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レーダー、砲照準マークI、略してGL Mk.Iは、第二次世界大戦前にイギリス陸軍が開発したレーダーシステムで、関連する対空砲に射程情報を提供する目的で使用されました。同じ基本システムにGL/EF（仰角ファインダー）とGL Mk.IIという2つの改良型があり、どちらも目標の方位と仰角を正確に測定する機能が追加されました。この名称は、砲を目標に向けるレーダーの機能、つまり砲照準機能に由来しています。
最初のGLレーダーは、1936年以降に開発された基本的な設計でした。初期のチェーンホームレーダーの電子回路をベースにしたGLは、砲架に搭載された木製の小屋にそれぞれ独立した送信機と受信機を設置し、それぞれにアンテナが備えられており、目標に向けるために回転させる必要がありました。送信信号は扇形に広がり、約120度の範囲に及びました。そのため、斜距離情報の測定にしか役立たず、目標方位の精度は約20度で、仰角情報は得られませんでした。数台がイギリス遠征軍に配備され、少なくとも1台はダンケルク撤退作戦中にドイツ軍に鹵獲されました。その後のドイツ軍の評価では、イギリスのレーダーはドイツのレーダーよりもはるかに劣っていると判断されました。
これらの欠点に対処する計画は、最初の Mk. I ユニットが 1939 年に運用開始された時点で既に進行中でしたが、これらの Mk. II ユニットは早くても 1940 年まで利用できませんでした。 手っ取り早い解決策は GL/EF アタッチメントで、方位と仰角の測定値を約 1 度の精度で提供しました。 これらの改良により、航空機を破壊するのに必要な弾数は 4,100 発に減り、戦争初期の結果の 10 分の 1 に改善されました。 約 410 個の Mk. I およびわずかに改良された Mk. I* ユニットが生産された後、生産は Mk. II に移行しました。Mk. II は、銃を直接誘導するのに十分な精度を備えていました。 精度の向上と操作の簡素化により、Mk. II では 1 機撃墜あたりの弾数が 2,750 発に減少しました。 1941 年のドイツによるソ連侵攻後、約 200 個の Mk. II ユニットがソ連に供給され、SON-2 という名称で使用されました。 生産終了までに、1,679 個の Mk. IIが生産された。
1940年に空洞マグネトロンが導入されたことで、指向性の高いパラボラアンテナを用いた新たな設計が生まれ、より小型のアンテナからでも正確な測距と方位測定が可能になった。これらのGL Mk. IIIレーダー装置は、英国ではMk. IIIBとして、カナダでは現地設計モデルとしてMk. IIICとして生産された。Mk. IIは、前線でMk. IIIに置き換えられるにつれて、補助的な役割で運用され続けた。これらの両方とも、1944年からより優れたSCR-584に置き換えられた。
英国でレーダーが初めて言及されたのは、1930年に陸軍省信号実験施設（SEE）のWAS ButementとPE Pollardが提案したものでした。[ 1 ] [ 2 ]彼らは、沿岸砲台で使用する船舶探知用レーダーシステムの構築を提案し、50cm波長（600MHz ）のパルスを使用した低電力ブレッドボード試作機を製作するところまで進みました。陸軍省は関心を示さず、さらなる開発のための資金を提供しませんでした。この件は、1931年1月号の王立工兵隊発明書に掲載されました。[ 3 ] [ 4 ]
航空省によるレーダーの実証実験の成功と、1936年にチェーンホーム（CH）となるシステムの急速な進歩により、陸軍は突如このテーマに興味を持ち、ボーズィー・マナーにあるCHレーダーチームの新しい本部を訪れた。そこで陸軍は、半移動式展開を目的としたCHシステムの小型版を紹介された。これは陸軍の役割で使用できる可能性があると思われ、1936年10月16日に軍事応用セクション[ 5 ]（一般に陸軍セルと呼ばれる）が結成された。このグループにはボーズィーに部屋が与えられ、SEEからブテメントとポラードが参加した[ 6 ] 。
当初、この部隊には対空砲火の改良という任務が与えられ、対処すべき主な問題は距離の正確な測定であると告げられた。[ 5 ]光学機器は航空機を探知し、方位と仰角を正確に決定するために使用されたが、光学手段による測距は依然として困難で、時間がかかり、手順上の単純なミスが発生しやすいままであった。正確かつ迅速な測距が可能なレーダーシステムがあれば、航空機を攻撃できる可能性が大幅に向上する。彼らには、14,000ヤード（13km ）の距離で50ヤード（46m ）以内の精度で距離を測定するという目標が与えられた。陸軍の命名法に倣い、この概念は対空砲の照準（GL）を支援する役割を担うことから「砲照準レーダー」と名付けられた。[ 5 ]
同年、大型航空機に搭載するのに適したはるかに小型のレーダーシステムを開発するために、主要なCH開発チームから空挺グループが分離した。これが航空機迎撃レーダー（AI）の役割となり、夜間に爆撃機を探知し、重戦闘機が自身のレーダーで爆撃機を探知して攻撃できるようにすることを意図していた。これらのシステムがイギリス海峡で船舶を容易に探知できることが実証されると、陸軍セルはこれらのシステムを沿岸防衛（CD）の役割に適用するための第2グループを開始し、沿岸砲台を盲目射撃するのに十分な精度で距離と角度の両方の測定を提供した。このチームはブテメントが率い、ポラードは砲照準システムの主要開発者となった。[ 6 ]
GL の取り組みは Chain Home の開発のごく初期に開始され、その技術をできる限り活用するように意図的に設計されました。Butement の以前の実験システムとは異なり、CH は市販の短波ラジオシステムの既存の電子機器をベースにしていました。これは、市販の短波ラジオシステムが最高出力のラジオシステムの一つだったためです。このアプローチの欠点は、一般的に、適切なゲインで動作させるにはラジオアンテナがラジオ信号の波長のかなりの割合でなければならないことであり、半波長ダイポールが一般的なタイプです。CH が最初に使用した 50 メートル波長の場合、 25メートル (82フィート)程度のアンテナが必要になります。[ 7 ] [ a ]
これはあらゆる種類の移動システムには実用的ではなかったが、1930年代後半に新しい電子機器が登場するにつれて、レーダーシステムで使用される波長は下がり続けた。GLが試験を開始する準備が整う頃には、システムは3.4～5.5m （11～18フィート）の波長で動作できるようになり[ 9 ]、アンテナのサイズはより扱いやすい数メートルの長さに縮小された。電子機器の同様の変化により、移動無線ユニット（MRU）と呼ばれるCHの小型版も生まれ、これは移動早期警戒システムとして、またメインのCH局が故障した場合のバックアップサービスとして使用された[ 6 ] 。
CH型レーダー表示では、タイムベースジェネレータを使用して鋸歯状波電圧を生成し、それを陰極線管（CRT）の入力の1つに供給します。タイムベースは、レーダーの最大探知距離にある物体からの反射波が戻ってくる時間と同じ時間でCRTのドットが画面上を移動するように調整されています。ドットは非常に速く移動するため、実線のように見えます。反射信号は増幅され、CRTのもう一方のチャンネル（通常はY軸）に送られ、ドットはタイムベースによって生成される直線からずれます。航空機などの小さな物体の場合、このずれによって表示上に小さな点が現れます。この点の位置を表示上の校正済みスケールと比較することで、目標までの距離を測定できます。[ 5 ]
このような表示の精度は、管のサイズとレーダーの探知範囲に左右されます。一般的な3 インチ (76 mm) CRT の目盛りに沿って 1 mmの精度で点滅を測定することが期待され、そのレーダーの最大探知範囲が 14,000ヤードである場合、1 mmは14000 / (75 / 1)、つまり186 ヤード (170 m)強に相当します。これは、望ましい精度である約50 ヤード (46 m)よりもはるかに低い精度でした。[ 5 ]
このような高精度な測定を継続的に行うことができるシステムを提供するために、ポラードは、あらかじめ選択された範囲設定の両側のわずかな距離のみを表示する測定を行うために、CRT ディスプレイ全体を使用するシステムを開発した。このシステムは、コンデンサを既知の速度で充電し、時間ベースをトリガーするしきい値に達するまで充電することで機能した。時間ベースは、1 キロメートル未満の時間で画面を横切るように設定された。大きなポテンショメータを使用して充電速度を制御し、[ 10 ]範囲オフセットを提供した。ターゲットまでの距離は、ポテンショメータを使用してブリップをディスプレイの中央に移動させ、ポテンショメータの目盛りから距離を読み取ることによって測定された。基本システムは急速に発展し、1937年の夏までに、試験システムは3,000ヤード（2,700メートル）から14,000ヤード（13キロメートル）の間の航空機に対して100ヤード（91メートル）の精度を提供していた。年末までに、これは25ヤード（23メートル）の精度にまで向上した。[ 11 ]
システムの当初の要件は光学機器に追加情報を提供することであったため、正確な方位測定は必要とされませんでした。システムには、測距対象の目標が光学的に追跡されている目標であり、近くの別の目標ではないことを確認する何らかの方法が必要でした。この役割のために、システムは垂直方向に約1波長離れて取り付けられた2つの受信アンテナを使用しました。これにより、アンテナが目標に直接向けられると、受信信号が打ち消し合い、ディスプレイ上に信号が消えるヌル点が生成されます。これは2番目のディスプレイに送信され、そのオペレーターはアンテナを目標に向け続けるようにしました。[ 12 ]
約20kWの短いパルスを生成する送信機は 、車輪付きトレーラー上の大きな長方形の木製キャビンに設置されていた。単一の半波長ダイポールアンテナは、キャビンの一方の端にある短い垂直延長部に取り付けられ、「送信線」は長軸に沿っていた。アンテナはわずかに指向性があり、信号を左右約60度の扇形に放射していた。[ 13 ]
受信機はかなり複雑だった。オペレーターのキャビンは送信機よりやや小さく、対空砲架のベアリングシステムに取り付けられており、キャビン全体を垂直軸を中心に回転させることができた。屋根のすぐ上には、キャビンの輪郭とほぼ同じ形状の長方形の金属フレームがあった。フレームの長い辺の1つに沿って3本のアンテナが一直線に取り付けられていた。距離測定は中央のアンテナで行われ、方向測定は両端の2本のアンテナの信号を比較することで行われた。2本のベアリングアンテナの後ろには、約1波長離れたところに反射板が取り付けられており、受信角度を狭める効果があった。[ 13 ]
現場では、送信機は攻撃が予想される方向に向けられ、受信機は信号が周囲の発生源から反射されるのを防ぐために、送信機からある程度離れた場所に設置される。[ 14 ]
1939年までに、チームは機器の状態に十分満足し、生産契約を発注した。メトロポリタン・ヴィッカース社が送信機の契約を獲得し、ACコッサー社が受信機の契約を獲得した。GLセットの量産は特に困難ではなく、1939年末までに59の完全なシステムが納入された。さらに344が1940年中に完成した。[ 15 ]
このシステムは要求されたとおりに機能し、約50 ヤードの精度で距離測定を提供しました。しかし、現場ではこれでは不十分であることが明らかになりました。1939年後半には夜間爆撃の脅威が大きな懸念事項となり、GLシステムは正確な方位情報と仰角情報を提供できなかったため、夜間に砲を誘導することができませんでした。[ 12 ]代わりに、第一次世界大戦の方式が採用され、サーチライトでほぼ無作為に目標を探し、目標が照らされたら従来の光学機器を使用して方位と仰角を決定しました。実際には、これは第一次世界大戦中と同様に効果がないことが証明されました。[ b ]
GLシステムに相当な時間、労力、資金を費やしたにもかかわらず、ロンドン大空襲が始まると、陸軍の防空システム全体が効果を発揮しなかった。陸軍対空司令部司令官のフレデリック・パイル将軍は、次のように述べている。
レーダーの初期トラブルは甚大だった。1940年10月初旬までに、夜間に一発も発射できなかった。非常に残念だった。装置の準備は驚くほど早くできたのだが、その後、調整に大変苦労したのだ。立てた計画はすべて失敗に終わり、その原因は常に我々の力ではどうにもならないものだった。[ 15 ]
目標の検出において、GLは概して効果がなかった。機械的な観点から言えば、追跡のためにシステム全体を旋回させる必要があることが大きな問題となった。より深刻な制約はディスプレイであり、距離表示では空のごく一部しか表示されず、方位には目標に合致しているか外れているかの単一の表示しかなかった。目標を見つけるためにアンテナを方位で旋回させることは可能かもしれないが、方向の精度は20度までしかなく、アンテナを目標に合わせるには十分であったが、特に夜間には光学機器を目標に向けるのにはほとんど役に立たなかった。さらに、方位表示はアンテナが合致しているかどうかだけを示し、合致していない場合に目標がどちら側にあるかは示さなかったため、追跡のためにアンテナをどの方向に向けるべきかを判断するには、より多くの作業が必要であった。[ 12 ]
これらの問題に加えて、広範囲に広がる扇形の信号は、複数の航空機がビームに入った場合に深刻な問題を引き起こしました。この場合、距離表示と方位表示の両方に複数の点滅が表示され、どの点滅がどの目標からのものか判別できませんでした。最も経験豊富な乗組員でさえ、このような状況下では目標を適切に追跡することができませんでした。[ 17 ]
GL Mk. I セットは、早期警戒を提供するMRUシステムとともに、イギリス遠征軍とともに配備されました。防衛線の崩壊と最終的なダンケルク撤退の後、これらのセットはフランスで放棄されなければなりませんでした。[ 18 ]
残された部品は十分あり、ヴォルフガング・マルティーニのレーダーチームは設計を組み立ててシステムの基本的な運用能力を判断することができた。しかし、彼らが発見したものは彼らを感心させるものではなかった。[ 18 ] 早期警戒（フレイヤ）と砲撃（ヴュルツブルク）の両方のドイツ空軍レーダーは、当時イギリスの同等のレーダーよりもはるかに進んでおり、[ 19 ] 50cm付近のはるかに短い波長で動作していた。[ 20 ]
この評価は、1939年8月にドイツの飛行船LZ 130グラーフ・ツェッペリンがイギリスのレーダーを探知する任務に失敗したことも相まって、イギリスのレーダーシステムの有用性を過小評価する風潮につながったようだ。チェーンホームの存在は認識していたにもかかわらず、バトル・オブ・ブリテンの直前に書かれたイギリス空軍の状況に関するドイツの報告書には、レーダーについて全く触れられていない。他の報告書では言及されているものの、それほど重要視されていない。ドイツ空軍の他の部署は、システム全体を軽視していたようだ。[ 18 ]
GLチームは、正確な方位と仰角情報も提供できる、大幅に改良されたバージョンのシステムの計画を既に開始していた。彼らは常にGLシステムがあらゆる測定において砲を誘導できることを望んでいたが、システムをできるだけ早く現場に投入する必要性がそれを阻んだ。[ 21 ]
この機能を追加するために、彼らはブテマンが開発していた沿岸防衛レーダーのコンセプトを応用した。そのアイデアは、わずかに異なる方向を向いた2つのアンテナを使用し、感度領域、つまりローブが2つのアンテナの中心線に沿ってわずかに重なるようにすることだった。その結果、ターゲットが中心線のわずかに片側にあるときに各アンテナが最大の信号を生成し、ターゲットがちょうど中央にあるときは両方のアンテナでわずかに小さいが等しい信号を生成する受信パターンが得られる。スイッチを使用して2つのアンテナ間で信号を交互に切り替え、同じ受信機、増幅器、CRTに送信する。また、一方の信号は遅延を通して送信されるため、その信号はわずかにずれて描画される。[ 22 ]
その結果、CHと同様の表示となり、視界内の目標までの距離が表示されますが、各目標は間隔の狭い2つの点滅信号を生成します。点滅信号の長さを比較することで、オペレーターはどちらのアンテナが目標により直接向けられているかを判断できます。[ 23 ]アンテナを信号強度の強い方、つまり点滅信号の長い方に回転させると、目標が中心に合わせられ、2つの点滅信号の長さが等しくなります。比較的長い波長を使用しても、これらのローブ切り替えシステムでは0.5度程度の精度を達成できます。[ 24 ]
Mk. I が現場に到着すると、基本電子機器にいくつかの改良が加えられました。これらがまとめられて Mk. I* バージョンが作られました。Mk. I と Mk. I* の違いは主に細部にありました。Mk. I では、受信車内のディスプレイは小型アンテナで送信信号を受信することでトリガーされていました。送信機と受信機の特定の向きでは、アンテナが動作に必要な信号を受信しないことが判明しました。これは、ケーブルロックとして知られる、2 つのキャビン間のケーブルに置き換えられました。受信機の RF ステージのいくつかの細部が改善され、信号対雑音比が向上し、ジェネレータの差異を補正するために電圧レギュレータが追加され、ポテンショメータの複雑な接地システムを電子バージョンに置き換える新しいシステムが導入されました。より大きな変更は、妨害対策機能の導入でした。[ 25 ] [ c ]
1939年末までに、Mk. I は現状のままでは特に夜間において実戦で十分に役に立たないことが明らかになり、Mk. II が利用可能になるのは少なくとも 1941 年初頭までかかることがわかった。レスリー・ベッドフォードはコッサー社にレーダー開発部門を設立し、CH 受信機を製造しており、対空砲手の要望とレーダーシステムに内在する可能性の両方に精通していた。彼は、Mk. II のアンテナと表示システムを Mk. I システムに適合させるのは比較的容易であり、多くの点で同様の利点が得られるだろうと示唆した。[ 12 ]
その結果、GL/EF（砲照準/仰角測定器）が開発されたが、ほぼ普遍的に「ベッドフォード・アタッチメント」と呼ばれていた。[ d ]この改良により、垂直アンテナ一式と、それらを読み取るための新しい仰角測定用CRT、そして垂直角を正確に測定できるラジオゴニオメーターが追加された。GL/EFを搭載したMk.I*は、ロンドン大空襲が最高潮に達した1941年初頭に配備が開始された。[ 12 ]
ベッドフォードアタッチメントにより、システムはレーダーのみに基づいて砲の照準に必要なすべての情報を提供しました。3軸すべてを連続的に読み取ることができたため、予測器には光学入力なしでレーダーから直接情報を入力することができました。同様に、砲自体も予測器から自動的に駆動されるか、「照準」されるか、あるいは予測器の出力に合わせるために射手が機械的なポインターに従う必要があり、これは「針を針に合わせる」という概念で知られています。信管の設定さえも、レーダーから得られる距離値から自動的に設定されました。砲撃の問題全体が高度に自動化されました。[ 14 ]
この時点で、校正に関する深刻な問題が発生しました。気球に吊るした反射板を使用したり、時折航空機を相手にテストしたりするなど、かなりの調査を行った結果、主な問題は基地周辺の地面の水平度であることが明らかになりました。これらの初期のレーダーで使用された長い波長は、地面から強く反射して空に戻ります。これらの反射信号は、送信機から直接送られてきた信号とともに、ターゲットに到達して受信機に戻ってくることがありました。この2つの間の干渉により、受信パターンにヌル点が発生し、これは今日ではマルチパス伝搬として知られています。これにより、アンテナがターゲットを追跡するために回転すると、ディスプレイ上にターゲットが表示されたり消えたりするため、ターゲットを見つけるのが困難になりました。[ 27 ]
当初は、これは深刻な問題ではなく、各サイトごとに校正テーブルを作成することで対処できると考えられていました。たとえば、ある方向では地面がわずかに低く、その方向に向けると空中に特定のヌルパターンが生成される一方、別の方向では地面が高くなり、異なるパターンが生成されるかもしれません。理論的には、このパターンを測定して、任意の方位角のテーブルを作成できます。残念ながら、最初のテストでさえ、校正が波長によって変化することが実証されました。これは、1 つのレーダーがメンテナンスを受けたり、バックアップに交換されたりしたときに発生しました。これは、レーダーごとに 1 つの校正テーブルを複数作成するか、異なる方位に対する単一の補正テーブルが必要な場合は、波長が変化するとアンテナを垂直に移動して調整する必要があることを意味しました。どちらも実用的ではありませんでした。[ 23 ]
再びベッドフォードが解決策を提案した。レーダーを較正する代わりに、地面自体を較正し、金属ワイヤーマットを使用してステーション周辺のエリアを平らにすることを提案した。こうすれば、レーダーが回転したり周波数を変更したりしてもパターンは同じままになる。このようなシステムの設計は、最近陸軍セルに加わった物理学者ネビル・モットに委ねられた。 [ 27 ]最終的に適切な寸法は、直径130ヤード（120メートル）の2インチ（5.1センチメートル）角のワイヤーメッシュの八角形であることが判明した。これは、地上約5フィート（1.5メートル）の高さにある木の杭の上を通る数百本の張られたワイヤーによって空中に支えられていた。アンテナとワイヤーグランドマットの間に適切なクリアランスを確保するために、レーダーシステムはブロックで空中に持ち上げられ、マットの上にある木製のキャットウォークからアクセスされた。[ 28 ]
英国を拠点とするGLセットにこれらの地面マットを装備する作業は膨大なものであった。各マットには、幅4フィート（1.2m ）、長さ50ヤード（46m）の金網ロールが230巻使用された。合計で約15,000平方ヤード（13,000m2 ）の面積を覆い、650マイル（1,050km ）の金網が使用された。さらに、金網の下の支持構造には、より太い金網が10マイル（16km ）使用された。当初は101か所にすぐにマットを設置する予定であったが、1940年12月までに1,000マイル（1,600km ）以上の亜鉛メッキ金網が消費され、国内の金網の供給がすべて使い果たされ、全国的に金網が不足する事態となった。[ 29 ]
マットの建設には約50人の作業員が4週間かけて完成させた。[ 30 ] [ 27 ] 1941年1月末までにアップグレードされたのはわずか10か所で、その間も新しい対空砲陣地が設置されていたため、候補地の数は完成できるよりも急速に増加していた。4月までに、パイルは対空砲陣地の95%がマットを必要とすると結論付け、1942年3月までに600か所が稼働すると予想した。この計画は最終的に何年も続き、マットを必要としない新しいシステムが導入されるにつれて徐々に縮小していった。[ 21 ]マット計画は正式には1943年3月に終了した。 [ 31 ]
もう一つの問題は、完全には解決されなかったが、その地域での気球による弾幕は強力な反射体となり、その背後にあるものが見えなくなってしまうことだった。気球は高価値目標を守るために2つのシステムが併用され、しばしば対空砲の近くに配置されるため、これは特に厄介だった。低高度の反射を排除できるシステムの形で解決策が検討されたが、これは完全には開発されなかった。[ 23 ]
GLシステムの継続的な技術進歩に加えて、パイルは1940年9月からAA司令部の最高幹部に科学顧問を任命することでAA全体の状況を大幅に改善した。この役割に彼が選んだのは、第一次世界大戦でイギリス海軍に勤務し、その後も優れた数学的能力を発揮していたパトリック・ブラケットであった。ブラケットは純粋に数学的な観点からAA問題を研究することを計画し、この概念は他の防空分野で非常に価値があることが証明され、最終的には運用研究の一般的な分野へと発展した。[ 32 ]
ブラックエットは、対空司令部研究グループとして知られる研究グループを結成したが、一般的には「ブラックエットのサーカス」と呼ばれていた。ブラックエットは、生理学者のデイビッド・ケインズ・ヒル、アンドリュー・ハクスリー、レナード・アーネスト・ベイリス、数理物理学者のアーサー・ポーター、フランク・ナバロ、天体物理学者のヒュー・アーネスト・バトラー、測量士のG・レイボールド、物理学者のI・エバンス、数学者のA・J・スキナー、そしてチーム唯一の女性であるM・キーストなど、さまざまな経歴を持つメンバーを意図的に選んだ。[ 33 ]彼らの目標はブラックエットによって簡潔にまとめられている。
…最初の課題は、レーダーデータをプロットし、射程表と信管表のみに基づいて砲撃に使用する敵の将来の位置を予測する最良の方法を考案することであった。2番目の課題は、数週間で製造される単純な形式のプロットマシンの設計を支援することであった。3番目の段階は、既存の予測装置をレーダー装置と連携して使用する方法を見つけることであった。[ 34 ]
一方、1940年11月、ジョン・アシュワース・ラトクリフはバウドシーの航空省側からロンドン西側のピーターシャムに高射砲学校を設立するために異動した。 [ 33 ]すぐに明らかになった問題の一つは、弾道計算を処理するアナログコンピュータである予測器への入力が非常に簡単に間違えられることだった。この情報は陸軍の階層を通じてフィードバックされ、ここでもレスリー・ベッドフォードが解決策を生み出した。その結果、高射砲学校で使用される複数の訓練装置が作られ、オペレーターがスキルを磨くことができた。[ 35 ]
サーカスはすぐにロンドン地域のいくつかの対空基地に4番目のトレーラーを追加し、予測器への入力、発射された弾数、および結果を記録することだけに専念した。これらの数値は、改善の可能性を探すために対空指揮系統を通じてフィードバックされた。戦後すぐに発行された公式の歴史では、1940年9月から10月の間に26万発の対空弾が発射され、14機の航空機が破壊され、1機あたり1万8500発の割合であったと記されている。これは、レーダー以前の統計である1機あたり4万1000発よりもすでに大きな改善であった。しかし、GL/EF、GLマット、およびより良いドクトリンの追加により、これは1941年までに1機あたり4100発に減少した。[ 32 ] [ 36 ]
パイル氏は改善点について次のようにコメントした。
当初の困難はほぼ解消され、5月11日～12日（1941年）には空襲が広範囲に及び、我々の作戦範囲が拡大したため、9機を撃墜し、1機を撃墜確実、さらに17機を損傷させた。[...]その夜、空襲は事実上終結した。空襲が終わるまでに、我々は夜間爆撃機170機を撃墜し、さらに58機を撃墜確実、118機を様々な程度で損傷させた。[ 36 ]
Mk. II の生産はグラモフォン社とコッサー社が行いました。[ 11 ]プロトタイプの Mk. II セットは 1940 年 6 月には既に登場していましたが、Mk. I セットからの情報がさらに入ってくるにつれて、デザインにかなりの変更が加えられました。最終デザインは 1941 年初頭に量産体制に入り始めました。[ 21 ]
受信機アレイの下にある木製の小屋にディスプレイが設置されており、距離、方位、仰角用の独立したCRTも含まれており、交戦中ずっと追跡を続けることができた。送信アンテナは2つのバージョンがあり、1つは最初に目標を捕捉したり探知したりするための広角ビーム、もう1つは単一の目標を追跡する際に使用されるはるかに狭いビームを備えていた。これにより複雑さが増したが、ディスプレイに複数の目標が表示されるという問題も大幅に軽減された。[ 24 ]
Mk. II には、出力が 50 kW から 150 kW へと 3 倍に増加した新しい送信機も搭載されていた 。この出力増加により、多少の射程距離は向上したが、より重要なのは、同じ射程距離を維持しながらパルス幅を大幅に短縮できたことである。エコーの鮮明さはパルス幅に依存するため、パルス幅を短縮することでシステムの精度が向上した。Mk. II は、Mk. I* の約 2 倍の精度である ½ 度の精度で方位測定を行うことができ、砲を直接照準するのに必要な範囲内に収まっていた。Mk. II は 1942 年半ばまでに Mk. I* をほぼ置き換え、1943 年まで運用された。[ 24 ]分析によると、Mk. II は 1 キルあたりの弾数を 2,750 に向上させ、これもまた大きな進歩であった。[ 36 ] 1,679 台の GL Mark II セットが 1940 年 6 月から 1943 年 8 月の間に生産された。[ 37 ]
1940年に空洞マグネトロンが導入されたことで、レーダーは以前の真空管設計よりもはるかに短いマイクロ波波長で効果的に動作できるようになった。初期のマグネトロンは波長が約9センチメートル（3.5インチ）で動作し、ダイポールアンテナの長さをわずか数センチメートルに短縮した。アンテナが非常に短かったため、信号を非常に狭いビームに集束させる放物面反射鏡の前に配置できた。放送パターンが最大150度にも及ぶ代わりに、一般的なマイクロ波設計ではビーム幅が5度程度になった。ローブ切り替えの回転版である円錐走査と呼ばれる技術を使用すると、これをさらに0.5度以下にまで縮小でき、砲を直接照準するのに十分だった。[ 38 ]
1940年後半、陸軍はマイクロ波周波数GLレーダーシステムの構築に本格的に取り組んでおり、1942年までにはすでに設計図を英国の企業に送って生産を依頼していた。カナダでも1940年に完全にカナダで設計・製造されたバージョンの開発が始まっており、1942年9月に生産が開始され、1942年11月からGL Mk. IIICとして英国に納入され、翌月にはMk. IIIBとして英国に配備された。これらは、2輪トレーラーと発電機セットで構成されており、初期のMk. IおよびMk. II設計よりも機動性が大幅に向上していた。[ 39 ]
アンテナは、以前のシステムの広角の扇形ビームよりもはるかに指向性が高かったため、アンテナを常に地平線より数度上に向けることで、地面反射の問題を完全に回避することができました。これは、送信時に信号が地面で反射することがなく、また、反射された信号が近くで反射しても見えないことを意味します。以前のモデルで必要だったワイヤー製の接地マットは不要になり、サイトは数時間で展開して完全に運用できるようになりました。[ 38 ]
新型マイクロ波レーダーは1943年にMk.IIに取って代わり始めたが、納入はそれほど速くなく、これらのレーダーは現場でMk.IIを置き換えるのではなく、新しい部隊に送られることが多かった。1944年に米国のSCR-584レーダーが登場したことが、これらのレーダーすべてを急速に置き換えるきっかけとなった。SCR-584はスキャンとトラッキングを内蔵ジェネレーターセットを備えた単一のユニットに統合していた。戦後間もない時期には、これらはより小型で軽量なAA No. 3 Mk. 7レーダーに置き換えられ、AA砲が1950年代後半に退役するまで使用され続けた。[ 40 ]
Mk. I は送信用と受信用の 2 つのアンテナを使用しました。どちらも、それぞれの電子機器を収容する、キャンピング トレーラーに似た構造の木製キャビンの上に構築されました。これらは、木材がまだ一般的な建築材料であったメトロ・キャメルなどの鉄道車両メーカーによって製造されました。キャビンは、アセンブリ全体が回転して目標を追跡できるように、大きなベアリング プレートに取り付けられました。これらは、移動のために対空砲の砲架に取り付けられました。発電機セットが 2 つの間に配置され、両方に電力を供給しました。[ 24 ]
Mk. I の送信システムは、最大 50 kW のピーク電力を持つ3マイクロ秒のパルスを毎秒 1,500 回生成しました。[ 41 ]これらは半指向性で送信され、キャビンの前にある送信アンテナの「照射線」の前方の領域全体を投光しました。アンテナは信号が水平方向よりも垂直方向に広がるように配置されていたため、信号の大部分が地面に到達しました。使用される波長が長いため、この信号は前方に強く反射され、幾何学的考慮により、ステーション付近の地面に到達した信号は、関心領域 (ステーションの周囲約30 キロメートル (19マイル) ) の主信号と混ざるのに十分な垂直角度で反射されました。これが GL マットの目的であり、反射を完全に除去したわけではありませんが、反射をはるかに予測可能にしました。[ 23 ]
距離受信機と方位受信機は別々に設計されており、複数の周波数帯で動作可能であった。両方の受信機は共通の発振器を使用し、その発振器は4本の真空管からなる無線周波数（RF）部に送られた。発振器の周波数は、54.5～66.7 MHzのLF帯と66.7～84.0 MHzのHF帯の2つの広帯域間で切り替え可能であった 。[ e ]受信機は、従来の回転鉄心を用いて微調整され、これらの鉄心は機械的に接続され、1つのダイヤルで両方の受信機を同調できるようになっていた。[ 41 ] 2つの受信機のわずかな違いを補正するために、一方の鉄心の出力は、銅製のリングを支柱に沿ってスライドさせることで調整できた。[ 10 ]信号がRF段のいずれかで反射しないようにするため、距離受信機はRF段の最後にバッファ回路を追加した。[ 12 ]
距離信号は水平アンテナアレイの中央に設置された単一の半波長ダイポールで受信され、4 本の真空管からなる RF 受信機に入力され、さらに 4 本の真空管からなる中間周波数(IF) システムに入力された。出力は 2 つの CRT のうちの 1 つの下側 Y 軸プレートに直接入力された。上側 Y 軸プレートには校正器の出力が入力され、ビームが垂直方向に中心に来るように調整できた。アンテナから受信される信号によってビームが下方に偏向し、Chain Home のようにブリップが発生する。[ 5 ]
システムの X 軸は、ビームを画面の左から右に引っ張るタイムベースジェネレータによって供給されました。通常、タイムベースは送信機からの信号が見えると同時にスイープを開始するようにトリガーされますが、前述のように、これではこの役割に必要な精度が得られません。代わりに、タイムベースは、信号の全体の飛行時間の一部のみを表す、はるかに速い速度で画面を横切るように設定されました。タイムベースのトリガーは、非常に精度の高いオイル充填ポテンショメータを使用して行われ、コンデンサバンクの電荷がトリガー値に達するまで指数関数的に増加しました。[ 41 ]ポテンショメータシステムから出力される電圧の精度を確保するには、非常に複雑な接地システムが必要でした。迷走電圧が信号を圧倒する可能性があるためです。[ 43 ]
測定表示の操作者は 2 人いた。距離測定を行うには、距離操作者はポテンショメータのダイヤルを回して、ターゲットの点滅の先端が CRT 上の垂直線に合うようにした。距離は CRT からではなく、ダイヤルから読み取った。ダイヤルはマグスリップ、または今日ではセルシンとしてより一般的に知られている装置も回した。マグスリップの出力は予測器のコントロールを直接回すために使用され、レーダーが距離測定を継続的に更新できるようにした。[ 41 ]
方位測定は、別の受信機とアンテナシステムで受信されました。この場合、アンテナフレームワーク上で水平方向に約1波長離れた2つの半波長ダイポールが使用されました。両方のアンテナは受信機に入る前に電気的に接続され、一方の出力は反転されていました。これは、アンテナが目標に正確に位置合わせされると出力信号がゼロになることを意味します。位置ずれがあると信号の相対位相がわずかに変化し、受信機に入ってディスプレイに表示される正味の信号が生成されます。ただし、2つのアンテナのうちどちらが正味の出力を生成しているかを知ることはできませんでした。システムはアンテナが目標にオンになっているときは表示しますが、目標から外れているときにどちらを向くべきかは表示しません。[ 41 ]
方位受信機はそれ以外は距離バージョンと同一で、同じ方法でCRTに入力された。より低速なタイムベースジェネレータが使用され、最初のものと同じ信号でトリガーされたが、スキャン速度ははるかに遅く設定された。この場合、タイムベースは距離の測定には使用されず、ブリップの水平位置は重要ではなかった。代わりに、タイムベースは方位オペレーターが距離オペレーターと同じターゲットを見ていることを確認するために使用された。つまり、関心のある信号は中心付近にあるはずである。[ 41 ]方位オペレーターは、自転車のペダルに接続されたギアセットを使用して受信機キャビン全体を回転させ、信号が消える点を探した。これは、ターゲットが2つのアンテナの間に完全に整列したことを示す。このヌル探索システムは、位置をより明確に示すため、よく使用された。最大信号は広がる傾向がある。[ 41 ]ターゲットが整列していない場合、信号の存在はどちらの方向に回転すればよいかを示すことができなかった。この問題を解決するために、アンテナ給電部に電気スイッチングシステムを導入し、異なる位相でアンテナを接続できるようにした。スイッチを切り替えたときの信号の変化を調べることで、オペレーターはどちらのアンテナが目標に近いかを判断できた。このプロセスはブラケティングとして知られている。位相システムはEC Slowによって導入され、Slowcockとして知られるようになった。[ 41 ]
GL/EF搭載システムは全体的にMk.Iと似ていたが、受信機キャビン上部から突き出た梯子に沿って垂直に配置されたアンテナがもう1組追加された。元の距離測定アンテナは梯子の下部に設置され、その上に2つの新しいアンテナが等間隔で配置された。アンテナの間隔は約半波長であったため、信号は一方のペアでは建設的に干渉し、もう一方のペアでは破壊的に干渉した。無線測角計を使用して上部のアンテナの相対感度を変更し、無線測角計と距離測定アンテナの出力は別々のプリアンプに送られた。[ 14 ]
システムを完成させるために、ナショナルグリッド の 50 Hz 信号に同期した電子スイッチが追加されました。この信号は、受信機への入力をレンジアンテナから、ラジオゴニオメータを介して混合された他の 2 つのアンテナの出力に切り替えるために使用されました。同じ信号は、CRT の Y 軸バイアスもわずかに調整し、高度測定専用の新しい CRT の中心の上または下に交互にトレースが表示されるようにしました。その結果、上側のトレースには以前と同様に元のレンジ信号が含まれ、下側のトレースにはラジオゴニオメータの出力が含まれるようになりました。オペレーターは、レンジのブリップの下の下側のトレースに沿って見ることで、信号がゼロになるまでラジオゴニオメータを回転させ、角度を明らかにすることができました。オペレーターは、ターゲットが移動している間に下側のブリップが再び現れるたびに、定期的に設定を調整しました。[ 14 ]
システムの開発が進むにつれて、定期的なリセットではなく連続的な追跡を可能にするさらなる改良が導入されました。スイッチングシステムが変更され、距離信号が2.5 ミリ秒(ms)上側のラインに、距離信号と無線測距計信号が7.5ms上側のラインに送信されるようになりました 。信号が適切にヌル化されている場合、2つの上側の信号が混ざり合い、上側のトレース上に単一の明るいブリップが生成され、下側のトレースは以前と同様にヌル化されます。信号がヌル化されていない場合、下側のトレース上のブリップが見えるようになる前に、かすかな2番目のブリップが現れて上側のトレースをぼやけさせます。[ 23 ]
テストの結果、微弱な距離のみの信号は、信号にノイズが多くて変動すると見えにくくなることがわかりました。最終的な変更として、距離のみの信号にわずかな固定遅延を追加し、その波形が右にずれるようにしました。その結果、高度表示には3つの明確な点滅が表示され、右側に距離の点滅、左側に2つの高度信号が垂直に揃いました。[ 23 ]
この種のアンテナシステムの一般的な問題は、信号がアンテナの前面で受信されているのか背面で受信されているのかが分からないことです。前面と背面は感度が同じです。この問題を解決するために、ヌル点が見つかると、方位測定オペレーターはセンシングスイッチをオンにして、メインアンテナの少し後ろにある2番目のアンテナを接続しました。2つのアンテナの混合出力により、ターゲットが前面か背面かが明確に示されました。[ 41 ]しかし、これは位相システムに問題を引き起こし、完全に解決されることはありませんでした。[ 23 ] [ f ]
Mk. II システムは、GL/EF を搭載した Mk. I* と非常によく似ていましたが、細部の改良により、レンジと精度が向上しました。これには、より強力な送信機、更新された受信機の電子機器、およびより正確な測定を可能にするためのパルス幅の短縮が含まれていました。[ 24 ]より大きな違いは、ディスプレイ上の分割トレースを生成するために使用された方法でした。GL/EF で使用された電子システムとは異なり、Mk. II は、ベッドフォードがそれほど高度ではないと考えていた機械式でモーター駆動のシステムを使用しました。[ 23 ]基本的なアイデアは、わずかに異なる方向を向いていて、中央で受信パターンが重なる 2 つのアンテナを使用することでした。2 つの信号強度を比較することで、オペレーターは、ターゲットがどちらかのアンテナの中心にあるかどうかを判断し、両方の信号強度が等しくなるまでアンテナを回転させることができました。このシステムは、Mk. I が開発されている間にも RAF のAIおよびASVレーダーで広く使用されていましたが、Mk. I を運用するために、このシステムは設計に含まれませんでした。Mk. II は、実質的に、これらのディスプレイを GL セットに適合させる試みでした。[ 24 ]
GL/EF ディスプレイとは異なり、Mk. II はアンテナのペアごとに 1 つの受信機を使用しました。スイッチは、受信機に入力される信号を高速で切り替えました。また、一方の信号を短い遅延線を通して送信しました。ただし、Y 軸のベースラインは移動しませんでした。その結果、ディスプレイの中央に 1 つのトレースが表示され、各アンテナから 1 つずつ、わずかに離れた 2 つの点滅が表示されました。2 つの点滅の相対的な長さを比較することで、オペレーターはどちらのアンテナがターゲットにより近い位置にあるかを判断し、点滅の長さが等しくなるまでアンテナを回転させ続けることができました。[ 24 ]
RAFの空中システムは、機体全体を移動させることでアンテナを移動させた。GLの場合、回転キャビンを使用することで方位角を既に移動させることができた。垂直ペアの上部アンテナは、はしご状の延長部に沿って上下に移動させることができ、ローブパターンがシフトすることで高度角を測定できるようになった。[ 24 ]
Mk. II で対処されたもう 1 つの問題は、信号が広すぎてディスプレイに複数の航空機が表示されることでした。これは、2 つ目の送信アンテナ システムを追加することで解決されました。1 つは水平方向のアンテナの広がりがかなり狭く、送信は Mk. I の 20 度とほぼ同じになりました。もう 1 つははるかに広いアンテナ アレイを備えており、パターンを狭めて個々のターゲットをはるかに簡単に識別できるようにしました。広パターン アンテナは最初の捜索中に使用され、ターゲットが選択されるとスイッチが切り替えられて送信が狭いビームに切り替わりました。両方のアンテナが 1 つのキャビンに統合されていることを示す画像が存在します。[ 24 ]
Mk. IIには、シンプルながら効果的な校正装置も追加されました。これは、仰角制御装置に接続され、キャビン外に伸びるシャフトです。校正を行うには、仰角ハンドルをゼロに回し、シャフトに接続された望遠鏡を水平線に向けます。次に、気球を上昇させてレーダーで追跡し、望遠鏡を通して補正値を読み取ります。[ 44 ]
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