Решение задачи обнаружения маловысотных легкомоторных летательных аппаратов путем использования акустических и сейсмических полей

НАУКА И ВОЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ № 1/2008, стр. 42-46

Решение задачи обнаружения маловысотных легкомоторных летательных аппаратов путем использования акустических и сейсмических полей

УДК 534.23

С.Р. ГЕЙСТЕР,

главный научный сотрудник

Научно-исследовательского института Вооруженных Сил Республики Беларусь,

доктор технических наук, профессор

А.М. ДЖЕКИ,

аспирант Белорусского государственного университета

информатики и радиоэлектроники

С учетом факторов, снижающих эффективность радиолокационного обнаружения, ставится задача нерадиолокационного обнаружения маловысотных легкомоторных летательных аппаратов в приложении к контролю воздушной границы. С этой целью анализируются тенденции в решении этой задачи за рубежом. Предлагается один из путей решения задачи обнаружения с использованием акустических и сейсмических полей.

Обнаружение легкомоторных летательных аппаратов (вертолетов и легкомоторных самолетов), осуществляющих полет на малых и предельно малых высотах, является важной задачей как мирного, так и военного времени. В мирное время задача обнаружения легкомоторных летательных аппаратов, как правило, решается с целью пресечения ввоза наркотиков и контрабандных товаров, вывоза ценностей, а также исключения незаконного пересечения границы отдельными лицами и преступными группами.

Рост актуальности контроля воздушной границы обусловлен возросшими объемами производства малоразмерных и сравнительно дешевых летательных аппаратов индивидуального пользования. Об этом свидетельствуют масштабы воздушных нарушений - ежесуточно в мире совершаются десятки тысяч несанкционированных полетов на легкомоторных самолетах и вертолетах. Например, по оценкам представителей военно-воздушных сил Бразилии, над территорией региона каждые сутки выполняется 2300 - 2500 таких полетов.

Для незаконного оперативного пересечения границы с грузом наиболее эффективными являются вертолеты и легкомоторные самолеты. Высокая эффективность вертолетов обусловлена их существенными достоинствами перед другими летательными аппаратами: возможность выполнять полет на предельно малой высоте с огибанием рельефа местности, зависать и садиться в требуемых точках (включая труднодоступные районы), а также сравнительно высокая грузоподъемность.

Сущность проблемы радиолокационного обнаружения легкомоторных летательных аппаратов

Радиолокационный контроль воздушного пространства на настоящее время наиболее распространен, что обусловлено большими размерами зон обзора пространства при сравнительно малом количестве наземных радиолокационных станций (РЛС). Однако радиолокационное обнаружение летательных аппаратов на малых и предельно малых высотах является сложной задачей, которая не является новой - она существовала всегда. Сложность обусловлена четырьмя основными группами факторов, влияние которых усиливается при специальном планировании операций нарушителями границы [1]:

первая группа связана с влиянием земной (водной) поверхности на распространение радиоволн;

вторая группа связана с шарообразной формой Земли и рельефом местности, определяющим зоны прямой видимости и «радиотени»;

третья группа связана с радиотехнической разведкой, проводимой нарушителями границы и обеспечивающей обнаружение и определение местоположения активных радиолокационных средств контроля воздушного пространства;

четвертая группа связана с малой эффективной отражающей поверхностью крупноразмерных летательных аппаратов, изготовленных по технологиям «Стеле», или малоразмерных аппаратов, выполненных в основном из композиционных материалов.

Решение задачи обнаружения маловысотных легкомоторных летательных аппаратов путем использования акустических и сейсмических полей

Первая группа включает в себя два фактора, присущих радиолокации:

интерференционное влияние земной (водной) поверхности [1,3];

мешающие отражения от местных предметов и поверхности, снижающие эффективность обнаружения маловысотных аэродинамических объектов со сравнительно малой скоростью полета [2].

Вторая группа включает в себя следующие факторы [3]:

шарообразная форма Земли, которая при нормальной рефракции объективно создает «радиотень» за линией радиогоризонта;

углы закрытия, определяемые рельефом местности;

наличие складок местности (русла рек, хребты гор), использование которых позволяет нарушителю осуществлять полет на малых и предельно малых высотах, оставаясь необнаруженным длительное время. Этот фактор является особенно эффективным, если преодоление границы происходит в труднодоступных районах.

Третья группа включает в себя следующие факторы:

обход нарушителем в реальном времени зон обнаружения радиолокационных станций, обеспечивающих контроль воздушного пространства;

подавление активных радиолокационных станций активными помехами.

Четвертая группа включает в себя следующие факторы:

малая радиолокационная заметность, обеспечивающая снижение дальности обнаружения;

использование метрового радиолокационного диапазона, в котором увеличивается радиолокационная заметность объектов, выполненных по технологиям «Стеле», нейтрализуется использованием малых высот, где интерференционное влияние земли приводит к формированию провала зоны обнаружения при малых углах места.

Кроме того, легкомоторные летательные аппараты имеют дополнительные особенности, снижающие возможности их обнаружения радиолокационными средствами. Это:

малая скорость полета, приводящая к компенсации сигналов, отраженных от аппаратов, вместе с мешающими отражениями от подстилающей поверхности в устройствах селекции движущихся целей;

малая эффективная отражающая поверхность, обусловленная как их малыми размерами, так и широким использованием слабоотражающих композиционных материалов в их конструкции.

С учетом указанных факторов можно констатировать, что нарушители, использующие легкомоторные летательные аппараты, могут эффективно осуществлять организованное пересечение границы на малых и предельно малых высотах. Это обусловливает необходимость разработки и создания новых эффективных средств обнаружения, базирующихся на использовании естественных физических эффектов (явлений), возникающих при полете легкомоторных летательных аппаратов на малых и предельно малых высотах.

Характеристика существующих нерадиолокационных средств обнаружения легкомоторных летательных аппаратов на малых и предельно малых высотах

Задача обнаружения маловысотных летательных аппаратов с использованием различных физических полей решалась учеными многих стран особенно интенсивно последние 10-15 лет. При этом наиболее успешными являются результаты, полученные в США, Франции и Израиле. В основе этих разработок [4] лежат физические эффекты, связанные с изменениями физических полей (например, электростатического, магнитного, гравитационного, акустического, сейсмического и пр.) при перемещении в них летательных аппаратов.

Исторически успехи применения разнообразных физических полей в разведывательно-сигнализационных приборах (РСП), предназначенных для разведки наземных движущихся объектов, принадлежат США. Они эффективно использовали такие приборы уже в ходе войны против Социалистической Республики Вьетнам. Высокая эффективность применения РСП привела к оснащению этими приборами вооруженных сил союзников США, а также к разработке их аналогов в ряде других стран. Типичными образцами таких автоматических систем являются:

система CLASSIC 2000 (фирма Thales, Франция), элементы которой представлены на рис. 1 и 2. Система используется в 42 странах мира, включая 12 стран, входящих в состав НАТО. Сейсмический датчик системы обеспечивает обнаружение человека в диапазоне от 1 до 80 метров, а легковой машины - от 2 до 7 метров;

система REMBASS II (фирма L-3 Communications-East, США), комплект которой представлен на рис. 3 и 4. Система находится на вооружении сил специальных операций, сухопутных войск и военно-воздушных сил США и Израиля, успешно применялась в Ираке и Афганистане. Комплексный датчик системы, имеющий сейсмический и акустический каналы, обеспечивает обнаружение человека на дальности до 75 метров, грузового автомобиля - до 250 метров, гусеничной машины - до 350 метров;

система Improved Air Delivered Sensor (IADS) (фирма Northrop Grumman Electronic Systems sector - ATE/Simulation, США), которая обеспечивает обнаружение как наземных, так и воздушных объектов. Следующий вариант системы IADS II будет дополнительно обеспечивать измерение координат и распознавание объектов;

система SEMAG (фирма Hirtenberger AG, Австрия). Система включает сейсмические и магнитометрические датчики и применяется для обнаружения танков и управления минами. Данная система является примером широкого класса систем управления минами и минными полями.

Сухопутные войска зарубежных стран широко используют взаимодополняющие (комплексные) системы, что позволяет эффективно вести разведку и наблюдение в любое время суток при любой видимости и погоде:

на линии соприкосновения войск;

в тылу противника и своих войск;

в обширных районах с различным рельефом местности.

Несмотря на то, что некоторые из существующих РСП способны обнаруживать летательные аппараты, в последнее время повышенный интерес проявляется к новым системам, специально сконструированным для обнаружения низколетящих вертолетов и самолетов. Такие системы уже появились на вооружении сухопутных войск США, Франции и Израиля. Рассмотрим несколько примеров таких систем.

Американская система MANРАС-100. Она обеспечивает обнаружение, распознавание, определение азимута и угла места низколетящих вертолетов, винтовых самолетов и дистанционно управляемых беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Данная система в конце 1990-х годов проходила полевые испытания и предназначена для использования сухопутными войсками в передовых подразделениях противовоздушной обороны, вооруженных переносными зенитными ракетными комплексами «Стингер».

Французская система HELISPOT (Balise Acoustique Classification Helicoptere). Система может применяться как отдельная акустическая система или в группе для образования «барьера» обнаружения в широком секторе. Она формирует пеленги на обнаруженные объекты и с вероятностью 0.95 обеспечивает автоматическое распознавание десяти типов вертолетов, акустические портреты которых заложены в запоминающее устройство системы. Информация о типе и пеленге обнаруженного вертолета передается встроенным в систему ультракоротковолновым (УКВ) передатчиком на центральный процессор, находящийся на посту наблюдения, который может одновременно принимать и обрабатывать данные от 16 систем. Базовый вариант системы имеет массу 13 кг и автономность работы 15 суток. Система обеспечивает обнаружение легких вертолетов в нормальных погодных условиях на расстоянии 2 - 5 км, тяжелых - до 12 км (при сильном ветре - до 4 км), а также их пеленгование с точностью от 2 до 20 град., зависящей от расстояния и условий. В 1998 году система BACH прошла войсковые испытания, а в 1999 году планировалось изготовить от 50 до 100 комплектов этой системы.

Израильская система HELISPOT. Она включает акустический прибор, размещаемый на мачте, установленной на земле или транспортном средстве. Система обеспечивает обнаружение, распознавание и пеленгование низколетящих вертолетов и БЛА на дальности до 3 км с точностью до 3 град. Акустический прибор включает в себя микрофон и классификатор, определяющий тип цели по спектру принимаемого акустического сигнала. Информация об обнаруженной цели передается по УКВ радиоканалу или проводной линии связи на пост сбора разведданных.

Израильская система ROAD использует акустический прибор, обеспечивающий обнаружение средних вертолетов на расстоянии 1 - 2 км, больших вертолетов - до 2,7 км, а также зависающих вертолетов на малых высотах - до 2,5 - 3 км.

Рассмотренные системы используют только акустические волны, распространяющиеся в воздухе. В то же время экспериментальные исследования авторов статьи показали, что наравне с акустическими волнами можно эффективно использовать и сейсмические волны, распространяющиеся в земле. Комбинированная обработка акустических и сейсмических волн может существенно повысить эффективность разведки. В итоге можно обоснованно полагать, что системы, обрабатывающие акустические и сейсмические сигналы, с учетом их сравнительно небольшой стоимости и приемлемых характеристик могут быть использованы для мониторинга воздушного пространства на предельно малых высотах в приграничных районах.

Физические основы обнаружения вертолетов и легкомоторных самолетов по сейсмоакустическим сигналам

Легкомоторные самолеты и вертолеты (включая режим зависания) создают акустические волны, формируемые как двигательными установками, так и лопастями винтов (рис. 5). Эти акустические волны распространяются в воздушном пространстве, а при соприкосновении с поверхностью земли возбуждают в ней сейсмические волны.

Решение задачи обнаружения маловысотных легкомоторных летательных аппаратов путем использования акустических и сейсмических полей

Рис. 5. Пояснения к физическим основам обнаружения в аккустических и сейсмических полях

Решение задачи обнаружения маловысотных легкомоторных летательных аппаратов путем использования акустических и сейсмических полей

Решение задачи обнаружения маловысотных легкомоторных летательных аппаратов путем использования акустических и сейсмических полей

Рис. 6. Скрытое проникновение на сопредельную территорию в холмистой и горной местности

Рис. 7. Зависание вертолета на сопредельной территории с высадкой людей

Распространяющиеся в воздухе акустические волны принимаются акустическими микрофонами, преобразующими акустическое давление в электрический сигнал. Аналогично сейсмические волны распространяются в поверхностном слое земли и преобразуются сейсмическими датчиками в электрический сигнал, соответствующий колебаниям почвы.

Распространение акустических волн зависит от состояния атмосферы [5], а распространение сейсмических волн - от структуры, состава и состояния поверхностного слоя земли [6].

Акустические микрофоны и сейсмические датчики подключаются к вычислительному устройству, которое обрабатывает эти сигналы и обеспечивает:

принятие решения об обнаружении;

определение местоположения летательного аппарата;

определение класса (типа) летательного аппарата.

Акустосейсмические системы, использующие естественные поля, обладают следующими достоинствами. Во-первых, они обеспечивают устойчивое автоматическое функционирование:

в сложных метеоусловиях (дождь, снег, туман);

в условиях плохой оптической видимости (ночь);

в направлениях на источники сильной освещенности (солнце);

в условиях сильной задымленное™ и запыленности;

в условиях (рис. 6) изрезанного рельефа местности (холмы, горные перевалы, ущелья, русла рек и прочее);

при малой скорости полета или зависании (рис. 7) вертолета.

Во-вторых, акустосейсмические системы обладают полной скрытностью, так как не формируют зондирующих сигналов, позволяющих определить их наличие и местоположение. Это исключает их заблаговременное обнаружение и обход зоны их действия нарушителями границы. Важнейшим качеством этих систем является сохранение работоспособности в условиях современного радиоэлектронного подавления.

В-третьих, такие системы имеют малые габариты, низкое энергопотребление и лучше других систем (радиолокационных, оптико-электронных) удовлетворяют критерию «эффективность - стоимость».

Общая характеристика применения акустосейсмических систем для охраны воздушных границ на малых и предельно малых высотах

Наиболее вероятными местами нарушения границы с использованием летательных аппаратов являются зоны «радиотени». Иллюстративно зона обнаружения радиолокационной станции на предельно малых высотах с зонами «радиотени», возникающими по руслам рек, за лесными массивами и холмами, представлена на рис. 8.

Определение зон «радиотени» как нарушителем, так и пограничными службами возможно с использованием топографических карт приграничных районов конкретной страны с учетом мест расположения радиолокационных станций, осуществляющих контроль воздушного пространства.

Мониторинг зон «радиотени» на малых и предельно малых высотах, не просматриваемых радиолокационными средствами, можно эффективно осуществлять с помощью акустосейсмических систем. Для этого датчики систем устанавливаются:

в складках между холмами;

по руслам рек;

в пространствах между лесными массивами, позволяющими осуществлять скрытный полет; в приграничных низменностях по периметру границы.

Типовая структура предлагаемой системы пограничного мониторинга воздушного пространства на малых и предельно малых высотах представлена на рис. 9.

Эта система мониторинга включает:

набор акустосейсмических модулей обнаружения (измерения координат, направления движения и распознавания), устанавливаемых в зонах мониторинга;

устройство приема информации от модулей;

устройство отображения информации от модулей.

Устройства приема и отображения информации размещаются в пунктах управления дежурными силами (легкомоторный самолет и (или) вертолет). При обнаружении нарушителя осуществляется подъем легкомоторного самолета или вертолета дежурных сил, который обеспечивает перехват нарушителя границы. Информация от модулей передается по радиоканалам, а также может осуществляться по проводным или оптоволоконным линиям.

Решение задачи обнаружения маловысотных легкомоторных летательных аппаратов путем использования акустических и сейсмических полей

Решение задачи обнаружения маловысотных легкомоторных летательных аппаратов путем использования акустических и сейсмических полей

Рис. 8. Пример зоны обнаружения РЛС на предельно малых высотах

Рис. 9. Структура акустосейсмической системы

Исходя из вышеизложенного, приходим к следующим выводам:

1. Задача контроля воздушной обстановки на малых и предельно малых высотах в приграничных районах со сложным рельефом местности существует как объективная реальность. Со временем, в связи растущими объемами производства малоразмерных и сравнительно дешевых летательных аппаратов индивидуального пользования, актуальность задачи будет возрастать. Наземные радиолокационные системы, наиболее выгодные для оперативного обзора больших пространственных зон, не обеспечивают обнаружение малоскоростных легкомоторных самолетов и вертолетов в складках местности приграничных районов со сложным рельефом и лесными массивами.

2. Использование в мирное время для контроля границ самолетов дальнего радиолокационного обнаружения и аэростатных РЛС является дорогостоящим решением как на этапе приобретения (разработки), так и на этапе эксплуатации. Анализ мировых разработок последних 10-15 лет показывает, что для обнаружения маловысотных летательных аппаратов целесообразно использовать такие физические поля, как акустическое и сейсмическое.

3. Пассивные автоматические системы обнаружения, комплексирующие акустические и сейсмические датчики являются эффективным средством для мониторинга зон «радиотени» на малых и предельно малых высотах, не просматриваемых радиолокационными средствами и возникающих в складках между холмами, по руслам рек, в пространствах между лесными массивами и в приграничных низменностях по периметру границы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гейстер СР. Системное проектирование и расчет радиолокаторов противовоздушной обороны: учебное пособие: в 3 ч. - Минск: Военная академия РБ, 1999. - Часть 1. Выбор типа и расчет параметров зондирующего сигнала. - 222 с.

2. Охрименко А. Е. Основы радиолокации и радиоэлектронная борьба. - М.: Воениздат, 1983. - Ч. 1: Основы радиолокации. - 456 с.

3. Буров Н.И. Маловысотная радиолокация. - М.: Воениздат, 1977.-215 с.

4. Мосалев В. Системы дистанционного наблюдения за полем боя на базе разведывательно-сигнализационных приборов/ Зарубежное военное обозрение. - № 2, 2000. - С. 21 - 27.

5. Красильников В.А, Крылов В.В. Введение в физическую акустику: учебное пособие/ Под ред. В.А. Красильникова. - М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 400 с.

6. Гурвич И.И., Боганик Г.Н. Сейсмическая разведка: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. - М.: Недра, 1980. - 551 с.


Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте

  • <a href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX" data-mce-href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX">InstaForex</a>
  • share4you сервис для новичков и профессионалов
  • Animation
  • На развитие сайта

    нам необходимо оплачивать отдельные сервера для хранения такого объема информации