高周波方向探知

高周波方向探知機は、通常、略称HF/DFまたは愛称ハフダフで知られ、第二次世界大戦で導入された無線方向探知機(RDF)の一種です。高周波(HF) とは、 U ボートと陸上本部の間など、長距離を効果的に通信できる無線帯域を指します。HF/DF は主に敵の無線を捕捉するために使用されていましたが、航行補助として友軍の航空機の位置を特定するためにも使用されました。この基本技術は、信号諜報の基本分野の 1 つとして今でも使用されていますが、通常はスタンドアロン システムではなく、より大規模な無線システムとレーダーのスイートに組み込まれています。

以前の RDF システムでは、オペレーターはループ アンテナまたはソレノイドを機械的に回転させて信号のピークまたはゼロを聞き、送信機の方位を判定していました。これには 1 分以上というかなりの時間がかかりました。無線オペレーターはメッセージを短くすることで位置特定を回避できました。HF/DF システムでは、アンテナのセットがわずかに異なる場所または角度で信号を受信し、その結果生じる信号のわずかな違いを使用してオシロスコープディスプレイに方位を表示します。このプロセスは基本的に瞬時に行われるため、U ボート艦隊からの信号など、最も短い信号でもキャッチできます。

このシステムは、もともとロバート・ワトソン・ワットが1926年に雷の位置を特定するシステムとして開発を始めた。諜報活動での役割は1930年代後半まで発展しなかった。戦争初期には、HF/DFユニットの需要が非常に高く、その配布をめぐっては軍の間でかなりの競争があった。初期には、イギリス空軍戦闘機司令部がダウディング迎撃制御システムの一部として使用し、地上ユニットは海軍本部がUボートの位置を特定するための情報収集にも広く使用された。1942年から1944年にかけて、小型ユニットが広く普及し、イギリス海軍の艦艇に一般的に装備された。戦争中に撃沈されたUボートの24%はHF/DFによるものと推定されている。^[1]

この基本概念は、陰極線方向探知（CRDF）^{[2] 、} ツインパスDF ^[1]、発明者にちなんでワトソンワットDF、またはアンテナを考慮したアドコック/ワトソンワットなど、いくつかの別名でも知られています。^[3]

無線方向探知は、第一次世界大戦以前から広く使用されていた技術で、海軍と航空航行の両方に使用されていました。基本的な概念はループアンテナを使用していました。ループアンテナの最も基本的な形は、検出する信号の周波数範囲によって円周が決まる、単純な円形のワイヤループです。ループが信号に対して直角に配置される場合、ループの 2 つの半分の信号が打ち消され、「ヌル」と呼ばれる突然の出力低下が発生します。

初期の DF システムでは、機械的に回転できるループ アンテナが使用されていました。オペレーターは既知のラジオ局にチューニングし、信号が消えるまでアンテナを回転させます。つまり、アンテナは放送局に対して直角になりますが、アンテナのどちら側にあってもかまいません。このような測定を数回行うか、または他の形式のナビゲーション情報を使用してあいまいな方向の 1 つを排除することで、放送局の 方位を判定できます。

1907 年、エットーレ・ベリーニとアレッサンドロ・トージによって、いくつかの設定で DF システムを大幅に簡素化する改良が導入されました。単一のループ アンテナが、直角に配置された 2 つのアンテナに置き換えられました。それぞれの出力は、独自のループ ワイヤ (このシステムでは「フィールド コイル」と呼ばれます) に送られました。このようなコイルは、アンテナごとに 1 つずつ、2 つが直角に近接して配置されています。2 つのアンテナからの信号は、コイル間の空間に磁場を生成し、回転ソレノイド ( 「サーチ コイル」)によって受信されました。最大の信号は、サーチ コイルがフィールド コイルからの磁場と一直線になったときに生成されました。磁場は、アンテナに対する信号の角度と一致していました。これにより、アンテナを移動する必要がなくなりました。ベリーニ - トージ方向探知機(BT) は船舶で広く使用されていましたが、航空機では、通常より小さいため、回転ループが引き続き使用されていました。^[4]

これらの装置はすべて、操作に時間がかかります。通常、無線オペレーターは、まず、DF アンテナまたは別の無指向性アンテナを使用して、従来の無線チューナーを使用して問題の信号を探します。チューニングが完了すると、オペレーターはアンテナまたはゴニオメーターを回転させて、信号のピークまたはヌルを探します。コントロールをすばやく回転させることにより、大まかな位置を見つけることができますが、より正確な測定を行うには、オペレーターは動きを徐々に小さくして「探す」必要があります。モールス信号などの周期的な信号や、受信範囲外の信号の場合、これは困難なプロセスです。1 分程度の修正時間が一般的に引用されました。^[4]

BT システムを自動化する作業は、第二次世界大戦の開戦直前に、特に米国のITT 社のフランス支社で働いていたフランス人エンジニアのモーリス・デロレイン氏とアンリ・ビュジニエ氏によって行われました。彼らのシステムは、サーチコイルと同期して回転する円形の表示カードを電動化しました。表示カードのランプはゴニオメーターの出力に接続されており、正しい方向にあるときはいつでも点滅しました。約 120 RPM で高速回転すると、点滅は方向を示す 1 つの (移動する) 点に融合しました。チームはフランス事務所でのすべての作業内容を破棄し、ドイツ侵攻の直前の 1940 年にフランスを離れ、米国で開発を続けました。^[5]

雷が無線信号を発することは以前から知られていた。信号は多くの周波数に広がっているが、特に長波スペクトルで強く、これは長距離海軍通信の主要な無線周波数の 1 つであった。ロバート・ワトソン・ワットは、これらの無線信号の測定が雷雨を追跡し、パイロットや船舶に有用な長距離警報を提供するために使用できることを実証した。いくつかの実験では、彼は 2,500 キロメートル (1,600 マイル) 離れたアフリカ上空の雷雨を検出することができた。^[6]

落雷の持続時間は非常に短かったため、ループアンテナを使用する従来のRDFシステムでは、落雷が消える前に方位を特定できませんでした。 ^[7]特定できたのは、多くの落雷の信号を組み込んで、長期間にわたって最良の信号を生成する平均的な位置だけでした。^[6] 1916年にワットは、機械システムの代わりにブラウン管（CRT）を指示要素として使用できると提案しましたが、^[8]これをテストする能力はありませんでした。

ワットはアルダーショットにあるイギリス空軍 気象局に勤務していたが、1924年にその場所をイギリス空軍の他の部隊が使用できるように返還することを決定した。1924年7月、ワットはスラウ近郊のディットンパークの新しい場所に移転した。この場所にはすでに国立物理学研究所(NPL) 無線部門の研究施設があった。ワットは大気部門に所属し、大気中を伝搬する無線信号の基礎研究を行い、一方NPLは現場での電界強度測定と方向探知の調査に携わっていた。NPLはこれらの研究で使用された2つの装置、アドコックアンテナと現代のオシロスコープを所有しており、これらはハフダフの開発に不可欠であることが証明された。^[6]

アドコックアンテナは、電気的に接続された 4 本のモノポールマストを直角に配置された 2 つの仮想ループアンテナとして配置したものです。2 つの仮想ループで受信した信号を比較することで、既存の RDF 技術を使用して信号の方向を判断できます。研究者は 1919 年にこのアンテナを設置しましたが、より小さな設計を優先して放置していました。これらのアンテナは、スラウ地域の電気特性によりパフォーマンスが非常に低く、信号が直線で受信されているのか、空から下がっているのかを判断するのが困難であることがわかりました。スミス ローズとバーフィールドは、水平成分がなく「空波」をフィルタリングするアドコックアンテナに再び注目しました。一連の追加実験で、彼らは国中の送信機の位置を正確に特定することができました。^[9]

ワットは、個々の落雷の位置を捉えたいという願望を持ち続け、それがハフダフの基本システムの最終的な大きな発展につながった。研究所はベル研究所から、接続が簡単で持続性蛍光体を備えた WE-224 オシロスコープを最近入手したばかりだった。ジョック・ハードと協力して、1926 年にワットはアンテナの 2 つのアームにそれぞれ増幅器を追加し、その信号をオシロスコープの X チャネルと Y チャネルに送信した。期待どおり、無線信号は画面上に落雷の方向を示すパターンを生成し、減衰の遅い蛍光体により、表示が消える前にオペレーターは十分な時間で測定することができた。^{[6] [7]}

ワットとハードは1926年にこのシステムに関する詳細な論文を書き、このシステムを「瞬間直読式ラジオゴニオメーター」と呼び、0.001秒ほどの短い信号の方向を判定するのに使用できると述べました。^[10]この論文ではこの装置について詳細に説明し、無線による方向探知とナビゲーションを改善するためにこの装置をどのように使用できるかを説明しています。この公開デモンストレーションや、雷の位置特定に使用されている様子を映した映画があったにもかかわらず、このコンセプトは英国以外では知られていなかったようです。このため、秘密裏に実用的な形に開発することができました。

バトル・オブ・ブリテンの前にチェーンホーム（CH）レーダーシステムを設置するための急ピッチな作業中、CHステーションは、警報時間を最大化するために、できるだけ前方の海岸線に沿って配置されました。これは、イギリス諸島の内陸部にはレーダーが届かず、この地域の目視による追跡は観測隊（後の王立観測隊）に頼らざるを得なかったことを意味します。観測隊は大規模な襲撃に関する情報を提供できましたが、戦闘機は小さすぎて高度が高すぎたため、正確に識別できませんでした。ダウディング航空管制システム全体が地上の指示に依存していたため、自軍の戦闘機の位置を特定する何らかの解決策が必要でした。^[11]

この問題の適切な解決法は、戦闘機の無線を受信するためのハフダフ局の使用だった。戦闘機中隊を統括する各セクター管制所にはハフダフ受信機が装備されており、約30マイル（48 km）離れた遠隔地には他の2つのサブステーションも設置されていた。これらのステーションは戦闘機からの放送を聞き、角度を比較して三角測量により位置を割り出し、その情報を管制室に中継した。^[12]観測隊から報告された敵の位置とハフダフシステムからの戦闘機の位置を比較することで、セクター司令官は敵を迎撃するよう戦闘機に容易に指示を出すことができた。

このプロセスを支援するために、一部の戦闘機に「ピップスクイーク」と呼ばれるシステムが搭載されました。これは、少なくともセクションごとに 2 つ (飛行隊ごとに最大 4 つのセクション) 搭載されています。ピップスクイークは、1 分ごとに 14 秒間、一定の音を自動的に送信し、無謀なオペレーターが信号を追跡するのに十分な時間を提供します。このシステムには、DF 信号を放送している間、航空機の無線が占有されるという欠点がありました。^{[引用が必要]}

DF セットの必要性は非常に深刻で、当初航空省はイギリス空軍戦闘機司令部の司令官ヒュー・ダウディングが要求した数を供給することができませんでした。1938 年の模擬戦闘でこのシステムが非常に有用であることが実証されたため、航空省はBellini-Tosiシステムを提供し、CRT バージョンをできるだけ早く置き換えることを約束しました。これは現場で、既存のアンテナを新しい受信機に接続するだけで実現できました。1940 年までにこれらは戦闘機司令部の 29 の「セクター」すべてに設置され、戦いに勝利したシステムの主要部分となりました。

ソナー（「ASDIC」）、ドイツの暗号解読による情報、レーダーとともに、「ハフダフ」は、大西洋の戦いでドイツのUボートや通商破壊船を発見するための連合国の武器庫の貴重な部分でした。

ドイツ海軍は、無線方向探知機を使って、海上でメッセージを送信している自国の船舶の位置を特定できることを知っていた。そのため、彼らは定型メッセージを短いメッセージに変換するシステムを開発した。その結果得られた「短信号」は、セキュリティのためにエニグマ機で暗号化され、高速で送信された。熟練した無線通信士は、典型的なメッセージを送信するのに約20秒かかるかもしれない。^[13]当時ドイツが知っていた唯一のシステムであるBTシステムを英国が使用していた場合、そのような送信の位置を特定するにはかなりの幸運が必要だっただろう。これらのメッセージは、簡単に測定できるほど長すぎた。

当初、英国の探知システムはイギリス諸島と北大西洋の多数の沿岸局で構成され、これらの局が連携して迎撃を行い位置を特定していた。大西洋のUボートの位置を特定するために必要な沿岸DF局からの距離は非常に大きく、DFの精度は比較的非効率的だったため、位置特定はそれほど正確ではなかった。1944年に海軍情報部は新しい戦略を開発し、沿岸DF局5局の地域グループを構築し、5局の各局からの方位を平均してより信頼性の高い方位を得ることができるようにした。英国では、エセックスのフォードエンド、ファイフのアンストラザー、スコットランド高地のバウアー、コーンウォールのグーンハーバーンの4つのグループが設置された。アイスランド、ノバスコシア、ジャマイカにも他のグループが設置される予定だった。^[14]単純な平均化は効果がないことがわかり、後に統計的手法が使用された。オペレーターは、読み取り値の信頼性を評価することも求められ、信頼性の低い読み取り値や変動の大きい読み取り値は、安定して明確に見える読み取り値よりも重視されなくなりました。これらのDFグループのいくつかは、複合信号機構の一部として1970年代まで存続しました。^[15]

陸上のシステムが使用されたのは、主に上部構造が到着する無線信号の波面に与える影響により、船舶での操作に深刻な技術的問題があったためである。これらの問題は、海軍本部通信局で働いていたポーランド人技術者、ヴァツワフ・ストルシンスキの技術的リーダーシップの下で克服された。 ^[16]船舶が装備されると、これらの影響を判断するために複雑な一連の測定が実行され、さまざまな周波数で必要な修正を示すカードがオペレーターに提供された。 1942年までに、ブラウン管の入手性が向上し、製造できるハフダフセットの数に制限がなくなった。同時に、連続モーター駆動チューニングを含む改良されたセットが導入され、可能性のある周波数をスキャンし、送信が検出されると自動的にアラームを鳴らした。オペレーターは、信号が消える前に迅速に微調整することができた。これらのセットは船団護衛に搭載され、レーダーの範囲外の地平線の向こうから送信しているUボートの位置を特定できるようにした。これにより、Uボートの方向にハンターキラー船や航空機を高速で派遣することが可能となり、Uボートがまだ水上にいる場合はレーダーで、潜水している場合はASDICで位置を特定することが可能になった。

1944年8月から、ドイツは、454ミリ秒以内のバーストでクルツシグナル全体を送信するクリエールシステムの開発に取り組んでいたが、このシステムは戦争の終わりまでに運用開始されなかった。これは、位置を特定したり、傍受して解読したりするには短すぎる454ミリ秒以内のバーストであった。

ハフダフ システムの基本概念は、2 つのアンテナからの信号をオシロスコープの X チャンネルと Y チャンネルに送信することです。通常、Y チャンネルは地上局の北/南を表します。または、船の場合は船の前方/後方の方向と一致します。したがって、X チャンネルは東/西、または左舷/右舷を表します。

オシロスコープのディスプレイ上の点の偏向は、無線信号の瞬間的な位相と強度を直接示しています。無線信号は波で構成されているため、信号の位相は非常に急速に変化します。1 つのチャネル、たとえば Y で受信した信号について考えると、点は上下に非常に速く移動するため、ディスプレイの中心から等距離に伸びる垂直の直線のように見えます。2 番目のチャネルを追加し、同じ信号に合わせると、点は X 方向と Y 方向の両方に同時に移動し、線は斜めになります。ただし、無線信号には有限の波長があるため、アンテナ ループを通過するときに、アンテナの各部分に出会う相対位相が変わります。これにより、線は相対位相に応じて楕円またはリサージュ曲線に偏向します。曲線は、その長軸が信号の方位に沿うように回転します。北東方向の信号の場合、結果はディスプレイ上の45/225度の線に沿った楕円になります。^[17]ディスプレイが描画されている間に位相が変化するため、結果として表示される形状には「ぼやけ」が含まれており、これを考慮する必要がありました。^[18]

楕円はディスプレイの中心点の両側で同じ長さなので、信号が北東か南西かを判断するという問題が残る。この問題を解決するために、別のアンテナ「センス アンテナ」がこのミックスに追加されました。これはループから波長の約半分離れた固定距離に配置された全方向性アンテナです。この信号がミックスされると、このアンテナからの逆位相信号は、位相がセンス アンテナの方向にあるときに信号を強く抑制します。この信号はオシロスコープの輝度チャンネル、つまり Z 軸に送信され、信号が位相外れになるとディスプレイが消えます。センス アンテナをループの 1 つ、たとえば北/南チャンネルに接続すると、ディスプレイの下半分にあるときにディスプレイが強く抑制され、信号が北のどこかにあることを示します。この時点で、唯一の可能な方位は北東です。^[19]

アンテナで受信される信号は非常に小さく、高周波であるため、最初に 2 つの同一の無線受信機で個別に増幅されます。このためには、2 つの受信機のバランスが非常によくとれていなければなりません。そうしないと、片方がもう片方よりも増幅して出力信号が変わることがあります。たとえば、南北アンテナの増幅器のゲインがわずかに高い場合、点は 45 度の線に沿って移動するのではなく、おそらく 30 度の線に沿って移動するでしょう。2 つの増幅器のバランスをとるために、ほとんどのセットアップには、既知の方向性テスト信号を生成する「テスト ループ」が含まれていました。^[20]

船上システムの場合、船の上部構造が深刻な干渉の原因となり、特に位相が乱れ、信号がさまざまな金属障害物の周りを移動するため、干渉が起こりやすくなりました。これに対処するため、船を停泊させ、2隻目の船が約1マイル離れたところからテスト信号を放送し、その結果得られた信号を校正シートに記録しました。放送船は別の場所に移動し、校正を繰り返しました。校正は波長や方向によって異なり、船ごとにシート一式を作成するのには多大な労力が必要でした。^[21]

海軍のユニット、特に一般的な HF4 セットには、角度を測定するのに役立つ線が付いた回転するプラスチック プレート (「カーソル」) が含まれていました。楕円の先端がディスプレイの端に届かなかったり、端からはみ出したりした場合は、測定が困難になることがあります。カーソルを両端のピークに合わせると、測定が簡単になります。カーソルの両側にあるハッシュ マークを使用して、ディスプレイの幅を測定し、それを使用してぼかしの量を決定します。

• RAFTER作戦– スーパーヘテロダイン無線受信機が特定の周波数を聞いていることを遠隔で確認する
• ウレンウェーバー- 「象の檻」
• Yサービス

• ビーズリー、パトリック（1978年）。『Very Special Intelligence: The story of the Admiralty's Operational Intelligence Center in World War II』Spere。ISBN 978-0-7221-1539-8。
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• ウィリアムズ、キャスリーン・ブルーム（1996-10-01）。「秘密兵器：大西洋の戦いにおける米国の高周波方向探知」海軍研究所出版。ISBN 978-1-55750-935-2。

• HF/DF - イギリス海軍高周波無線方向探知装置、第二次世界大戦
• ハフダフシミュレーターのデモ