Las Estaciones "Y" de interceptación radioeléctrica y radiogoniometría en la Segunda Guerra Mundial

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1. Situación histórica.

En 1938, un año antes del estallido de la Segunda Guerra Mundial, el servicio de inteligencia exterior británico (MI6 o SIS, Secret Intelligence Service) decidió ampliar las capacidades de su Sección VIII, encargada de las comunicaciones. Para cumplir esta tarea, el Almirante Sir Hugh Sinclair, jefe del SIS (cargo conocido popularmente como "C") nombró jefe de dicha sección a Richard Gambier-Parry, que en ese momento ocupada el cargo de gestor de ventas en el Reino Unido de la conocida empresa de comunicaciones norteamericana Philco.

Una de las primeras acciones de Gambier-Parry fue la adquisición de la finca conocida como Bletchey Park, donde se instalaría la "War Station" o estación de guerra central de la Sección VIII y que es mundialmente conocida por alojar las actividades de desciframiento del código alemán Enigma. En esa época, Bletchey Park contaba con su propia estación de radio, denominada "Estación X".

Una vez estalló la Segunda Guerra Mundial, el 1 de septiembre de 1939, los esfuerzos bélicos de Hitler pronto se centraron en dos frentes fundamentales: los ataques directos al Reino Unido, tarea encargada principalmente a las Fuerzas Aéreas (Luftwaffe) y el corte de sus líneas logísticas estratégicas, mediante la interceptación de los convoys marítimos de suministro procedentes de Norteamérica. Esta misión fue encomendada a los submarinos "U-Boat" de la Marina de Guerra Alemana (Kriegsmarine).

Los británicos pronto se encontraron con el gran problema de detectar a tiempo los ataques aéreos de la Luftwaffe y de ubicar en pleno océano Atlántico las posiciones de unos U-Boat cada vez más sofisticados y que se cobraban un número creciente de toneladas de las marinas mercantes aliadas. Como problema adicional, los alemanes utilizaban en sus comunicaciones estratégicas un sistema de cifrado muy robusto para la época, basado en las máquinas "Enigma", que los británicos llevaban tratando de descifrar desde incluso antes de la guerra.

Entre las tareas encomendadas a la Sección VIII del MI6 figuraron [1] el tráfico radio con embajadas y agentes encubiertos por todo el mundo, la gestión de tráfico radio sensible a nivel de mandos estratégicos (Ultra) y la diseminación de propaganda negra mediante radiodifusión, así como las funciones clásicas de la inteligencia de señales (SIGINT, Signals Intelligence): la interceptación de las comunicaciones enemigas (W/I, Wireless Interception) y la radiogoniometría (D/F, Direction Finding).

En el esfuerzo de interceptación de las comunicaciones enemigas también participaron estaciones dependientes de las Fuerzas Armadas Británicas, como es el caso del Grupo B.26 de la RAF [5].

Las estaciones de interceptación fueron bautizadas con el nombre de "Estaciones Y", al ser la letra "Y" deletreada en inglés como "WI", que se corresponde con las siglas de interceptación radioeléctrica (Wireless Intercept), dando lugar genéricamente a lo que se conoce como "Servicio Y".

2. La red de estaciones "Y".

Las estaciones "Y" se dividían en dos grandes tipos. Por un lado, unas estaciones estaban encargadas de determinar la posición de los transmisores enemigos mediante técnicas de radiogoniometría (D/F, direction finding o "Huffduff" en el argot de guerra electrónica). El otro gran grupo de estaciones, que en ocasiones compartían emplazamiento con las primeras, se dedicaba al registro de las transmisiones interceptadas (W/I, Wireless Interception).

Estos registros se facilitaban posteriormente al Mando de Caza de la RAF, al Mando de Costa, al Ministerio del Aire y al Almirantazgo Británico. Los informes llegaban también a la Sección Aérea de la Estación "X", en Bletchley Park.

La pericia de los operadores de las Estaciones "Y" iba mucho más allá del manejo de sus equipos y el registro de las comunicaciones enemigas. Fueron además capaces de identificar pequeñas variaciones en los procedimientos de radio de los diferentes grupos de bombardeo de la Luftwaffe ("footprinting") o incluso de identificar a sus operadores por su forma particular de telegrafiar ("fingerprinting"), permitiendo de esta forma, junto a los datos proporcionados por las estaciones D/F, descubrir el orden de batalla del enemigo y la ubicación de sus bases [3].

2.1. Estaciones de la Sección VIII del MI6.

En torno a Bletchey Park fueron surgiendo estaciones de radio del MI6 en otros emplazamientos como Hanslope Park, Barnes o Funny Neuk. Ya en 1939 se inauguró una nueva estación en Whaddon Hall (SCU1, Special Communications Unit No.1), a donde se trasladaría el cuartel general de la Sección VIII [1].

Otros servicios de escucha:

- BBC Monitoring Service.

- Radio Security Service (RSS-MI8).

2.2. Estaciones de las Fuerzas Armadas.

Antes del comienzo de la Segunda Guerra Mundial, las Fuerzas Armadas Británicas contaban solamente con tres grandes estaciones de interceptación de comunicaciones inalámbricas, ubicadas en Fort Bridgewoods, Flowerdown y Waddington [2], herederas de las estaciones de escucha "Y" empleadas durante la Primera Guerra Mundial. Su objetivo principal era la localización de transmisores ilegales en el Reino Unido. La pequeña estación de Waddington llegó a interceptar transmisiones de bombarderos alemanes realizando ejercicios de entrenamiento incluso antes de que Alemania reconociera que no estaba cumpliendo el punto del Tratado de Versalles que le prohibía la formación de una Fuerza Aérea [3].

Ya entrado el año 1939, la inteligencia de señales (SIGINT) británica se basaba en las estaciones de interceptación de [4] Flowerdown y Scarborough (Armada), Chatham (Ejército de Tierra), la comisaría de policía de Denmark Hill en Londres (agencias MI5 y MI6 del Ministerio de Asuntos Exteriores) y Waddington (Fuerza Aérea).

Poco antes del comienzo de la guerra, el Gobierno Británico también movió parte de su Escuela de Códigos y Cifras (Government Code and Cypher School, GC&CS) a Bletchley Park, emplazamiento que sería uno de los más importantes secretos británicos durante la guerra y que recibió el nombre clave de Estación "X".

La estación del Ejército en Chatham fue la primera en interceptar tráfico Enigma alemán [4]. Poco después, la RAF (Royal Air Force, Fuerza Aérea Británica) decidió construir una estación SIGINT adicional en Chicksands. Tras la invasión alemana de Noruega el 9 de abril de 1940, el tráfico Enigma se incrementó de forma espectacular y el número de estaciones de interceptación resultó a todas luces insuficiente, por lo que se construyeron nuevas en Beaumanor (Ejército), Forest Moor (RAF) y Knockholt (RAF). Posteriormente se construirían más estaciones en Escocia y Gales, hasta completar alrededor de 30 operativas al final de la guerra (fig.1). La red, denominada oficialmente Grupo B.26 del Mando de Bombardeo de la RAF, contaba además con una estación central en la base RAF West Kingsdown, en Hollywood Manor (Kent).

Fig.1. Red de Estaciones "Y" (pulse en la imagen para verla a tamaño completo)

	RAF_Y_Stations_WW2_v1.kmz
	Visualización de las Estaciones "Y" en Google Earth. Los emplazamientos marcados con (*) son inexactos o no se han podido comprobar.

Otras estaciones:

- Capel, Kent [2].
- Estaciones móviles [2].
- Estaciones móviles en el frente, tras la Operación Overlord [2].
- Oriente Medio [2].
- Unidades navales en el Mediterráneo, el Mar de Noruega y el Mar de Barents [2].
- US 124th Signal Radio Intelligence (SRI) company.
- 951st SRI Company Aviation.

3. Receptores.

Inicialmente, los receptores utilizados en las estaciones "Y" eran del tipo National HRO. Así mismo, se aprovecharon las radios capturadas a aeronaves de la Luftwaffe derribadas sobre el espacio aéreo del Reino Unido [4].

En la fase final de la guerra y contando con el apoyo de la compañía inglesa Cable and Wireless Limited, la General Post Office (GPO) y la British Broadcast Corporation (BBC), la RAF desarrolló transmisores de HF de alta potencia para perturbar las comunicaciones del ejército alemán en dicha banda. Estas operaciones se controlaban de forma centralizada desde la estación directora de West Kingsdown.

4. Antenas para interceptación.

Para las tareas de interceptación y escucha de las comunicaciones enemigas se precisaron antenas directivas de banda ancha, por lo que en muchos casos se optó por la utilización de la antena rómbica.

Supongamos que nos ponemos en la piel de un ingeniero británico de la estación "Y" de Cheadle, que ha recibido instrucciones para diseñar una antena que permita interceptar las comunicaciones en HF de varios transmisores alemanes ubicados en Berlín, que utilizan frecuencias comprendidas en el rango 3-20 MHz.

5. Radiogoniometría Adcock/Watson-Watt.

Una de las principales técnicas de radiogoniometría empleadas por las Estaciones "Y" de la RAF se basó en el empleo de arrays de 4 monopolos o dipolos dispuestos de forma ortogonal. Esta técnica fue patentada por el teniente ingeniero inglés Frank Adcock, del No.3 Army Wireless Observation Group, en el año 1919.

5.1. El Array Adcock.

Para explicar esta técnica de radiogoniometría, a continuación se realizarán varias simulaciones de un array Adcock con el programa 4Nec2. El objetivo será determinar la dirección de llegada (DOA, Direction of Arrival) de una señal de radio enemiga que puede estar comprendida entre 2 MHz y 10 MHz.

En un array Adcock, las cuatro antenas se agrupan de dos en dos, disponiéndose cada pareja siguiendo un eje de referencia. Supongamos, por ejemplo, que una de las parejas está dispuesta siguiendo el eje Norte-Sur (eje de ordenadas, Y) y la otra siguiendo el eje Este-Oeste (eje de abscisas, X), tal y como se muestra en la fig.1.

Fig.1.Array Adcock de cuatro monopolos

Para simular el array en el programa 4Nec2, consideraremos monopolos de 1/4 de longitud de onda para una frecuencia de trabajo de 5 MHz. Es decir, cada monopolo tendrá una longitud de 15 metros. Para simplificar el análisis, obviaremos la parte relativa al acoplamiento de las antenas en toda la banda de trabajo.

La separación de las antenas es otro punto importante y deberá ser como máximo igual a la mitad de la longitud de onda de la máxima frecuencia de trabajo. En nuestro ejemplo, el límite viene dado por 10 MHz, con una longitud de onda de 30 metros, por lo que inicialmente dispondremos las antenas de cada pareja con una separación de 15 metros.

Descargar fichero de simulación para 4Nec2: Adcock_4.nec

5.2. Determinación del ángulo de llegada.

Una vez dispuesto el array con cada pareja de antenas siguiendo los ejes N-S y E-W, supongamos que comenzamos a recibir una transmisión de radio enemiga cuyo frente de ondas incide en el array con una dirección de llegada (DOA) desconocida, que necesitamos determinar.

Denominaremos "fi" al ángulo formado por la dirección de propagación del frente de ondas y el eje E-W (eje X en nuestro sistema de referencia). Es decir, "fi" será la DOA que necesitamos determinar.

El frente de ondas llegará en distintos instantes a cada una de las antenas del array, ya que la distancia
recorrida será distinta, tal y como se muestra en la fig.2. Esto implica que cada antena recibirá la señal enemiga con un determinado desfase.

Fig.2.Llegada del frente de ondas al array Adcock

Para facilitar los cálculos, tomaremos la referencia de fases en el origen de coordenadas y nos fijaremos solamente en el primer cuadrante (monopolos N y E). Cada monopolo se ubica a una distancia R del origen de coordenadas.

De acuerdo al esquema mostrado en la fig.2, el frente de ondas que incide en el monopolo N recorre una distancia d1 inferior a la del punto de referencia de fases, mientras que el frente de ondas que incide en el monopolo E recorre una distancia d1+d2 inferior. Conocidas estas distancias, podremos determinar el desfase del frente de ondas en ambos monopolos.

Realizando cálculos trigonométricos, determinamos la distancia d1+d2 [1]:

[1]

De un modo similar, determinamos la distancia d1 [2]:

[2]

Dado que nuestro array es simétrico y siguiendo con la referencia de fases en el origen de coordenadas, en el monopolo S tendremos el mismo desfase que en el monopolo N, pero con valor negativo. Del mismo modo, en el monopolo W tendremos el mismo desfase que en el monopolo E, con valor negativo.

En cada uno de los monopolos, por tanto, el frente de ondas inducirá las siguientes tensiones [3]:

[3]

Siendo m(t) la onda modulada enemiga que se recibe en el array y K el número de onda para la frecuencia de trabajo [4]:

[4]

Esta onda tendrá una polarización lineal que probablemente no sea ni vertical ni horizontal respecto al plano de tierra. Dado que los monopolos de nuestro array están dispuestos de forma perpendicular al plano de tierra, se considera solamente la componente vertical de la onda recibida. La componente horizontal, que podría provocar ...., queda eliminada de esta forma.

Llegados a este punto, la técnica descrita por Adcock para determinar el DOA consiste en restar las señales recibidas por los monopolos de cada pareja. Consideremos en primer lugar la resta de las señales de los monopolos N y S [5]:

[5]

Si ahora utilizamos la siguiente identidad [6]:

[6]

El desarrollo de la resta [5] queda de la siguiente forma [7]:

[7]

Por otro lado, podemos considerar que el número de onda K tendrá un valor muy pequeño para las frecuencias de nuestra banda de trabajo, por lo que finalmente podemos hacer la siguiente aproximación [8]:

[8]

Si ahora consideramos la resta de las señales de los monopolos E y W [9]:

[9]

Utilizando nuevamente la identidad [6], resulta [10]:

[10]

Del mismo modo, teniendo en cuenta el valor pequeño del número de onda K, hacemos la aproximación [11]:

[11]

Para determinar el DOA, bastará con calcular el arcotangente del cociente de ambas diferencias [8, 11], de la siguiente forma [12]:

[12]

5.3. Implementación del método.

Para implementar físicamente el método descrito anteriormente, puede utilizarse un monitor de tubo de rayos catódicos (CRT) del tipo osciloscopio. En este tipo de CRT, la representación de señales en pantalla se controla horizontalmente mediante la aplicación de un campo eléctrico en unas placas situadas a la derecha y a la izquierda del dispositivo y verticalmente mediante otro par de placas ubicadas arriba y abajo.

Previamente demoduladas a través de receptores o de un sólo receptor multicanal, las señales procedentes de los monopolos Norte y Sur se aplican a las placas verticales y las procedentes de los monopolos Este y Oeste a las placas horizontales, como se muestra en la fig.3.

Fig.3.Implementación del método con un CRT

De esta forma, al detectarse una señal de radio enemiga que llega al array con una dirección de llegada
"fi", en el CRT se representaría la recta mostrada en la fig.4.

Fig.4.Representación del DOA en el CRT

Conocida la ubicación geográfica de varios de estos arrays, la posición exacta del transmisor enemigo podría de esta forma determinarse de forma colaborativa entre varias estaciones, mediante triangulación.

5.4. Resolución de ambigüedades.

El diagrama de radiación resultante de restar las tensiones inducidas en dos monopolos tiene forma de ocho, tal y como se muestra en la fig.5.

Para realizar la simulación del diagrama en 4Nec2, se ha considerado una fuente conectada al monopolo N y otra fuente conectada al monopolo S, desfasada 180 grados respecto a la primera. De esta forma, se consigue simular la resta de ambas señales.

Fig.5.Diagrama de radiación de una pareja de monopolos Adcock

El problema que se presenta, siguiendo el mismo ejemplo anterior, es que una señal que llegue al array con el mismo ángulo pero desde el tercer cuadrante (desde el SW) en lugar que desde el primero (desde el NE), generaría exactamente la misma recta en el CRT. La misma ambigüedad existiría entre señales que lleguen con el mismo ángulo a través de los cuadrantes segundo y cuarto.

Existen varios métodos para solucionar el problema de la ambigüedad. Uno de los más comunes es añadir una cuarta antena, que denominaremos monopolo sensor, justo en el centro del array Adcock. La señal de esta antena adicional se puede utilizar para modular el canal de intensidad del CRT, haciendo que se represente solamente la mitad de la recta correspondiente al cuadrante por el que llega la señal. La disposición del array sería la mostrada en la fig.6.

Fig.6.Array Adcock de cuatro elementos con monopolo sensor

El nuevo monopolo sensor se ubica precisamente en la referencia de fases que hemos utilizado en nuestro análisis (fig.2). Para explicar el funcionamiento del conjunto, consideremos como ejemplo las dos siguientes señales enemigas que llegan al array:

1) Señal sinusoidal de 5 MHz que llega por el cuadrante NE con DOA = 60º (Azimut = 30º).
2) Señal sinusoidal de 5 MHz que llega por el cuadrante SW con DOA = 240º (Azimut = 210º).

Siendo en ambos casos el número de onda [13]:

[13]

Estas dos señales generarían exactamente la misma recta en el CRT con el sistema de cuatro monopolos, es decir, estaríamos en un caso de ambigüedad.

Veamos qué sucede al añadir el monopolo sensor.

De acuerdo a [2], calculamos la distancia d1 [14]. Recordemos que los monopolos del ejemplo tienen una separación de 15 m entre sí, luego R = 7,5 m:

[14]

Conocida esta distancia, el desfase en el monopolo N es [15]:

[15]

Del mismo modo y de acuerdo a [1], el desfase en el monopolo S será de -0,679631 rad.

Consideremos ahora la señal resta de los monopolos N-S, descrita en [5]. Si el frente de onda está llegando por el cuadrante 1 (NE), tras los procesos de demodulación tendremos unas señales como las mostradas en la fig.7.

Fig.7.Diferencia de señales N-S y señal en el monopolo sensor (DOA=60º).

Si además desfasamos 90 grados la señal recibida por el monopolo sensor, tendremos las señales mostradas en la fig.8. Obsérvese que, con esta modificación, los pasos de ambas señales por el nivel de tensión nulo se producen de forma simultánea.

Fig.8.Diferencia de señales N-S y señal en el monopolo sensor desfasada 90º (DOA=60º).

Consideramos ahora la otra señal que llega en la misma dirección pero sentido opuesto, a través del cuadrante 3 (SW). Al utilizar el monopolo sensor con su señal desfasada 90º, tendremos las señales mostradas en la fig.9.

Fig.9.Diferencia de señales N-S y señal en el monopolo sensor desfasada 90º (DOA=240º).

Los resultados serían similares si comparamos señales que lleguen con los mismos ángulos pero a través de los cuadrantes NW y SE.

Analizando ambos resultados (figs. 8 y 9), observamos que podemos utilizar la señal del monopolo sensor para controlar la representación de la recta en el CRT. Si utilizamos los semiciclos positivos (tensión positiva) para habilitar la representación en el CRT y los semiciclos negativos (tensión negativa) para inhabilitarla, se darán los dos siguientes casos:

1) Si la señal llega por el cuadrante NE o por el cuadrante NW, la tensión aplicada al eje Y del CRT será siempre positiva y por lo tanto solamente se representará la parte de la recta correspondiente a Y > 0.

2) Si la señal llega por el cuadrante SE o por el cuadrante SW, la tensión aplicada al eje Y del CRT será siempre negativa y por lo tanto solamente se representará la parte de la recta correspondiente a Y < 0.

De esta forma, queda completamente resuelta la ambigüedad y se determina un único DOA.

El sistema completo tendría el diagrama de bloques funcional que se muestra en la fig.10.

6. Receptores.

7. Operaciones más significativas.

Algunas secciones de Bletchley Park llegaron a gestionar hasta 2000 mensajes al día, en el periodo más intenso de la guerra [3]. Los mensajes interceptados estaban en texto plano o cifrados con distinto grado de robustez, desde el simple cifrado de mensajes meteorológicos hasta el muy robusto cifrado Enigma, empleando en las comunicaciones estratégicas alemanas.

7.1. La línea Kammhuber.

Hasta el año 1942, el ejército alemán solamente disponía de estaciones de radar terrestres, de los tipos Wassermann (largo alcance), Freya (107-158 MHz) y Wurzburg (560 MHz), estas dos últimas agrupadas en estaciones denominadas "Himmelbett", que dieron lugar a la llamada "línea Kammhuber" (en honor al General Josef Kammhuber, a cargo de las operaciones nocturnas de la Luftwaffe), establecida desde Dinamarca hasta Suiza.

En julio de ese mismo año, las estaciones "Y" interceptaron tráfico de cazas nocturnos de la Luftwaffe en el que aparecía la frase "Emil, Emil", seguida de peticiones de vectores de interceptación. Unos dos meses más tarde, se interceptó a una estación de control alemana preguntando a un caza si había detectado correctamente a una aeronave enemiga con su Emil [5], lo que permitió a la RAF deducir que los alemanes estaban utilizando nuevos radares aerotransportados, algo que incrementaba significativamente su rango de interceptación, poniendo en peligro a las oleadas de bombarderos aliadas.

El trabajo de las estaciones "Y" para identificar y localizar a las estaciones de radar enemigas, permitió que el Día D tan sólo 16 de las 92 estaciones "Himmelbett" estuviesen operativas [5].

7.2. El cifrado Enigma.

Otro logro importante de las estaciones "Y" fue su contribución al descrifrado del sistema "Enigma", que los alemanes empleaban para cifrar sus comunicaciones. Las primeras intercepciones de tráfico "Enigma" se realizaron en Chatham y ya en 1940, los criptógrafos británicos consiguieron descrifrar los primeros mensajes, partiendo del trabajo iniciado por criptógrafos polacos varios años antes [3].

7.3. ORBAT y operaciones enemigas.

En el transcurso de la guerra, las estaciones "Y" interceptaron de forma continuada el tráfico de unidades alemanas de bombardeo, reconocimiento, transporte, antibuque y minado. Los mensajes interceptados eran traducidos e interpretados y la información resultante se enviaban al Mando de Caza, al Mando Costero, al Ministerio del Aire y al Almirantazgo Británico para su uso operativo. Tras la entrada de Estados Unidos en la guerra, las Octava Fuerza Aérea (USAAF) también utilizó la inteligencia recopilada por las estaciones "Y" en sus operaciones sobre Europa, entre 1943 y 1945 [6].

Analizando los indicativos de radio alemanes escuchados y determinando la ubicación de sus transmisores a partir del trabajo de las estaciones D/F, fue posible en muchos casos determinar el orden de batalla (ORBAT) de las unidades enemigas. En el caso de la Luftwaffe, las estaciones "Y" eran capaces de detectar a los aviones alemanes prácticamente desde el momento en el que abandonaban sus bases, ofreciendo de esta forma un importante instrumento de alerta temprana.

The Allied Air Commands frequently gave figures for the number of enemy aircraft destroyed due to Y information. Commenting at the end of the war, Allied Air Headquarters said “Figures such as (these), whilst impressive, do not represent the full service to Allied Air Forces, the major contribution being the great economy of effort and the saving of Allied pilots lives which resulted from constant awareness and frequent foreknowledge of the enemy‟s activities.”

7.4. La Batalla del Atlántico.

8. Referencias.

[1] "The Secret Wireless War. The story of MI6 Communications 1939-1945". Geoffrey Pidgeon. Arundel Books (2008). ISBN: 978-09560515-2-3.

[2] "WW2 UK Wireless Intercept Stations".

[3] "Bletchley Park and the RAF Y Service. Some recollections". Arthur Bonsall. Agosto 2008.

[4] "The Birth of SIGINT in Bletchley Park". Toni Sale, Virtual Bletchley Park.

[5] "2003 History Conference - Air War Europe. RAF Bomber Command, “Y” Service (B.26 Group)". Peggy Hill. 2003.

[6] "Signals Intelligence Support to the Cockpit". Captain Gilles Van Nederveen. College of Aerospace Doctrine, Research, and Education. Airpower Research Institute.

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