Зарубежные многопозиционные радиолокационные системы скрытного контроля воздушного пространства

НАУКА И ВОЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ № 1/2007, стр. 28-33

Зарубежные многопозиционные радиолокационные системы скрытного контроля воздушного пространства

УДК 621.396.96

И.М. АНОШКИН,

заведующий отделом Научно-исследовательского института

Вооруженных Сил Республики Беларусь,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Приводятся принципы построения и оцениваются возможности перспективных многопозиционных радиолокационных систем ПВО, которые позволят вооруженным силам США и их союзников решать качественно новые задачи по скрытному наблюдению и контролю воздушного пространства.

Постоянный рост требований к объему и качеству радиолокационной информации о воздушной и помеховой обстановке, обеспечению высокой защищенности информационных средств от воздействия средств радиоэлектронной борьбы противника вынуждает зарубежных военных специалистов не только искать новые технические решения в создании различных компонентов радиолокационных станций (РЛС), которые являются основными информационными датчиками в системах ПВО, управления воздушным движением и др., но и развивать новые нетрадиционные направления в данной области разработки и создания военной техники [1].

Одним из таких перспективных направлений является много -позиционная радиолокация. Исследования и разработки, проводимые США и рядом стран НАТО (Великобритании, Франции, ФРГ) в данной области, направлены на повышение информативности, помехозащищенности и живучести радиолокационных средств и систем различного назначения за счет использования в их работе бистатических и многопозиционных режимов работы. Кроме того, это обеспечивает надежное наблюдение за малозаметными воздушными целями (ВЦ), в том числе, крылатыми ракетами и самолетами, изготовленными с использованием технологии «Стелт», действующими в условиях радиоэлектронного и огневого подавления со стороны противника, а также переотражений от подстилающей поверхности и местных предметов. Под многопозиционной радиолокационной системой (МПРС) следует понимать совокупность передающих и приемных пунктов, обеспечивающих создание радиолокационного поля с требуемыми параметрами. Основу МПРС (как ее отдельные ячейки) составляют бистатические РЛС в составе передатчик - приемник, разнесенные в пространстве. Когда передатчики выключены, такая система при наличии соответствующих линий связи между приемными пунктами, может работать в пассивном режиме, определяя координаты объектов, излучающих электромагнитные волны.

Для обеспечения повышенной скрытности работы подобных систем в боевых условиях рассматриваются различные принципы их построения: наземного, воздушного, космического и смешанных вариантов базирования, использующих зондирующее излучение штатных РЛС, постановщиков активных помех противника, а также радиотехнических систем (рис. 1), нетрадиционных для радиолокации (телевизионных и радиовещательных передающих станций, различных систем и средств связи и т.д.). Наиболее интенсивно работы в данном направлении ведутся в США.

Возможность иметь систему радиолокационного поля, совпадающего с полем покрытия, формируемым зонами подсвета телевизионных, радиовещательных передающих станций (РТПС), базовых станций сотовой телефонной связи и т.п., обусловлена тем, что высота их антенных башен может достигать 50...250 м, а формируемая ими всенаправленная зона подсвета прижата к поверхности земли. Простейший пересчет по формуле дальности прямой видимости показывает, что летательные аппараты, летящие на предельно малых высотах, попадают в поле подсвета таких передатчиков, начиная с расстояния 50 - 80 км.

В отличие от совмещенных (моностатических) РЛС, зона обнаружения целей МПРС, кроме энергетического потенциала и условий радиолокационного наблюдения, в значительной степени зависит от геометрии их построения, количества и взаимного положения передающих и приемных пунктов. Понятие «максимальная дальность обнаружения» здесь является величиной, которую нельзя однозначно определить энергетическим потенциалом, как это имеет место для совмещенных РЛС. Максимальная дальность обнаружения ВЦ бистатической РЛС как элементарной ячейки МПРС определяется формой овала Кассини (линий постоянных отношений «сигнал/шум»), которому соответствует семейство изодальностных кривых или линий постоянных суммарных дальностей (эллипсов), определяющих положение цели на овале (рис.2) в соответствии с выражением

Уравнение радиолокации для определения максимальной дальности действия бистатической РЛС имеет вид

где rl,r2 - расстояния от передатчика до цели и от цели до приемника;

Pt - мощность передатчика, Вт;

Gt, GT - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн;

Pmin - предельная чувствительность приемного устройства;

k - постоянная Больцмана;

v1, v2 - коэффициенты потерь при распространении радиоволн на пути от передатчика к цели и от цели к приемнику.

Площадь зоны обнаружения МПРС, состоящей из одного передающего и нескольких приемных пунктов (либо наоборот), может значительно превосходить площадь зоны обнаружения эквивалентной совмещенной РЛС.

Следует отметить, что значение эффективной площади рассеяния (ЭПР) в бистатической РЛС для одной и той же цели отличается от ее ЭПР, измеренной в однопозиционной РЛС. При ее приближении к линии базы (линия «передатчик - приемник») L наблюдается эффект резкого возрастания ЭПР (рис. 3), причем максимальное значение последней наблюдается при нахождении цели на линии базы и определяется по формуле

где А - площадь поперечного сечения объекта, перпендикулярная направлению распространения радиоволн, м ;

λ - длина волны, м.

Использование данного эффекта позволяет более эффективно обнаруживать малозаметные цели, в том числе изготовленные с применением технологии «Стелт». Многопозиционная радиолокационная система может быть реализована на основе различных вариантов геометрии ее построения с использованием как мобильных, так и стационарных пунктов приема.

Концепция МПРС разрабатывается в США с начала 1950-х годов в интересах их использования для решения различных задач, прежде всего контроля воздушно-космического пространства. Проводимые работы носили в основном теоретический, а в отдельных случаях экспериментальный характер. Интерес к многопозиционным радиолокационным системам вновь возник в конце 1990-х годов с появлением высокопроизводительных компьютеров и средств обработки сложных сигналов (радиолокационных, помеховых, сигналов радиотелевизионных передающих станций, радиосигналов станций мобильной связи и пр.), способных обеспечить обработку больших объемов радиолокационной информации для достижения приемлемых точностных характеристик подобных систем [2, 3]. Кроме того, появление космической радионавигационной системы GPS (Global Position System) позволяет производить точную топопривязку и жесткую временную синхронизацию элементов МПРС, что является необходимым условием при корреляционной обработке сигналов в подобных системах. Радиолокационные характеристики сигналов, излучаемых телевизионными (ТВ) и частотно-модулированными (ЧМ) радиовещательными передающими станциями с радиотелефонными станциями сотовой GSM связи приведены в таблице 1.

Основной характеристикой радиосигналов с точки зрения их использования в радиолокационных системах является их функция неопределенности (времячастотная функция рассогласования или так называемое «тело неопределенности»), которая определяет разрешающую способность по времени запаздывания (дальности) и частоте Доплера (радиальной скорости). В общем случае она описывается следующим выражением

На рис. 4 - 5 приведены функции неопределенности телевизионных сигналов изображения и звукового сопровождения, УКВ ЧМ радиосигналов и сигналов цифрового широкополосного аудиовещания.

Как следует из анализа приведенных зависимостей, функция неопределенности ТВ сигнала изображения носит многопиковый характер, обусловленный его кадровой и строчной периодичностью. Непрерывный характер ТВ сигнала позволяет осуществлять частотную селекцию эхо-сигналов с высокой точностью, однако наличие в нем периодичности кадров приводит к появлению мешающих составляющих в его функции рассогласования, следующих через 50 Гц. Изменение средней яркости передаваемого ТВ изображения приводит к изменению средней мощности излучения и изменению уровня главного и боковых пиков его времячастотной функции рассогласования. Важным достоинством ТВ сигнала звукового сопровождения и частотно-модулированных сигналов УКВ радиовещания является однопиковый характер их тел неопределенности, что облегчает разрешение эхо-сигналов как по времени запаздывания, так и по частоте Доплера. Однако их нестационарность по ширине спектра оказывает сильное влияние на форму и ширину центрального пика функций неопределенности.

Подобные сигналы в традиционном понимании не предназначены для решения задач радиолокации, так как не обеспечивают требуемую разрешающую способность и точность определения координат целей. Однако совместная обработка в реальном масштабе времени сигналов, излучаемых различными разнотипными средствами, отраженных от ВЦ и одновременно принимаемых в нескольких пунктах приема, позволяет обеспечить требуемые точностные характеристики системы в целом. Для этого предусматривается использование новых адаптивных алгоритмов цифровой обработки радиолокационной информации и применение высокопроизводительных вычислительных средств нового поколения.

Особенностью МПРС с внешними передатчиками подсвета целей является наличие мощных прямых (проникающих) сигналов передатчиков, уровень которых может на 40 - 90 дБ превышать уровень сигналов, отраженных от целей. Для снижения мешающего влияния проникающих сигналов передатчиков и переотражений от подстилающей поверхности и местных предметов с целью расширения зоны обнаружения необходимо применять специальные меры: пространственную режекцию мешающих сигналов, методы автокомпенсации с частотно-селективной обратной связью на высокой и промежуточной частоте, подавление на видеочастоте и др.

Несмотря на то, что работы в данном направлении проводились на протяжении достаточно продолжительного периода, только в последнее время после появления относительно недорогих сверхскоростных цифровых процессоров, позволяющих обрабатывать большие объемы информации, впервые появилась реальная возможность создания экспериментальных образцов, отвечающих современным тактико-техническим требованиям.

Специалистами американской фирмы «Локхид Мартин» на протяжении последних пятнадцати лет проводится разработка перспективной трехкоординатной радиолокационной системы обнаружения и сопровождения воздушных целей на основе многопозиционных принципов построения, которая получила наименование «Сайлент Сентри» (Silent Sentry) [4].

Она обладает принципиально новыми возможностями по скрытному наблюдению за воздушной обстановкой. В составе системы отсутствуют собственные передающие устройства, что обусловливает возможность работы в пассивном режиме и не позволяет противнику определять местонахождение ее элементов средствами радиотехнической разведки. Скрытному применению МПРС «Сайлент Сентри» способствует также отсутствие в составе ее приемных пунктов вращающихся элементов и антенн с механическим сканированием диаграммы направленности антенны. В качестве основных источников, обеспечивающих формирование зондирующих сигналов и подсвет целей, используются непрерывные сигналы с амплитудной и частотной модуляцией, излучаемые телевизионными и радиовещательными ультракоротковолновыми передающими станциями, а также сигналы других радиотехнических средств, расположенных в зоне действия системы, в том числе РЛС ПВО и управления воздушным движением, радиомаяков, средств навигации, связи и др. Принципы боевого применения системы «Сайлент Сентри» представлены на рис. 6.

По мнению разработчиков, система позволит одновременно сопровождать большое число ВЦ, количество которых будет ограничиваться только возможностями устройств обработки радиолокационной информации. При этом пропускная способность системы «Сайлент Сентри» (по сравнению с традиционными радиолокационными средствами, у которых данный показатель в значительной степени зависит от параметров антенной системы РЛС и устройств обработки сигналов) не будет ограничена параметрами антенных систем и приемных устройств. Кроме того, по сравнению с обычными РЛС, обеспечивающими дальность обнаружения низколетящих целей до 40 - 50 км, система «Сайлент Сентри» позволит их обнаруживать и сопровождать на дальностях до 220 км как за счет более высокого уровня мощности сигналов, излучаемых передающими устройствами телевизионных и радиовещательных станций (десятки киловатт в непрерывном режиме), так и за счет размещения их антенных устройств на специальных вышках (до 300 м и более) и естественных возвышенностях (холмах и горах) для обеспечения максимально возможных зон уверенного приема телевизионных и радиопередач. Их диаграмма направленности прижата к поверхности земли, что также способствует повышению возможностей системы по обнаружению низколетящих целей.

Первый экспериментальный образец мобильного приемного модуля системы, в состав которого входят четыре контейнера с однотипными блоками вычислительных средств (размерами 0,5X0,5X0,5 м каждый) и антенная система (размерами 9X2,5 м), был создан в конце 1998 года. В случае их серийного производства стоимость одного приемного модуля системы будет составлять в зависимости от состава используемых средств от 3 до 5 млн. долл.

Создан также стационарный вариант приемного модуля системы «Сайлент Сентри», характеристики которого приведены в табл. 2. В нем используется антенное устройство с фазированной антенной решеткой (ФАР) увеличенных размеров по сравнению с мобильным вариантом, а также вычислительные средства, обеспечивающие производительность в два раза выше, чем у мобильного варианта. Антенная система смонтирована на боковой поверхности здания, плоская ФАР которой направлена в сторону международного аэропорта им. Дж.Вашингтона в г. Балтимор (на удалении около 50 км от передающего пункта).

В состав отдельного приемного модуля стационарного типа системы «Сайлент Сентри» входят:

антенная система с ФАР (линейной или плоской) целевого канала, обеспечивающая прием сигналов, отраженных от целей;

антенны «опорных» каналов, обеспечивающие прием прямых (опорных) сигналов передатчиков подсвета целей;

приемное устройство с большим динамическим диапазоном и системами подавления мешающих сигналов передатчиков подсвета целей;

аналогово-цифровой преобразователь радиолокационных сигналов;

высокопроизводительный цифровой процессор обработки радиолокационной информации производства фирмы «Силикон Графике», обеспечивающий выдачу данных в реальном масштабе времени не менее чем о 200 воздушных целях;

устройства отображения воздушной обстановки;

процессор анализа фоново-целевой обстановки, обеспечивающий оптимизацию выбора в каждый конкретный момент работы тех или иных типов сигналов зондирующего излучения и передатчиков подсвета целей, находящихся в зоне действия системы, для получения максимального отношения «сигнал/шум» на выходе устройства обработки радиолокационной информации;

средства регистрации, записи и хранения информации;

тренажно-имитационная аппаратура;

средства автономного энергоснабжения.

В состав приемной ФАР входят несколько подрешеток, разработанных на основе существующих типов коммерческих антенных систем различного диапазона и назначения. В качестве экспериментальных образцов в нее дополнительно включены обычные приемные телевизионные антенные устройства. Одно приемное полотно ФАР способно обеспечить зону обзора в азимутальном секторе до 105 град, и в угломес-тном секторе до 50 град., а наиболее эффективный уровень приема отраженных от целей сигналов обеспечивается в азимутальном секторе до 60 град. Для обеспечения перекрытия круговой зоны обзора по азимуту возможно использование несколько полотен ФАР.

Внешний вид антенных систем, приемного устройства и экрана устройства отображения обстановки стационарного и мобильного вариантов приемного модуля системы «Сайлент Сентри» приведен на рисунке 7. Испытания системы в реальных условиях были проведены в марте 1999 г. (Форт Стюарт, шт. Джорджия). При этом обеспечивалось наблюдение (обнаружение, сопровождение, определение пространственных координат, скорости и ускорения) в пассивном режиме за различными аэродинамическими и баллистическими целями.

Основная задача дальнейших работ по созданию системы «Сайлент Сентри» в настоящее время связана с улучшением ее возможностей, в частности, введением в режим распознавания целей. Данная задача частично решается в уже созданных образцах, однако не в реальном масштабе времени. Кроме того, прорабатывается вариант системы, в котором в качестве передатчиков подсвета целей предполагается использовать бортовые РЛС самолетов дальнего радиолокационного обнаружения и управления.

В Великобритании работы в области многопозиционных радиолокационных систем подобного назначения велись с конца 1980-х годов. Были разработаны и развернуты различные экспериментальные образцы бистатических радиолокационных систем, приемные модули которых дислоцировались в районе лондонского аэропорта «Хитроу» (рис. 8). В качестве передатчиков подсвета целей использовались штатные средства радиотелевизионных передающих станций и РЛС управления воздушным движением. Кроме того, были разработаны экспериментальные образцы доплеровских РЛС переднего рассеяния, использующие эффект возрастания ЭПР целей при их приближении к линии базы бистатической системы с телевизионным подсветом. Исследования в области создания МПРС с использованием радиотелевизионных передающих станций в качестве источников облучения ВЦ проводились в исследовательском институте Министерства обороны Норвегии, о чем сообщалось на сессии ведущих норвежских институтов и фирм-разработчиков по перспективным проектам создания и развития новой радиоэлектронной военной техники и технологий в июне 2000 г.

В качестве источников сигналов, зондирующих воздушное пространство, также могут использоваться базовые станции мобильной сотовой связи дециметрового диапазона длин волн. Работы в этом направлении по созданию собственных версий пассивных радиолокационных систем проводят специалисты немецкой компании «Сименс», британских фирм Roke Manor Research и BAE Systems, французского космического агентства ONERA [5].

Определять местоположение ВЦ планируется путем вычисления разности фаз сигналов, излучаемых несколькими базовыми станциями, координаты которых известны с высокой точностью. При этом основной технической проблемой является обеспечение синхронизации таких измерений в пределах нескольких наносекунд. Решить ее предполагается, применив технологии высокостабильных эталонов времени (атомных часов, установленных на борту космических аппаратов), разработанные при создании космической радионавигационной системы «Навстар».

Такие системы будут иметь высокий уровень живучести, так как при их функционировании отсутствуют какие-либо признаки использования базовых станций телефонной мобильной связи в качестве передатчиков РЛС. Если же противник каким-либо образом сможет установить этот факт, он будет вынужден уничтожить все передатчики телефонной сети, что представляется маловероятным, учитывая современный масштаб их развертывания. Выявление и уничтожение самих приемных устройств таких радиолокационных систем с помощью технических средств практически невозможно, так как во время своего функционирования они используют сигналы стандартной мобильной телефонной сети. Применение постановщиков помех, по мнению разработчиков, окажется также неэффективным в связи с тем, что в работе рассматриваемых вариантов МПРС возможен режим, в котором устройства РЭП сами окажутся дополнительными источниками подсветки воздушных целей.

В октябре 2003 г. компания Roke Manor Research в ходе военных учений на полигоне Salisbury Plain продемонстрировала руководству британского Министерства обороны вариант пассивной радиолокационной системы Celldar (сокращение от Cellular phone radar). Стоимость демонстрационного прототипа, состоящего из двух обычных параболических антенн, двух мобильных телефонов (выполнявших роль «сот») и ПК с аналого-цифровым преобразователем, составила немногим более 3 тыс. долл. Как полагают зарубежные специалисты, военное ведомство любой страны, обладающей развитой инфраструктурой мобильной телефонной связи, способно создать подобные радиолокационные системы. При этом передатчики телефонной сети могут использоваться без ведома их операторов. Расширить возможности систем подобных Celldar удастся за счет вспомогательных средств, таких, к примеру, как акустические датчики.

Таким образом, создание и принятие на вооружение многопозиционных радиолокационных систем типа «Сайлент Сентри» или Celldar позволит вооруженным силам США и их союзников решать качественно новые задачи по скрытному наблюдению и контролю воздушного пространства в зонах возможных вооруженных конфликтов в отдельных регионах мира. Кроме того, они могут привлекаться для решения задач управления воздушным движением, борьбы с распространением наркотиков и др.

Как показывает опыт войн последнего 15-летия, традиционные системы ПВО обладают низкой помехоустойчивостью и живучестью, прежде всего от воздействия высокоточного оружия. Поэтому недостатки средств активной радиолокации должны быть максимально нейтрализованы дополнительными средствами - пассивными средствами разведки целей на малых и предельно малых высотах. Разработка многопозиционных радиолокационных систем, использующих внешнее излучение различных радиотехнических средств, достаточно активно проводилась в СССР, особенно в последние годы его существования. В настоящее время в ряде стран СНГ продолжаются теоретические и экспериментальные исследования по созданию МПРС. Следует отметить, что аналогичные работы в данной области радиолокации проводятся и отечественными специалистами. В частности, была создана и прошла успешные испытания экспериментальная бистатическая РЛС «Поле» [6], где в качестве передатчиков подсвета целей используются радиотелевизионные передающие станции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Jane's Defense Equipment (Электронная библиотека вооружений стран мира), 2006 - 2007.

3. H. D. Griffiths. Bistatic and Multistatic Radar. - University College London, Dept. Electronic and Electrical Engineering. Torrington Place, London WC1E 7JE, UK.

4. Jonathan Bamak, Dr. Gregory Baker, Ann Marie Cunningham, Lorraine Martin. Silent Sentry™ Passive Surveillance // Aviation Week&Space Technology. - June 7, 1999. - P.12.

5. Редким доступа: http://www.roke.co/. uk/sensors/stealth/celldar.asp.

6. Каршакевич Д. Феномен радара «Поле» // Армия. - 2005 - № 1. - С. 32 - 33.

Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте