二戰(zhàn)期間的電子對抗（17）——頻譜中的指南針

馬巖

第二次世界大戰(zhàn)中，無線電已被交戰(zhàn)各國廣泛使用，對信號源進行測向定位的技術(shù)也迅速發(fā)展起來。而且，隨著各國軍隊機械化程度的提高，傳統(tǒng)導航的效率、精度和有效距離都已無法滿足軍事活動的要求，無線電技術(shù)也當仁不讓地進入了導航領(lǐng)域。今天，我們就來看一看二戰(zhàn)期間無線電測向與導航的發(fā)展。

基本技術(shù)的演進

早在1888年，著名科學家海因里?！ず掌澰谧C實電磁波存在的一系列實驗中便使用了環(huán)狀天線。在實驗中，環(huán)狀天線展示出了與偶極子天線完全相反的方向特性，當環(huán)狀面與電波平行時，天線接收到的信號最強，而環(huán)狀面與電波垂直時，天線接收到的信號強度為0。

20世紀初，人們開始利用環(huán)狀天線的方向特性來為輻射源定位。早期的無線電發(fā)射機大多工作在中長波段，由于較長的波長與大地的耦合作用小，非常適于遠距離傳播，所以在1900～1910年間，長波信號測向是無線電研究的主要項目之一。同時，天線的效率還取決于尺寸大小與工作波長的關(guān)系。絕大多數(shù)天線的長度至少要達到波長的四分之一，在實際應(yīng)用中，尺寸達到二分之一波長的“半波偶極子”非常常見。而要在長波波段“吃得開”，環(huán)狀天線的直徑往往很大，通常還要用多個環(huán)相連接來增強信號。

早期的測向系統(tǒng)采用了一個可以旋轉(zhuǎn)的環(huán)狀天線，操作手首先將接收機調(diào)諧到一個已知的無線電發(fā)射臺，而后旋轉(zhuǎn)天線直到信號消失，此時天線與發(fā)射機的方向垂直，但只靠一次測向無法確定發(fā)射機在天線的哪一邊，所以操作手需要進行多次測向或依靠其它導航信息來確定發(fā)射機的方位。

1909年，埃托雷·貝里尼和亞歷山德羅·托西的一項發(fā)明讓無線電測向技術(shù)又前進了關(guān)鍵的一步?！柏惱锬?托西”或稱“B-T”測向儀使用了兩個垂直放置的三角環(huán)狀天線。天線接收到的信號被傳送到纏繞在木質(zhì)框架上的線圈中，在這個易拉罐大小的框架中，信號被原樣“重建”，安裝在這里的一個獨立的環(huán)狀天線對重建的信號進行測向。在這個精妙的設(shè)計中，由于主天線無需轉(zhuǎn)動，測向裝置的實用性大大提高，很快就在航海導航中推廣開來。

早期無線電測向儀主要和長波信號打交道，然而，同樣的技術(shù)用在更高頻率時卻遇到了意想不到的問題。拿短波來說，它能夠被電離層反射，所以短波不會像中長波那樣老老實實地貼著地面?zhèn)鞑?，接收機收到的信號可能是自輻射源直線傳來的，也有可能是經(jīng)過電離層反射了一次甚至多次的，這給判定來波方向帶來巨大的麻煩。解決這一問題的是1919年誕生的愛德考克天線，它采用了4根天線，只接收地波，濾除了來自電離層反射的天波，這讓高頻無線電測向成為了可能。

戰(zhàn)功赫赫的高頻測向

“哈夫-達夫”（Huff-Duff）測向儀是二戰(zhàn)中英國皇家海軍廣泛使用的一種無線電測向系統(tǒng)，它的名字來源于高頻無線電測向（HF/DF）的代號。1926年，后來成為英國雷達研究領(lǐng)軍人物的沃森·瓦特發(fā)表了一篇關(guān)于雷暴預(yù)警系統(tǒng)的論文，該系統(tǒng)利用無線電測向原理定位閃電產(chǎn)生的電磁波來判定雷暴的位置。盡管論文是公開發(fā)表的，但似乎并未引起其他國家的注意，這項技術(shù)得以在秘密狀態(tài)下繼續(xù)朝測向和導航領(lǐng)域發(fā)展。隨著各項配套技術(shù)的不斷成熟，終于在1930年代末形成了“哈夫-達夫”的雛形。

大戰(zhàn)爆發(fā)前，為了應(yīng)對德軍轟炸機的威脅，英國在不列顛群島緊急部署了“本土鏈”雷達系統(tǒng)。為盡可能增加預(yù)警時間，“本土鏈”雷達全部位于沿海地區(qū)，波束面向歐洲大陸，這意味著英國內(nèi)陸地區(qū)沒有雷達覆蓋，只有依靠新成立的觀察部隊對內(nèi)陸空域進行目視搜索。面對大規(guī)?？找u，目視跟蹤還將就頂事，但要引導機體更小、飛得更高的戰(zhàn)斗機就力不從心了。為解決這個問題，1937年夏，戰(zhàn)斗機司令部司令休·道丁要求每個防區(qū)都要有3個“哈夫-達夫”測向站對戰(zhàn)斗機上的無線電進行三角定位。但由于“哈夫-達夫”的關(guān)鍵部件之一——陰極射線管的產(chǎn)能不足，所以直到1937年末，29個防區(qū)中只有5個完成了測向站的部署。1938年，皇家空軍不得不采購一批機械版的“B-T”無線電測向儀來應(yīng)急，等到陰極射線管供應(yīng)到位后，再升級為“哈夫-達夫”。為了便于被“哈夫-達夫”測向，每個戰(zhàn)斗機小隊還裝備有2部“皮普-斯格維克”發(fā)射機，這種以2個漫畫形象命名的發(fā)射機每分鐘會發(fā)射時長14秒的1千赫茲連續(xù)音頻信號，由于發(fā)射時間足夠長，且人耳對1千赫茲的聲音非常敏感，讓“哈夫-達夫”操作手的測向效率大為提高，同時還順帶起到了敵我識別器的作用。1940年初，戰(zhàn)斗機司令部的防區(qū)已全部完成了“哈夫-達夫”測向站的部署，為不列顛空戰(zhàn)提供了有力保障。

在大西洋戰(zhàn)役的尋獵德軍U型潛艇的行動中，“哈夫-達夫”也發(fā)揮了重要作用。在“哈夫·達夫”問世之前，普遍應(yīng)用的測向方法需要操作人員監(jiān)聽來自目標船只的無線電信號，并小心翼翼地調(diào)節(jié)一個精密的撥盤來確定目標與監(jiān)聽站的方位角。當被測信號是莫爾斯碼或斷續(xù)的信號時，這一過程將會更加艱難。所以，這種測向方法通常需要信號至少持續(xù)1分鐘才能奏效，如果時間不夠，測出的角度值就會有較大誤差。因此，為了使發(fā)報時間最小化，減少潛艇暴露的可能，德國海軍首先將常規(guī)報文壓縮為短編碼，再通過恩尼格瑪加密后快速發(fā)出。一名熟練的德國海軍報務(wù)員拍發(fā)一份典型的短編碼報文大約需要20秒鐘，使用傳統(tǒng)方法對其測向定位非常困難。然而，“哈夫-達夫”可以直接在陰極射線管上顯示方位角數(shù)值，操作手不再需要調(diào)節(jié)刻度盤就可以方便地讀取，測向時間可控制在數(shù)秒之內(nèi)，讓德軍的短時編碼毫無作用。

皇家海軍的“哈夫-達夫”測向站最初部署在不列顛群島和北大西洋沿岸，在實戰(zhàn)中的的測向距離令英國人十分滿意，但美中不足的是測向精度仍相對較低。1944年，英軍建立了以5個岸臺為一組的定位群，以5個測向站的測量數(shù)據(jù)相平均的方法提高測量精度。在英國本土有4個這樣的定位群，在冰島、加拿大和牙買加建立定位群的工作也列入日程。后來，更嚴謹?shù)慕y(tǒng)計學算法代替了簡單取平均值的方式，操作手需要將方位角讀數(shù)進行分級，將相對可靠的數(shù)據(jù)賦予高權(quán)重代入計算。

1942年，隨著陰極射線管產(chǎn)量和可用性的提高，“哈夫-達夫”擺脫了此前生產(chǎn)數(shù)量的限制。同時，投入生產(chǎn)的改進型產(chǎn)品還裝備了可以自動掃描目標頻段的連續(xù)調(diào)諧馬達，當偵測到信號時能夠立即報警，操作手就可以趕在信號消失前進行快速微調(diào)，進一步提高了測向速度。改進型“哈夫-達夫”被安裝在了護航艦艇上，當?shù)萝姖撏П粶y向之后，英軍會派遣獵潛艇和飛機對該方向進行搜索，并使用雷達和聲吶進一步確定潛艇的位置。

直到1944年，德軍才發(fā)覺即使發(fā)送短代碼也不能逃脫“哈夫-達夫”的測向，隨即開始了“信使”猝發(fā)通信系統(tǒng)的研究?！靶攀埂笨梢詫笪牡陌l(fā)送時間壓縮至454毫秒以內(nèi)，極為短促的信號讓盟軍完全無法截獲、破譯和測向。但是，正如納粹許多劃時代的“黑科技”一樣，“信使”直到戰(zhàn)爭結(jié)束也未投入使用，讓“哈夫-達夫”得以繼續(xù)發(fā)揮作用。據(jù)統(tǒng)計，在二戰(zhàn)中被擊沉的U型潛艇總數(shù)中，有24%要歸功于“哈夫-達夫”測向系統(tǒng)。

信標——電磁空間中的燈塔

利用傳統(tǒng)導航技術(shù)確定自身位置通常采取這樣的方法：首先在航圖上找到一個已知的地標或燈塔，然后再用光學測量儀器測出該地標與真北/磁北方向的夾角，由此可以在航圖上畫出一條經(jīng)過該地標的直線，而后再尋找另一個地標重復以上過程，得到另一條直線，而測量者自身就處于兩線的交叉點上。雖然測出2個地標的方位角就可以確定自身位置，但為了提高精度，往往在實際運用時會選擇3個以上間隔一定角度的地標。

雖然上述方法十分簡單可靠，但不難看出，能見度是傳統(tǒng)導航方法的重要制約因素。為了克服天氣影響，無線電測向技術(shù)被引入，傳統(tǒng)航標被無線電發(fā)射臺取代，稱為“信標”，而光學測角儀被無線電測向儀取代。雖然技術(shù)改變了，但所用的基本原理并沒有變，只不過是將原先的實地測量轉(zhuǎn)移到電磁空間中而已。

使用無線電測向進行導航在二戰(zhàn)中應(yīng)用頗為廣泛，在許多飛機背部或機身下部都可以見到的環(huán)形測向天線就是一個很好的例證。早期的測向天線需要用搖把搖動，飛行員或領(lǐng)航員通過聽辨信標信號來尋找“零點”，40年代后出現(xiàn)了電動旋轉(zhuǎn)的自動測向儀和可以顯示信標與機身相對角度的無線電羅盤，讓導航變得更加精確和輕松。飛行員只要選擇幾個信標臺，并使飛機與之保持相應(yīng)角度，就能夠按照預(yù)定航線順利飛抵目的地，為遠程飛行提供了可靠的保障。

在使用測向儀進行導航時，不僅可以選擇專用無線電信標，還可以選擇其它位置已知的大功率發(fā)射臺或民用廣播電臺進行測向。為防范德軍飛機以BBC廣播電臺作為導航信標，早在正式宣戰(zhàn)前的幾個月，英國廣播公司就制定了相關(guān)預(yù)案，在戰(zhàn)爭爆發(fā)后，英國境內(nèi)的所有廣播電臺都調(diào)諧到了同一個頻率上，讓敵人無法對指定的電臺進行測向。

對英空襲期間，德國人在其本土、挪威和法國設(shè)置了80個中長波信標臺，而每天最多啟用其中的12個，其余作為備用。每個信標都有獨立的頻率和呼號，至于當天啟用哪些信標，只有德國人自己知道。要干擾這些信標臺，可以選擇兩種方法：一是使用寬頻段大功率干擾機將這些信標覆蓋，但英國國內(nèi)的大功率發(fā)射機數(shù)量稀缺，即使將國內(nèi)所有符合要求的電臺改作此用，仍然需要4～6周時間才能做好準備，況且，即使大功率干擾臺成功啟用，德軍也有可能很快就會摸清干擾機的精確位置，反將其作為信標為其導航，精度則比使用歐陸的小功率信標臺更高；另一種方法是使用小電臺將收到的德國信標信號重復發(fā)射出去，將其“偽裝”得與德國信標一模一樣，讓德軍飛機無法辨認接收到的信號究竟是來自真實信標還是干擾機。相比之下，第二種方法的優(yōu)勢顯而易見，英國只需要設(shè)置30個左右的偽信標就足夠了，德國也不大可能同時啟用更多數(shù)量的信標臺，因為那樣會讓自己的飛行員也弄不清楚，而且，這種方法對于德國間諜在英國境內(nèi)設(shè)置的秘密無線電信標同樣有效。1940年7月，由英國郵政總局設(shè)計的信標干擾機開始部署，很快就給來襲德軍飛機的導航帶來了麻煩，甚至于有些飛機會誤降在英國機場。1941年7月和10月，英國的偽信標分別成功“誘騙”1架Ju-88和1架Do-217，這兩架完好無損的德軍先進機型成為了皇家空軍絕佳的研究對象。

使用簡便的逆向測向

由于用無線電測向法來導航定位需要安裝專用的設(shè)備和天線系統(tǒng)，而且天線還要盡可能大些才能保證精度，往往在小型車輛或單座飛機上很難找到足夠的空間。因此，人們又將旋轉(zhuǎn)天線系統(tǒng)搬回了地面，變成了“逆向測向”的方法。當?shù)孛嬲镜奶炀€旋轉(zhuǎn)至一定角度時（通常是正北），發(fā)射機會以莫爾斯碼廣播臺站識別字母，這樣接收者就可以確認自己正在收聽的臺站是否正確。接下來，隨著天線的旋轉(zhuǎn)，接收者會聽到信號的峰值和零點，根據(jù)環(huán)形天線的特性，峰值應(yīng)當在天線環(huán)面的切線方向，也就是“順”著天線的方向，而零點應(yīng)在天線環(huán)面的法線方向，也就是“迎面”方向。最后，用聽到莫爾斯碼和峰值/零點的時間差，乘以天線旋轉(zhuǎn)的角速度，就可以算出地面站的方位角。逆向測向?qū)碗s性集中在地面站，而對于使用者來說，除一部普通的無線電接收機外無需安裝其它專用設(shè)備。

第一個采用逆向測向方法的無線電導航系統(tǒng)是德國的“德律風根羅盤發(fā)射機”，只不過它所使用的是一系列呈倒“V”字形架設(shè)的雙極天線。16條這樣的天線圍成一圈，形成了一個倒扣的傘形，并按照次序逐條進行發(fā)射。這樣一來，雖然這些天線本身固定不動，但空間中形成的波束是旋轉(zhuǎn)的。在1907至1909年，德國建設(shè)了2個“德律風根羅盤發(fā)射機”，供齊柏林飛艇在英吉利海峽和北海上空導航使用。

1929年，英國也部署了首套逆向測向?qū)Ш较到y(tǒng)，并依據(jù)部署地點將其命名為“奧福德岬旋轉(zhuǎn)無線信標”，簡稱“奧福德岬信標”。奧福德岬信標臺以288.5千赫茲的頻率發(fā)射調(diào)幅連續(xù)波信號。信標臺巨大的環(huán)形天線以每分鐘1圈的速度旋轉(zhuǎn)，當天線旋至北方時，會以摩爾斯碼發(fā)射臺站識別字母“V”，然后恢復發(fā)射連續(xù)信號。導航的過程十分簡單，操作人員只要將電臺調(diào)諧到288.5千赫，然后等待“V”字的播放，當“V”出現(xiàn)時按下秒表開始計時，當信號消失時再次按下秒表停止計時，讀出所用的時間，再乘以6（每秒旋轉(zhuǎn)的角度）就得到了接收機和信標臺的方位角。有趣的是，奧福德岬信標每工作5分鐘就要休息5分鐘，所以英國在法恩伯勒建設(shè)了第二個同型信標臺，頻率相同，識別字母為“G”，兩個信標臺以5分鐘為周期輪換工作。奧福德岬信標的有效距離達到185千米，最高精度為1度。

1938年，德國洛倫茲公司的電子專家克萊默博士發(fā)明了“厄勒克特拉”多向信標，并以此為基礎(chǔ)在二戰(zhàn)初期研制出了“太陽”（sonne）通用導航系統(tǒng)。“太陽”也沒有使用可旋轉(zhuǎn)的環(huán)形天線，而是使用了3座呈直線排列的天線塔，相鄰天線的間距為1千米，精心設(shè)計的饋電方式令其波束圖猶如花瓣一般。巧妙的信號調(diào)制方式讓“太陽”的波束以30秒為周期緩緩轉(zhuǎn)動，導航員只需要數(shù)清聽到的莫爾斯碼“點”或“劃”的數(shù)量即可算出方位角。后來，還出現(xiàn)了匯有不同地區(qū)“點”“劃”數(shù)量的專用導航圖，導航員甚至無需計算就可直接從圖上讀出與某個導航臺的方位角數(shù)值。

從1940年開始，德國在西班牙、挪威、荷蘭、法國等地區(qū)建設(shè)了18座“太陽”導航臺，在大西洋區(qū)域為德軍飛機和潛艇提供導航服務(wù)?！疤枴钡墓ぷ黝l率為300千赫茲，有效距離遠達1 800千米，精度可以達到0.25度。即使在今天看來，這樣的精度也不算低了。

1943年，英國發(fā)現(xiàn)了德國在西班牙北部部署的一座“太陽”導航臺，并對其進行了航拍，計算出了它的發(fā)射特性。1944年，德國U-505號潛艇被美國海軍俘獲，盟軍隨即掌握了包括“太陽”導航臺在內(nèi)的一系列絕密資料。適逢英國的“前進”導航系統(tǒng)由于作用距離短，無法有效覆蓋北海海域，而大西洋的布雷和反潛任務(wù)都急需高精度導航，英國人正在為此發(fā)愁。而“太陽”對使用者來說是一個完全開放的系統(tǒng)，只需要一部普通的無線電接收機和一個會算數(shù)的導航員就夠了，這讓英國人大喜過望，毫不見外地將“太陽”導航臺改了個名字叫“康索爾”（consol，意為“被照耀”），直接為己所用。英國?？哲妼Α翱邓鳡枴焙喼笔且灰娙绻剩接迷胶糜?，越用越愛用，以至于對其產(chǎn)生了嚴重的依賴性，甚至當西班牙的一座導航臺因缺少零件而中斷發(fā)射時，英國的電子專家把皇家空軍的備用件調(diào)撥出來，讓這座導航臺恢復了工作。即使在二戰(zhàn)結(jié)束之后，英國仍然樂此不疲地使用著“太陽”的后裔“康索爾”，一直到1991年才最終停用。