Page initiated on 15 November 2014
Status: 11 December 2014
We have already accepted that Nachtfee is seemingly becoming a never ending survey.
Paul and Marc are intending, together with a group of - smart guys - from Eindhoven, for a brainstorm session, in which we will go into depth in most of the technical aspects of the Nachtfee system.
The background is, that we would like to make an animation film, in which the Nachtfee guiding system, and the implications of the domain of time, is being visualised for the broader public.
This new chapter is an attempt to enhance the already existing 'Once in a lifetime survey' and creating an elaborate version of the previous PowerPoint presentation (in pdf)
As to make life more easy, I started with the 'Once in a lifetime survey', though enhanced its content, as to explain more in depth what the various aspects are about. As those becoming involved never have encountered the Nachtfee subject before.
Therefore, you will find some slides being copied and used on other places as well; but, often having an adapted captions, as to fit optimally onto the current theme.
Before an animation film can be prepared, we need to possess first a full understanding of what all the many implications of Nachtfee are about.
Yesterday, on Sunday 16th I did send an e-mail to a fellow radio HAM in which I explained Nachtfee for the nth time, but differently. Quoting the genuine Dutch content:
Er komt een groep uit Eindhoven een dezer weken brainstormen. Het doel is dat zij het gaan begrijpen. Paul en Marc, beiden zendamateurs, zitten tevens in het bestuur van onze Stichting.
Het probleem bij het begrijpen, is het feit dat het 'commandosignaal' maar eenmalig uit één faseverschuiving bestaat, die ergens tussen 0 en 360 graden in ligt (t.o.v. de vorige toestand). Zodra de commandogever wordt losgelaten treedt er geen signaalfase verandering meer op.
Het probleem zit hem erin, dit gegeven ruimtelijk te controleren en de steeds groter wordende afstand te compenseren (het vliegtuig vliegt weg van het controlerende Freya-EGON station), zonder dat de data inhoud, dus een eenmaal ingestelde signaalfase, te beïnvloeden. Vergeet niet, dat het signaal steeds later bij het vliegtuig aankomt; wat natuurlijk een faseverschuiving inhoud.
Nergens beschreven, maar het kan niet anders, dan dat de signaalfase VOOR het punt waar coherentie ontstaat (blauwe lijnen), wordt gemanipuleerd (rode lijn). In mijn voorbeeld noem ik dit goniometer A. De 0-fase van de tijdbasis in het vliegtuig moet worden geënt op het teruggezonden transpondersignaal. Dit geeft een 'non coherent' signaal op het controleschermpje (LB2) van het Nachtfee apparaat. Terwijl het terugkerende Nachtfee commandosignaal op zijn plaats blijft staan (daar dit gezamenlijk met het controlerende EGON signaal wordt uitgezonden), zal de 'Phase' regelaar 'A' alleen de puls (blip) op het controleschermpje doen draaien (het Nachtfee controle signaal is coherent en blijft dus staan). Bedenk dus: dat dit signaal ontstaan is bij de nuldoorgang van de tijdbasis in het vliegtuig. Bij de interne kwartsklok in het Nachtfee apparaat gebeurt het zelfde. In beide gevallen worden lissajous' geschreven. De circulaire LB2 scoop heeft alleen magnetische deflectie en mijn gesimuleerde vliegtuigscherm heeft elektrostatische afbuiging, zoals bij oscillografen, tot voor kort, gebruikelijk.
De 'Phase' regelaar 'A' zorgt ervoor dat het Nachtfee commando signaal zodanig in het tijdsdomein verschoven wordt, dat het ondanks de veranderende afstand, quasi op tijd op het vliegtuig beeldscherm getoond wordt.
Ergens toon ik een scoopbeeld van hoe zo'n signaal eruit moet hebben gezien. Ik zend dit ook echt zo uit (124 MHz), en overbrug een paar meter. Of ik nu trigger op het Nachtfee signaal of op het voor demonstratiedoeleinden meegezonden EGON signaal weet ik niet precies, maakt trouwens niets uit (scheelt trouwens maar 6 Hz). Voor de zichtbaarheid heb ik de pulsbreedten groter dan de werkelijkheid genomen. Een Brits rapport geeft ook deze toestand precies weer (zie originele tekst).
Lees dit maar een paar maal rustig over.
Explaining it for the English speaking audience a bit differently again, but it is initiated briefly by the foregoing quoted Dutch e-mail:
The Nachtfee data consists of every time an unique phase shift somewhere between 0 and 360 degrees. Inside the Nachtfee console they operate sine waves, which inside the IFF transmitter system is being converted into pulses, like is done in the aircraft too. We consider that the start of these pulses take place just when it crosses 0 degrees; whereby the pulse duration is principally not essential. As soon as the operator stops rotating the order-pointer there will be no signal phase-shift whatsoever. (regarding that the Nachtfee time-base reference works perfect).
The Nachtfee data consists thus of an once caused phase shift. Theoretically, on the receiving side, thus the aircraft display, must have an absolute equally running time base (clock) as well. No one can afterwards deduce that once a phase-shift had been taking place! Notice for it, in the PowerPoint presentation: my analogy. Nevertheless, when, for what ever reason, an Nachtfee aircraft system would be out of order temporarily, that when being operated again, the formerly transmitted 'order content' will be correctly displayed (again)! (considering that the time-base or clock is still operating within certain limits, of course, the Nachtfee ground console operator should first readjusting the range offset and the 'Phase' control 'A' accordingly)
Consider now, both the Pathfinder aircraft is standing next to the controlling Freya-EGON/Nachtfee apparatus, and that the 'order' or command blip or spot is being painted on the aircraft display exactly at the same vector as the Nachtfee command-pointer is facing.
The timing problem start when the Pathfinder aircraft takes off. The Nachtfee 'order' signal will then arrive delayed, thus later, at the aircraft system. We have considered that both clocks run exactly in concert (theoretically, which was far away from practice). The consequence, the 'order' signal will arrive continually later in the aircraft system; and thus being painted on the aircraft screen, moving anti-clockwise on its circular time-base-line. Its instant pointing at an incorrect 'order' or command and continually moving anti-clockwise. The IFF PRF is ~ 500 Hz or 2 ms. (The Nachtfee data PRF can be deviated in several channel steps of 2 Hz above and below 500 Hz, whereby channel 5 provides 500 Hz)
The Nachtfee 'order' signal is being transmitted with the same transmitter and thus frequency as the EGON IFF signal (124 MHz). Therefore, the aircraft IFF transponder will retransmit both, the EGON as well as the Nachtfee signal towards the ground station. This signal is also returning in the Nachtfee console and is to be brought in concert with the originally transmitted Nachtfee 'order' or command signal, by operating a range-offset control (called in the beginning number scale). The Nachtfee control scope (LB2) will display, when offset being adjusted correctly, at the same vector as the 'order' compass pointer is being set (before transmission). Doing so is only showing that the Nachtfee 'order' signal must have arrived in the aircraft IFF transponder correctly. The control scope (LB2) time-base being delayed in accordance to range delay; bringing now the controlling time-base in concert with the once transmitted upward going data. Actually causing an offset delay owing to the bridged range or distance.
But, we know that the aircraft is flying away from the Freya-EGON/Nachtfee station. How do we know that our signal will arrive, just correctly, at the aircraft 'order' display? Please bear in mind, after you have noticed the content of my recent PowerPoint presentation (the hyperlink shown below), that the Nachtfee 'order' signal operates coherent. My coloured block diagram shows a red line, which operates non-coherent; whilst the blue line sections operate coherent, as both signals originate from a common starting point.
Nowhere mentioned, but there is no way around, the time-base signal, call it clock-signal, of the aircraft system must be send towards the Nachtfee ground console, using, of course, the same IFF system. My designation of this signal is TB (time-base). This signal will be displayed on the Nachtfee control scope (LB2) as well; maybe a bit stronger (causing a more solid blip) as the noise content of the upward send EGON/Nachtfee signal is not involved.
What does it tell us? It shows the actual status of the internal aircraft time-base-phase (think of a quartz-clock-pointer) as well as the time it takes to arrive at the ground control screen.
The Nachtfee ground operator has to take action in such a way, that he adjusts an offset of the overall Nachtfee signal phase, by manipulating goniometer (phase shifter) 'A' (see the PowerPoint presentation). He is giving the Nachtfee 'order' signal an additional phase shift, in such a manner that its signal will match onto the actual aircraft time-base (cannot be noticed or monitored by the returning Nachtfee 'order signal, as this acts in coherence).
When we explain the system differently: let us say matters operate without control, one can still get it right when a signal being manipulated in the domain of time such that it arrives correctly in time in the aircraft system (but you need somewhere a reference). This is just what is done.
We should also bear in mind, that the aircraft TB signal is derived from the time base just where it crosses 0 degree, as similarly is done inside the Nachtfee ground console. In both cases, the original sine-waves will paint a lissajous at a cathode ray tube screens (providing a circle). In both cases, the zero or call it north point of the screen coincide to 0 degree. However, we don't know whether this takes place at which instant. On the ground, on the Nachtfee control screen, we have given the internal controlling time-base an offset (goniometer C), as to match onto the range or distance actually involved. Virtually Nachtfee's internal system is now brought to operate, for the time being, quasi synchronous.
With the arrival of the TB signal on the ground we know that it represents 0 degree once transmitted towards the ground station, but that the distance (range) has delayed its arrival at the ground control scope screen. But we have already compensated the LB2 scope time-base for the upwards (equal to the downwards) range, thus time delay (phase-shift). Theoretically, we might adjust the TB pulse just overlapping the returning Nachtfee 'order' signal blip, however the electronic processing inside the aircraft system is adding an additional time delay, causing an additional phase shift (vector rotation) onto the TB signal. However, this phase-shift is having a systematic dimension; but we have no idea about the actual status of the (aircraft) TB signal phase. It has been proved, that for this systematic delay an offset at the control screen can be given by the goniometer (phase shifter) 'A'. When this matter is maintained, the correct pre-delay of the Nachtfee 'order' signal can be adjusted onto (giving it a constant offset, like in our case being about 45 degrees). The only consequence is that the correct arrival (instant) at the aircraft system is being caused by the next signal sequence. But who is noticing that, as the delay is less than 2 ms and being repeated 500 times a second*.
Bearing in mind all this, it becomes clear that, at least in those wartime days, secrecy (knowing, or understanding, its actual data content) is maintained, most likely, for 100%. As full system synchronisation is maintained by the current Nachtfee operator only.
The downside was the mutual phase-drifts of the involved time-bases (clocks); these mutually should have been better than 10-7 (0.1 ppm). With too heavy phase drifts involved, operating Nachtfee would have been hardly possible (manually). Experiments showed, that stability is maintained in our museum environment after, say, at least two hours operation; but will never reach an equilibrium entirely. What to think of wartime circumstances, flying at altitudes of about 8 km to 9 km coping with temperatures below minus 40° C, and with uncertain power supplied on the ground (mains interruptions) and not controlled room temperatures of the Freya-EGON/Nachtfee radar cabin?
* We have proved experimentally, and a later found German document being in accordance, that for conveying Nachtfee data - far less pulses than 500 per second will do well. We tested experimentally about 200 times a second, whilst a German wartime source gave even 100 times per second; whether this was ever practiced we don't know. It certainly is not in accordance to the British Y-observation report of early 1944 (see the PowerPoint presentation below)
(3)
On 11 December 2014
I added the following information
During my preparations for a talk to be held on 13 December in Bosch en Duin (east of Utrecht) for a Dutch group of smart guys, I decided to prepare a 'Handout', which should be read previously.
Nachtfee was een commandosysteem, dat doormiddel van een eenmalige faseverschuiving informatie over bracht.
Het doel van dit systeem was, een ‘Pathfinder’ vliegtuig rechtstreeks naar een bepaald doel te leiden, en daar aangekomen essentiële operatieve commando’s te geven.
Het grote probleem echter is, dat zo’n signaal overgebracht moet worden terwijl de ontvangende kant, dus een vliegtuig, zich van het commando gevende station verwijdert, met, zeg, 100 m/s.
Een commando bestond uit een bepaalde ‘signaal faseverschuiving’ ergens tussen 0 en 360 graden; dit signaal zal, in het voornoemde voorbeeld, steeds later bij het te leiden vliegtuig arriveren.
De consequentie hiervan is, dat gecompenseerd moet worden in het ‘tijdsdomein’.
Aan het signaal zelf is niet meer waar te nemen dat er ooit een faseverschuiving heeft plaatsgevonden.
Een analogie: neem een film en haal daar enkele beelden uit of voeg ze toe. Dat het gebeurd is, valt niet waar te nemen, en achteraf is nooit meer te vertellen dat het ooit plaatsgevonden heeft.
De manipulatie is echter wel waar te nemen, als bij weergave de originele, niet gemanipuleerde film, samen met de gemanipuleerde film wordt getoond. Dan zal er een beeldverschuiving zichtbaar worden, die, zolang de films lopen, altijd gelijk blijft (bij eenmalige manipulatie).
Stel nu, dat de niet gemanipuleerde film de tijdbasis van het vliegtuigsysteem vormt, en de gemanipuleerde film de data bevat van een bepaald commando.
Dan hebben wij dus met verschillende parameters rekening te houden. Zoals: het commando, de momentele afstand (Range off-set) en de momentele fase van de tijdbasis in het vliegtuig t.o.v. die van het Nachtfee commandosysteem.
De eigenlijke signalen bestonden uit ‘sinussen’ (500 Hz λ = 600 km, in radar termen 300 km), waarvan de nuldoorgangen de opgaande pulsflanken genereerden. Pulsen werden gebruikt bij de ‘radiografische’ signaaloverdracht. Alle pulsen worden dus, op een of andere wijze, gekoppeld aan de signaalfase ‘nul’ graden.
Het systeem kende nog geen controle bits, waardoor alles visueel, en daaruit volgend manueel, gecontroleerd en gecompenseerd moest worden.
Zie hier het complexe regelproblemen, waarvoor men rond 1943/44 gesteld werd.
Explanation belonging to the Dutch handout file
The cable between the Nachtfee console (right) and the Freya-EGON system (on the left) provided a two-ways data exchange.
This time explained it more elaborately
( PowerPoint converted into PDF)
Our brainstorm Session is scheduled
for
Sunday 21st December 2014
All those still having querries, or would like to join, please come forward and e-mail us at:
Please type in what you read
By Arthur O. Bauer
