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马岩 第二次世界大战中，无线电已被交战各国广泛使用，对信号源进行测向定位的技术也迅速发展起来。而且，随着各国军队机械化程度的提高，传统导航的效率、精度和有效距离都已无法满足军事活动的要求，无线电技术也当仁不让地进入了导航领域。今天，我们就来看一看二战期间无线电测向与导航的发展。
基本技术的演进 早在1888年，著名科学家海因里希·赫兹在证实电磁波存在的一系列实验中便使用了环状天线。在实验中，环状天线展示出了与偶极子天线完全相反的方向特性，当环状面与电波平行时，天线接收到的信号最强，而环状面与电波垂直时，天线接收到的信号强度为0。 20世纪初，人们开始利用环状天线的方向特性来为辐射源定位。早期的无线电发射机大多工作在中长波段，由于较长的波长与大地的耦合作用小，非常适于远距离传播，所以在1900～1910年间，长波信号测向是无线电研究的主要项目之一。同时，天线的效率还取决于尺寸大小与工作波长的关系。绝大多数天线的长度至少要达到波长的四分之一，在实际应用中，尺寸达到二分之一波长的“半波偶极子”非常常见。而要在长波波段“吃得开”，环状天线的直径往往很大，通常还要用多个环相连接来增强信号。
早期的测向系统采用了一个可以旋转的环状天线，操作手首先将接收机调谐到一个已知的无线电发射台，而后旋转天线直到信号消失，此时天线与发射机的方向垂直，但只靠一次测向无法确定发射机在天线的哪一边，所以操作手需要进行多次测向或依靠其它导航信息来确定发射机的方位。 1909年，埃托雷·贝里尼和亚历山德罗·托西的一项发明让无线电测向技术又前进了关键的一步。“贝里尼-托西”或称“B-T”测向仪使用了两个垂直放置的三角环状天线。天线接收到的信号被传送到缠绕在木质框架上的线圈中，在这个易拉罐大小的框架中，信号被原样“重建”，安装在这里的一个独立的环状天线对重建的信号进行测向。在这个精妙的设计中，由于主天线无需转动，测向装置的实用性大大提高，很快就在航海导航中推广开来。 早期无线电测向仪主要和长波信号打交道，然而，同样的技术用在更高频率时却遇到了意想不到的问题。拿短波来说，它能够被电离层反射，所以短波不会像中长波那样老老实实地贴着地面传播，接收机收到的信号可能是自辐射源直线传来的，也有可能是经过电离层反射了一次甚至多次的，这给判定来波方向带来巨大的麻烦。解决这一问题的是1919年诞生的爱德考克天线，它采用了4根天线，只接收地波，滤除了来自电离层反射的天波，这让高频无线电测向成为了可能。 战功赫赫的高频测向 “哈夫-达夫”（Huff-Duff）测向仪是二战中英国皇家海军广泛使用的一种无线电测向系统，它的名字来源于高频无线电测向（HF/DF）的代号。1926年，后来成为英国雷达研究领军人物的沃森·瓦特发表了一篇关于雷暴预警系统的论文，该系统利用无线电测向原理定位闪电产生的电磁波来判定雷暴的位置。尽管论文是公开发表的，但似乎并未引起其他国家的注意，这项技术得以在秘密状态下继续朝测向和导航领域发展。随着各项配套技术的不断成熟，终于在1930年代末形成了“哈夫-达夫”的雏形。
大战爆发前，为了应对德军轰炸机的威胁，英国在不列颠群岛紧急部署了“本土链”雷达系统。为尽可能增加预警时间，“本土链”雷达全部位于沿海地区，波束面向欧洲大陆，这意味着英国内陆地区没有雷达覆盖，只有依靠新成立的观察部队对内陆空域进行目视搜索。面对大规模空袭，目视跟踪还将就顶事，但要引导机体更小、飞得更高的战斗机就力不从心了。为解决这个问题，1937年夏，战斗机司令部司令休·道丁要求每个防区都要有3个“哈夫-达夫”测向站对战斗机上的无线电进行三角定位。但由于“哈夫-达夫”的关键部件之一——阴极射线管的产能不足，所以直到1937年末，29个防区中只有5个完成了测向站的部署。1938年，皇家空军不得不采购一批机械版的“B-T”无线电测向仪来应急，等到阴极射线管供应到位后，再升级为“哈夫-达夫”。为了便于被“哈夫-达夫”测向，每个战斗机小队还装备有2部“皮普-斯格维克”发射机，这种以2个漫画形象命名的发射机每分钟会发射时长14秒的1千赫兹连续音频信号，由于发射时间足够长，且人耳对1千赫兹的声音非常敏感，让“哈夫-达夫”操作手的测向效率大为提高，同时还顺带起到了敌我识别器的作用。1940年初，战斗机司令部的防区已全部完成了“哈夫-达夫”测向站的部署，为不列颠空战提供了有力保障。
在大西洋战役的寻猎德军U型潜艇的行动中，“哈夫-达夫”也发挥了重要作用。在“哈夫·达夫”问世之前，普遍应用的测向方法需要操作人员监听来自目标船只的无线电信号，并小心翼翼地调节一个精密的拨盘来确定目标与监听站的方位角。当被测信号是莫尔斯码或断续的信号时，这一过程将会更加艰难。所以，这种测向方法通常需要信号至少持续1分钟才能奏效，如果时间不够，测出的角度值就会有较大误差。因此，为了使发报时间最小化，减少潜艇暴露的可能，德国海军首先将常规报文压缩为短编码，再通过恩尼格玛加密后快速发出。一名熟练的德国海军报务员拍发一份典型的短编码报文大约需要20秒钟，使用传统方法对其测向定位非常困难。然而，“哈夫-达夫”可以直接在阴极射线管上显示方位角数值，操作手不再需要调节刻度盘就可以方便地读取，测向时间可控制在数秒之内，让德军的短时编码毫无作用。 皇家海军的“哈夫-达夫”测向站最初部署在不列颠群岛和北大西洋沿岸，在实战中的的测向距离令英国人十分满意，但美中不足的是测向精度仍相对较低。1944年，英军建立了以5个岸台为一组的定位群，以5个测向站的测量数据相平均的方法提高测量精度。在英国本土有4个这样的定位群，在冰岛、加拿大和牙买加建立定位群的工作也列入日程。后来，更严谨的统计学算法代替了简单取平均值的方式，操作手需要将方位角读数进行分级，将相对可靠的数据赋予高权重代入计算。 1942年，随着阴极射线管产量和可用性的提高，“哈夫-达夫”摆脱了此前生产数量的限制。同时，投入生产的改进型产品还装备了可以自动扫描目标频段的连续调谐马达，当侦测到信号时能够立即报警，操作手就可以赶在信号消失前进行快速微调，进一步提高了测向速度。改进型“哈夫-达夫”被安装在了护航舰艇上，当德军潜艇被测向之后，英军会派遣猎潜艇和飞机对该方向进行搜索，并使用雷达和声呐进一步确定潜艇的位置。
直到1944年，德军才发觉即使发送短代码也不能逃脱“哈夫-达夫”的测向，随即开始了“信使”猝发通信系统的研究。“信使”可以将报文的发送时间压缩至454毫秒以内，极为短促的信号让盟军完全无法截获、破译和测向。但是，正如纳粹许多划时代的“黑科技”一样，“信使”直到战争结束也未投入使用，让“哈夫-达夫”得以继续发挥作用。据统计，在二战中被击沉的U型潜艇总数中，有24%要归功于“哈夫-达夫”测向系统。 信标——电磁空间中的灯塔 利用传统导航技术确定自身位置通常采取这样的方法：首先在航图上找到一个已知的地标或灯塔，然后再用光学测量仪器测出该地标与真北/磁北方向的夹角，由此可以在航图上画出一条经过该地标的直线，而后再寻找另一个地标重复以上过程，得到另一条直线，而测量者自身就处于两线的交叉点上。虽然测出2个地标的方位角就可以确定自身位置，但为了提高精度，往往在实际运用时会选择3个以上间隔一定角度的地标。 虽然上述方法十分简单可靠，但不难看出，能见度是传统导航方法的重要制约因素。为了克服天气影响，无线电测向技术被引入，传统航标被无线电发射台取代，称为“信标”，而光学测角仪被无线电测向仪取代。虽然技术改变了，但所用的基本原理并没有变，只不过是将原先的实地测量转移到电磁空间中而已。
使用无线电测向进行导航在二战中应用颇为广泛，在许多飞机背部或机身下部都可以见到的环形测向天线就是一个很好的例证。早期的测向天线需要用摇把摇动，飞行员或领航员通过听辨信标信号来寻找“零点”，40年代后出现了电动旋转的自动测向仪和可以显示信标与机身相对角度的无线电罗盘，让导航变得更加精确和轻松。飞行员只要选择几个信标台，并使飞机与之保持相应角度，就能够按照预定航线顺利飞抵目的地，为远程飞行提供了可靠的保障。 在使用测向仪进行导航时，不仅可以选择专用无线电信标，还可以选择其它位置已知的大功率发射台或民用广播电台进行测向。为防范德军飞机以BBC广播电台作为导航信标，早在正式宣战前的几个月，英国广播公司就制定了相关预案，在战争爆发后，英国境内的所有广播电台都调谐到了同一个频率上，让敌人无法对指定的电台进行测向。 对英空袭期间，德国人在其本土、挪威和法国设置了80个中长波信标台，而每天最多启用其中的12个，其余作为备用。每个信标都有独立的频率和呼号，至于当天启用哪些信标，只有德国人自己知道。要干扰这些信标台，可以选择两种方法：一是使用宽频段大功率干扰机将这些信标覆盖，但英国国内的大功率发射机数量稀缺，即使将国内所有符合要求的电台改作此用，仍然需要4～6周时间才能做好准备，况且，即使大功率干扰台成功启用，德军也有可能很快就会摸清干扰机的精确位置，反将其作为信标为其导航，精度则比使用欧陆的小功率信标台更高；另一种方法是使用小电台将收到的德国信标信号重复发射出去，将其“伪装”得与德国信标一模一样，让德军飞机无法辨认接收到的信号究竟是来自真实信标还是干扰机。相比之下，第二种方法的优势显而易见，英国只需要设置30个左右的伪信标就足够了，德国也不大可能同时启用更多数量的信标台，因为那样会让自己的飞行员也弄不清楚，而且，这种方法对于德国间谍在英国境内设置的秘密无线电信标同样有效。1940年7月，由英国邮政总局设计的信标干扰机开始部署，很快就给来袭德军飞机的导航带来了麻烦，甚至于有些飞机会误降在英国机场。1941年7月和10月，英国的伪信标分别成功“诱骗”1架Ju-88和1架Do-217，这两架完好无损的德军先进机型成为了皇家空军绝佳的研究对象。 使用简便的逆向测向
由于用无线电测向法来导航定位需要安装专用的设备和天线系统，而且天线还要尽可能大些才能保证精度，往往在小型车辆或单座飞机上很难找到足够的空间。因此，人们又将旋转天线系统搬回了地面，变成了“逆向测向”的方法。当地面站的天线旋转至一定角度时（通常是正北），发射机会以莫尔斯码广播台站识别字母，这样接收者就可以确认自己正在收听的台站是否正确。接下来，随着天线的旋转，接收者会听到信号的峰值和零点，根据环形天线的特性，峰值应当在天线环面的切线方向，也就是“顺”着天线的方向，而零点应在天线环面的法线方向，也就是“迎面”方向。最后，用听到莫尔斯码和峰值/零点的时间差，乘以天线旋转的角速度，就可以算出地面站的方位角。逆向测向将复杂性集中在地面站，而对于使用者来说，除一部普通的无线电接收机外无需安装其它专用设备。 第一个采用逆向测向方法的无线电导航系统是德国的“德律风根罗盘发射机”，只不过它所使用的是一系列呈倒“V”字形架设的双极天线。16条这样的天线围成一圈，形成了一个倒扣的伞形，并按照次序逐条进行发射。这样一来，虽然这些天线本身固定不动，但空间中形成的波束是旋转的。在1907至1909年，德国建设了2个“德律风根罗盘发射机”，供齐柏林飞艇在英吉利海峡和北海上空导航使用。 1929年，英国也部署了首套逆向测向导航系统，并依据部署地点将其命名为“奥福德岬旋转无线信标”，简称“奥福德岬信标”。奥福德岬信标台以288.5千赫兹的频率发射调幅连续波信号。信标台巨大的环形天线以每分钟1圈的速度旋转，当天线旋至北方时，会以摩尔斯码发射台站识别字母“V”，然后恢复发射连续信号。导航的过程十分简单，操作人员只要将电台调谐到288.5千赫，然后等待“V”字的播放，当“V”出现时按下秒表开始计时，当信号消失时再次按下秒表停止计时，读出所用的时间，再乘以6（每秒旋转的角度）就得到了接收机和信标台的方位角。有趣的是，奥福德岬信标每工作5分钟就要休息5分钟，所以英国在法恩伯勒建设了第二个同型信标台，频率相同，识别字母为“G”，两个信标台以5分钟为周期轮换工作。奥福德岬信标的有效距离达到185千米，最高精度为1度。
1938年，德国洛伦兹公司的电子专家克莱默博士发明了“厄勒克特拉”多向信标，并以此为基础在二战初期研制出了“太阳”（sonne）通用导航系统。“太阳”也没有使用可旋转的环形天线，而是使用了3座呈直线排列的天线塔，相邻天线的间距为1千米，精心设计的馈电方式令其波束图犹如花瓣一般。巧妙的信号调制方式让“太阳”的波束以30秒为周期缓缓转动，导航员只需要数清听到的莫尔斯码“点”或“划”的数量即可算出方位角。后来，还出现了汇有不同地区“点”“划”数量的专用导航图，导航员甚至无需计算就可直接从图上读出与某个导航台的方位角数值。 从1940年开始，德国在西班牙、挪威、荷兰、法国等地区建设了18座“太阳”导航台，在大西洋区域为德军飞机和潜艇提供导航服务。“太阳”的工作频率为300千赫兹，有效距离远达1 800千米，精度可以达到0.25度。即使在今天看来，这样的精度也不算低了。 1943年，英国发现了德国在西班牙北部部署的一座“太阳”导航台，并对其进行了航拍，计算出了它的发射特性。1944年，德国U-505号潜艇被美国海军俘获，盟军随即掌握了包括“太阳”导航台在内的一系列绝密资料。适逢英国的“前进”导航系统由于作用距离短，无法有效覆盖北海海域，而大西洋的布雷和反潜任务都急需高精度导航，英国人正在为此发愁。而“太阳”对使用者来说是一个完全开放的系统，只需要一部普通的无线电接收机和一个会算数的导航员就够了，这让英国人大喜过望，毫不见外地将“太阳”导航台改了个名字叫“康索尔”（consol，意为“被照耀”），直接为己所用。英国海空军对“康索尔”简直是一见如故，越用越好用，越用越爱用，以至于对其产生了严重的依赖性，甚至当西班牙的一座导航台因缺少零件而中断发射时，英国的电子专家把皇家空军的备用件调拨出来，让这座导航台恢复了工作。即使在二战结束之后，英国仍然乐此不疲地使用着“太阳”的后裔“康索尔”，一直到1991年才最终停用。
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