪崩トランシーバは、標準の457 kHzで動作し、雪崩に埋もれた人や機器の位置を特定できるように設計されています。ビーコンの電力は非常に低いため、無線信号の指向性は小規模な電界効果に支配されており、特定するのが非常に複雑になる可能性があります。

野生生物の追跡

三角測量による放射標識された動物の位置は、動物の動きを研究するための広く応用された研究技術です。この技術は1960年代初頭に最初に使用されました。無線送信機とバッテリーで使用される技術により、野生動物に付着するほど小さくなり、現在ではさまざまな野生生物研究に広く採用されています。無線送信機が取り付けられた野生動物のほとんどの追跡は、携帯無線方向探知装置を使用して野外研究者によって行われます。研究者が特定の動物の位置を特定する場合、複数の位置から送信機への方向を決定することにより、動物の位置を三角測量できます。

偵察

フェーズドアレイおよびその他の高度なアンテナ技術を使用して、ロケットシステムの発射とその結果の軌道を追跡します。これらのシステムは、防衛目的に使用することも、他の国に属するミサイルの操作に関する情報を得るためにも使用できます。これらの同じ技術は、従来の航空機の検出と追跡に使用されます。

スポーツ

無線方向探知スキルを使用して未知の場所に送信機を配置するグループや組織が主催するイベントは、第二次世界大戦の終わり以来人気があります。これらのイベントの多くは、災害対応や民間防衛の目的で無線方向探知技術の使用を実践するため、または無線周波数干渉源の特定を実践するために最初に推進されました。世界中で最も人気のあるスポーツ形式は、アマチュア無線方向探知として、またはその国際的な略語であるARDFとして知られています。「トランスミッターハンティング」、「モバイルTハンティング」、「キツネハンティング」として知られる活動の別の形態は、大都市の首都圏などのより大きな地理的エリアで行われ、ほとんどの参加者は自動車で移動します。無線方向探知技術を使用して1つ以上の無線送信機の位置を特定しようとしています。