A második világégés fejlesztései

Az első világháború tanulságai ellenére a II. világháború elején szinte csak Németországnak volt komolyabb rádiós navigációs rendszere. Példának okáért az amerikai bombázókon egy buborékot helyeztek el a gép felső részén, ahonnan szextáns segítségével nyugodt (?) körülmények között lehetséges volt a helyzetmeghatározás.

Plexi ’buborék’ egy B-17-es bombázó orrának tetején, közvetlenül a navigátor állása felett,
a navigátor ez alól jó kilátást kapott a szextáns használatához

A németek a Lorenz-rendszert aztán bevetették a Nagy-Britannia elleni légi hadjáratban, mikor a nappali bombázások már túl veszélyesé kezdtek válni. Az éjszakai bombázásoknál viszont a navigáció problémás volt, erre jelentett megoldást a Knickebein-rendszer, ami alapvetően a Lorenz-rendszerre épült, de két nagy teljesítményű, igen szűk sugárban adó antennát használtak, a bombázó gépek az első irányadó antennák vonalában közelítették meg a célpontot, amelyet a célpont felett keresztezte egy másik adó jele. Mikor az két adó által sugárzott jelek teljesen együtt álltak, pont a célpont felett jártak. Noha már ez a megoldás is viszonylag korrekten meghatározhatta a bombavetés helyét, azért még korántsem volt tökéletes.

A Knickebein alkalmazása Birmingham éjszakai bombázásakor

A Knickebein-rendszerről a britek úgy szereztek tudomást, hogy egyfelől egy lelőtt Luftwaffe bombázóban feltűnő volt, hogy mennyire precízre volt kihegyezve a Lorenz-rendszer érzékelője, illetve hadifogságba esett pilóták utaltak a rendszer létezésére. Azonban a híreket szkepticizmussal fogadták, mivel úgy vélték, hogy ilyen nagy távolságban a Föld görbülete miatt nem működhet egy rádió navigációs rendszer (érdekes, hogy nem vették figyelembe a repülési magasságot, mert kellő magasságból ráláthatott a gép a jeladóra). A bizonyításhoz egy rádióamatőr vevőt szereltek egy Avro Avson gépbe, és a személyzetnek csak annyit mondtak, hogy keressenek Lorenz-rendszer mintákat, hozzávetőleg a 30 MHz-es hullámhosszon. A személyzetnek nem okozott gondot megtalálni a jelet, sőt, még azt is kisilabizálták, hogy Derby városa felett, pont a Royce-Rolls gyára felett (ahol a Merlin motorokat gyártották akkoriban) keresztezik egymást.

Ez vezetett a ’Jelek csatájáig’ (Battle of the Beams), amelynél a britek nekiálltak a németek által használt frekvenciákon fals a jeleket adni, például folyamatosan ’pontokat’, amivel először csak megnehezítették a pontos navigációt, de később már gondosan kimérve irányították a jeleket, és elérték azt, hogy a német gépek oda dobják bombáikat, ahova ők szerették volna.

A fals jelek használata további nem várt eredményeket is hozott: a német pilóták annyira megbíztak a rendszerben, hogy teljesen erre hagyatkoztak navigáció terén, így sok gép konkrétan eltévedt a visszavezető úton.

A tökéletesítés az X-Gerät (~ X-eszköz) képében jött, ahol három keresztirányú jeladó volt, az elsőt cirka 30 km-re a célponttól ’kapta el’ a bombázógép, és ez még csak a felkészülést hozta, a rádióoperátor ekkor kapcsolta be a bombázó rendszert, a második mintegy 10, a harmadik pedig már csak 5 km-re volt a célpozíciótól. Ezek a jelek az X-Gerät távolságmérő rendszerét aktiválták: a rendszer akkor kapcsolt be, amikor a második jelet érzékelte, és elkezdett egy óraszerkezet számolni, mikor a harmadikat, akkor pedig az óraszerkezet elindult visszafelé. Mivel a a második és a harmadik, illetve a harmadik és a célpont között ugyan akkora volt a távolság, így amikor a bombavetési pozícióba került a gép, akkor automatikusan dobták is a bombákat. Mivel azonban ez a rendszer sokkal bonyolultabb volt, mint elődje, ezért csak speciális, gyújtó és fényjelző bombákkal felszerelt He-111-esek kapták meg őket. Ők jelölték meg a célpontot, amit aztán a többi bombázó már jól láthatott szabad szemmel, és ide vetették a saját bombáikat.

Az X-Gerät működési elve, a négy rádiónyalábot négy német folyóról nevezték el
(Weser, Elba, Odera és Rajna)

Az X-Gerät sokkal bonyolultabb volt, mint elődje, így feltörni is nehezebb volt. Ebben ismét nagy segítség volt, hogy az egyik első X-Gerättel felszerelt német bombázó lezuhant a brit partok mentén, és sikerült a roncsból megszerezni az irányítórendszert. A 66,9-75 MHz-en működő rendszert a britek először rossz frekvencián próbálták zavarni, ezért a Coventry elleni bombázást már nem tudták megakadályozni. Pár nappal később már idő előtt sikerült aktiválni a rendszert, így valamivel hamarabb dobta le a célmegjelölő bombázó a gyújtóbombáit. Később már a Weser jeladó jelét kezdték el zavarni, így oldalirányban is sikerült félrevezetni a német bombázókat.

A németek válasza az Y-Gerät (~ Y-eszköz), vagy más néven Wotan kifejlesztése volt, amelyről a britek az Enigma-rejtjelek feltörésével szereztek tudomást. Wotan a német-skandináv mitológiában Wodenként vagy Odinként is ismert istenség, akinek csak egy szeme van. Innen kikövetkeztették, hogy a németek mindössze egy jeladóval akarták megoldani a bombázóik irányítását. A rendszer leegyszerűsítve úgy működött, hogy a bombázógép irányában egy jelet adtak le a földi irányító központból, amit a bombázó rendszere egyből vissza is küldött. A fáziseltolódásból meg tudták állapítani a távolságát a földi rádióadótól, illetve az adás irányát is megtudták, ez alapján pedig utasíthatták a bombázót az irányváltoztatásra, illetve a bombák ledobására. A németek szerencsétlenségére a 45Mhz-es frekvenciát választották a rendszer működésére, és a britek pont ezt a frekvenciát használták az éppen nem üzemelő BBC TV adásokhoz, vagyis kéznél volt egy kellően erős és jól működő adójuk. Innen már nem volt más dolguk, mint amikor a bombázó a válaszjelet küldte, az érzékelt jelet a TV adó is megismételte. A jelet az elején még gyenge energiával adták csak, így nem derült ki a németek számára, hogy miért nem kellően pontos a rendszerük – majd az elkövetkező estéken egyre erősebben és erősebben jött már a fals jel, mire ráeszméltek, hogy a bolondját járatják velük.

A Luftwaffét annyira lesújtotta a Wotan kudarca, hogy ezek után több rádiós irányítású éjszakai bombázást már nem is vezényeltek. Igaz, ekkoriban már a náci hadigépezet éppen kelet fele robogott…

A csatorna túloldalán is dolgoztak a nagy távolságú navigáció problémáján, és ezt az úgynevezett hiperbolikus navigációval kívánták megoldani. Ennek lényege, hogy két adótoronyból érkező jelet figyeltek, és a két jel beérkezése közötti különbség alapján meg tudták határozni, hogy milyen messze vannak azoktól. A késleltetési időket előre fel lehetett rajzolni egy térképre, amiből a rádiónavigáció kezelője bejelölve meg tudta mondani, hol is helyezkednek el.

Az adótornyok legyenek például 300 km egymástól, nevezzünk ki egyet vezértoronynak (ez a Master), akinek a jelét amikor a többi adótorony (akik a szolgák, vagyis Slave) észlelve leadja a saját jelét is. Ez ugye azt jelenti, hogy a Master jeladó „mellett”, 300 km-mel lévő első torony 1 ms-mal később adja le a saját jelét. Mivel akkoriban az időmérés még korántsem volt olyan pontos, mint ami az atomórák megjelenése után elképzelhető, így nem az eltelt időt figyelték, hanem egy katódsugárcsöves oszcilloszkóp képernyőjén a két jel közötti távolságot, amiből a két jel közötti időeltolódást meg lehet mérni. Tegyük fel, a két jel között van 0,5 ms, ez még nem sokat segít, hiszen a 0,5 és az 1 ms vagy a 0,3 és a 0,8 ms között is ugyanennyi az időeltérés. Ám ha a térképünkön folyamatosan követjük az eltérést, akkor már tudjuk követni az útvonalunkat, és így meg tudjuk határozni a pozíciónkat.

Gee térkép diagram a helyzet megállapításához, a piros szín az A (’Master’), a zöld a B és a lila a C ’Slave’ adóra vonatkozó értékeket mutatta

Ez volt a Gee rendszer működési elve, amely 1942-ben állt rendszerbe, eredetileg a bombázógépek és felderítőgépek navigációs eszközeként, a 20-30 MHz-es frekvenciát használva. Eközben a tengeren túl, az Egyesült Államokban egy hasonló rendszert fejlesztettek, ez volt a Project 3, ám a program viszonylag kis prioritással rendelkezett, így amikor az ország belépett a háborúba, és a britek megosztották velük a titkos fejlesztéseiket, rövid úton döntést hoztak arról, hogy a már teljesen gyártásra érett Gee, illetve a menet közben továbbfejlesztett Gee Mk. II rendszert fogják használni. Utóbbiban az oszcillátorokat kicserélve lehetőség volt repülés közben átállni a négy különböző frekvenciasáv között (20-30, 40-50, 50-70 és 70-90 MHz).

A Gee Mk. II egy Lancester bombázó makettben

A Gee-hez több Master-Slave láncot is megépítettek, különböző frekvenciákkal, majd a D-Day után mobil adótorony-láncok is megjelentek, amelyek a pontosabb navigációt tették lehetővé a Németország elleni bombázásokhoz. Ha már itt tartunk, az adótornyokhoz közel mindössze pár száz méteres pontossággal meg lehet határozni a gép helyzetét, de a távolság növekedésével ez egyre növekedett, és csak a nagy-britanniai adótornyokat használva Németország felett már több kilométeres volt a rendszer által nyújtott pozíció szórása.

Az Amerikai Haditengerészet szintén tervezett egy hasonló, de hajóra telepíthető rendszert, amelynek a fejlesztésébe becsatlakozott a Gee fejlesztője, Robert J. Dippy. Neki az első feladata az volt, hogy a rendszert minél nagyobb hatótávra tegye képessé, és úgy, hogy a Gee kijelzőjét használják fel, csak a hozzá kábellel csatlakoztatott vevő egységet kelljen kicserélni. A rendszer az 1,75 és 1,85 MHz-es frekvenciát használta, amelynek a lényege, hogy az ionoszférán visszaverődve a horizonton túl is fogható több száz, de ideális viszonyok között akár kétezer kilométeres távolságból is, ami hatalmas előny még azon az áron is, hogy a pontossága elmaradt a Gee-jétől. A LORAN (LOng RAnge Navigation ~ Nagy Távolságú Navigáció) rendszer adóit gyorsan elkezdték kiépíteni, és 1943 elejére működésbe is lépett az Atlanti-óceánon, nagyban segítve az óceánon átigyekvő hajókonvojokat és repülőgépeket.

A rendszer sajátossága az volt, hogy az ionoszféra éjszaka nyugszik le megfelelően ahhoz, hogy rádiójeleket megfelelően visszaverje, így igazán a naplemente után vált használhatóvá a rendszer. A LORAN először a Atlanti-óceánon kezdett el kiépülni, de az Amerikai Haditengerészet hamarosan a Csendes-óceán minél jobb lefedettségét is elkezdte kiépíteni. A LORAN igen sikeresnek tekinthető, a háború végéig mintegy 75 000 vevőkészüléket gyártottak le, amelyek nagyban hozzájárultak a sokkal pontosabb tengeri navigációhoz.

A LORAN rendszer lefedettsége 1945-ben nappal (világos terület) és éjszaka (lilás árnyalatú terület)

A II. világháború után…

Még 1937-ben elkezdték az Egyesült Államokban egy új rádió alapú rendszer a VOR (VHF Omnidirectional Radio range ~ VHF frekvenciás körsugárzó rádiós irányadó) fejlesztését, amely a jó öreg Telefunken-rendszer elgondolását vitte tovább. VOR adó először is folyamatosan modulált Morze kódot ad, amely az azonosítására szolgál, sokszor pedig egy AM hangsávot is ad, amelyen időjárási információkat adnak folyamatosan. A körkörösen adott jel másik eleme egy 30 Hz-es, minden irányba sugárzott un. referencia-jelből áll. A második jel pedig egy másodpercenként harmincszor körbeforgó jel, amelyet a korai időben mechanikusan forgatott antennával, később pedig elektronikusan kitérített jelekkel oldottak meg. Az irányított jelek esetén az északi irány képviseli a 0°-ot, amelyet a 30 Hz-es jelmaximumán adnak le.

A repülőgépen a két jel fáziseltolódásából meg lehetett állapítani, hogy az adott VOR jeladótól milyen irányban is helyezkedik el. Leegyszerűsítve azt nézik, hogy az irányadó jele referencia jelhez képest mennyivel később érkezik be.

A VOR működési elve, a kék diagram a referencia, a szaggatott piros a beérkezett jel fáziseltolódását mutatja, függően attól, milyen irányban van a gép a VOR irányadótól

A VOR fejlesztését alapvetően a csöves elektronika tette lehetővé, de igazán látványossá az 1960-as években a tranzisztorok, majd a mikrochipek segítségével vált a fejlődés, ahogy a szükséges elektronika egyre kisebb és könnyebb (no meg megbízhatóbb) lett. A VOR ráadásul számtalan lehetőséget is adott, igaz alapvetően a hatótávolsága viszonylag szerény, mintegy 370 km-es volt, de reptereknél kisebb teljesítményű adókkal tovább lehetett a VOR által lefedett zónákat tagolni. A működési frekvencia pedig a 108.0 MHz es 117.95 MHz között lett meghatározva, 50 kHz-es lépesekkel, ami mintegy 160 sávot jelent, így az egymással szomszédos VOR adók nem zavarják egymás működését.

A technológia hátránya volt persze, hogy a pontos helyzet megállapításához még mindig legalább két VOR adó jelét kellett venni. A megoldás Ausztráliából érkezett, ahol az 1940-es évek közepén kezdték el kidolgozni, hogyan is lehetne megállapítani a repülőgép távolságát a repterektől. A teljes megvalósítás és az első rendszer beüzemelése az 1950-es évekig váratott magára, ám aztán gyorsan elterjedt, mint DME (Distance Measuring Equipment ~ Távolságmérő Berendezés). A repülőgép egy megadott pulzus-párt ad le, amelyet a DME egy meghatározott (50 milliomod másodperc) idő múlva pontosan megismétel. A távolságot az adás és a vétel közötti idő pontos mérésével lehet megállapítani, ha például a kettő között 200 milliomod másodperc telik el, akkor ez azt jelenti, hogy 200-50 (a válasz késleltetése) / 2 (az oda-vissza út ugyebár kétszerese a távolságnak, így meg kell felezni) szorozva a fény sebességével. Ez ugyebár 75 milliomod másodperc * 0,3 km, vagyis cirka 22,5 kilométerre vagyunk a DME-től.

Egy VOR/DME antennapáros Hollandiában, levegőből fotózva

Természetesen a VOR és a DME hamar egymásra talált, a DME a párosított VOR-ral azonos morze kódot ad le, így egy rendszerben használva a kettőt már nem csak azt tudjuk, hogy az irányadótól milyen irányba vagyunk, de azt is, hogy milyen messze.

A szárazföld felett tehát a rádiós jeladóknak köszönhetően elkezdett a navigáció jelentős minőségi fejlődésen átesni, persze csak addig, amíg kiépült és jeladókkal jól ellátott vidék felett vitt az út – ha lakatlan vagy fejletlen vidék avagy az óceánok felett, akkor maradt ismét a térkép, iránytű, óra és jó esetben a szextáns. Márpedig a civil repülésben is elkezdtek egyre jobban terjedni a hosszú távú járatok, az adott helyzet megállapítására pedig továbbra is a szextáns és a csillagászati navigáció maradt a legmegbízhatóbb és legáltalánosabb megoldás. Annyit tudtak segíteni a tervezők, hogy integrálták a szextánst a gép tetejében, általában közvetlenül a pilótafülke hátsó részében, hogy a navigációt elősegítsék.

Egy Vickers VC-10 utasszállító pilótafülkéjébe integrált szextáns használat közben

A LORAN rendszer a tengerhajózásban használható volt, de továbbra is csak a bolygó északi féltekén, a Csendes-óceánon és az Atlanti-óceánon kiépített hálózat működött. A LORAN rendszer felügyeletét 1958-ban átadták az Amerikai Parti Őrségnek, és ők átkeresztelték azt Loran-A-ra, míg a fejlesztés alatt álló új rendszerre a Loran-B adták. Utóbbi egy hosszadalmas fejlesztési program vége volt, amely CYCLAN (két (egy 180 és egy 200 Hz-es) vevőegységgel, a két frekvencián eltérő fázist használó, magas fokú automatizáltsággal bíró, analóg számítógépet használó rendszer, amely ugyanakkor túl bonyolult, nehéz és drága volt), majd az ennek egyszerűsített, a fáziszárt hurok elvét használó Cytac rendszeren keresztül vezetett. A Cytac / Loran-B rendszernél a fázisok eltolódásának a problémája azonban megakadályozta, hogy nagy távolságokra megbízható legyen. A megoldás az lett, hogy tovább finomították a fázisok helyzetét (0,180°-ra tértek át a korábbi 45°-os eltolástól), és így jött létre a Loran-C.

Egy AN/SPN-25 Loran-A vevőkészülék

A fő különbség a két rendszer között a felhasználó szempontból az automatizáltság volt, amíg a Loran-A segítségével pár perces művelet volt a helyzet megállapítása, a Loran-C segítségével fél percen belül lehetségessé vált. A Loran rendszer ugyanakkor katonai rendszernek minősült, és csak a Loran-C rendszer megjelenése után kerültek a Loran-A vevők a civil piacra, relatíve olcsón. A Loran-C problémája ellenben a nagy mérete és tömege volt, valamint a vákuumcsöves elektronika karbantartás-igénye. Az 1960-as években a tranzisztoros elektronika segítségével már „csak” 45 kg-os volt az AN/APS-31, ugyanakkor ez még mindig dedikált navigátort igényelt, és csak a Loran-C által lefedett területek működött – nappal az adóláncokhoz közel, éjszaka ezektől távolabb is. A Loran-A/C 1973-ra teljesen nyitott lett a civil használatra is, noha még mindig drágának számított, a tengerhajózásban majdhogynem alapértelmezett lett a használata – egészen addig ugyanis maradt a közvetlen számításos megoldás, illetve a szextáns használata a pontosítás céljából . A hosszú távú repüléseknél is igénytől függően használatba vették, de elterjedni nem terjedt el széleskörűen.

A Loran megnyitása a civil használatra onnan fakadt, hogy a katonai helyzet-meghatározás terén komoly fejlemények zajlottak le az 1950-es és 60-as években. Az első az Inerciális (tehetetlenségi) Navigációs Rendszer, vagyis az INS megjelenése még a II. világháború idején (V2 rakéta), majd annak elterjedése és fejlődése. Ennek elve a jó öreg ’Dead Reckoning’, vagyis a közvetlen számításos navigációra épül – csakhogy egy sor giroszkóp és / vagy gyorsulásmérő segítségével térben képes meghatározni a mozgásban beálló változásokat, és így meghatározni, hogy az adott kiindulási ponttól merre is vagyunk. Ez eddig szépen hangzik, de rögtön két komoly probléma is van vele. Az egyik, hogy nagyon pontosan kell ismernünk, hogy honnan is indulunk, tehát egy külső forrásból (térkép, szextáns, műholdas navigáció, stb.) kell először a pozíciónkat meghatározni. A másik alapvető probléma, hogy az INS bizonyos szintű hibát követhet el, és így a navigáció pontossága romlik, méghozzá az idő előrehaladtával egyre nagyobb mértékben. Egy repülőgépre telepített INS rendszer például egy óra alatt nagyságrendileg 600-900 méteres tévedést követhet el. Éppen emiatt az INS rendszer első sorban kiegészítő navigációs rendszer, ugyanakkor nagyon hasznos például rakéták, robotrepülőgépek, és persze repülőgépek esetében is.

A Concorde 001 inerciális navigációs rendszerének „agya”, középen maga a giroszkóp

Az INS rendszer legnagyobb haszonélvezői persze talán a tengeralattjárók voltak – ők eleve is csak a számított navigációra számíthattak, de az inerciális navigáció egy nagyságrenddel pontosabb térbeli helyzetet tudott meghatározni.

Az INS mellé viszont egy másik rendszer dukál, amivel időről időre ellenőrizni lehet, hogy valóban a megfelelő pozícióban vagyunk, és ha nem, akkor pontosítani kell azt, hogy aztán újra az INS-re támaszkodhassunk. Erre a hidegháborúban különösen a nagy hatótávolságú robotrepülőgépeknél volt igény – úgyhogy kifejlesztésre került egy új rendszer, amely a radar elvét használva a gép alatt elsuhanó táj kontúrjait figyeli, és ez alapján határozza meg, jó úton halad-e. A rendszer korai változatai persze igencsak szenvedtek az elektronika hiányosságaival, magyarul kevés volt a tárhely, és így csak egy-egy referenciapontot tudtak meghatározni, ahol a robotrepülőgép pontosíthatta a helyzetét, majd az INS alapján elindult a következő referenciaponthoz, majd a végén a célpont felé. A TERCOM (Terrain Countur Matching ~ Terepkontúr-párosítás) az egyre fejlődő elektronika és egyre nagyobb felbontású radarok segítségével a mai napig használatos a nagy hatótávolságú robotrepülőgépeknél, mivel zavarni nem lehet (illetve ahhoz nagyon komoly tereprendezésre lenne szükség).

A TERCOM és az utód DSMAC rendszer működési elve. A TERCOM még csak a terep magassági kontúrját tudta megállapítani, a DSMAC már digitális nagy felbontású radarképet vetett össze a memóriájában lévő mintával

A legnagyobb hibája persze a TERCOM rendszernek a rugalmatlansága volt – a korai rendszer gyakorlatilag csak úgy volt működőképes, ha az elejétől a végéig beprogramozzák az egész utat – így viszont az indítóállás pozíciója fix volt. Az 1950-es években készült robotrepülőgépeknél ez még elfogadható hátrány, vagy inkább kompromisszum volt, csakhogy jöttek a ballisztikus rakéták, és a velük felszerelt tengeralattjárók elképzelése, amely gyors megoldást igényeltek.

A ballisztikus rakéták esetében csak egy INS rendszerre volt szükség, amelynek felprogramozása sokkal egyszerűbb volt, mint a robotrepülőgépek TERCOM rendszere. Csakhogy a kiindulási pontot így is minél pontosabban ismerni kellett, bármikor és bárhol, így a Loran-C rendszer sem volt opció. Az Amerikai Haditengerészet ezzel a dilemmával küzdött, mikor váratlan helyről kapott segítséget: az első szovjet műholdtól…

A cikk még nem ért véget, kérlek, lapozz!