11 общие сведения о системах радиолокации и радионавигации

Гражданское применение

В сельском и лесном хозяйстве радиолокационные устройства незаменимы при получении информации о распределении и плотности растительных массивов, изучении структуры, параметров и видов почв, своевременном обнаружении очагов возгораний. В географии и геологии радиолокация используется для выполнения топографических и геоморфологических работ, определения структуры и состава пород, поиска месторождений полезных ископаемых. В гидрологии и океанографии радиолокационными методами осуществляется контроль состояния главных водных артерий страны, снегового и ледяного покрова, картографирование береговой линии.

Радиолокация — это незаменимый помощник метеорологов. РЛС легко выяснит состояние атмосферы на удалении десятков километров, а по анализу полученных данных составляется прогноз изменения погодных условий в той или иной местности.

Виды радиолокации

Природа электромагнитного излучения цели позволяет говорить о нескольких видах радиолокации:

• Пассивная радиолокация исследует собственное излучение (тепловое, электромагнитное и т.п.), которое генерирует цели (ракеты, самолеты, космические объекты).
• Активная с активным ответом осуществляется в случае, если объект оборудован собственным передатчиком и взаимодействие с ним происходит по алгори.
• Активная с пассивным ответом предполагает исследование вторичного (отраженного) радиосигнала. Радиолокационная станция в этом случае состоит из передатчика и приемника.
• Полуактивная радиолокация — это частный случай активной, в случае когда приемник отраженного излучения расположен вне РЛС (например, является конструктивным элементом самонаводящейся ракеты).

Каждому виду свойственны свои достоинства и недостатки.

Вторичный радиолокатор

Вторичная радиолокация используется в авиации для опознавания. Основная особенность — использование активного ответчика на самолётах.

Принцип действия вторичного радиолокатора несколько отличается от принципа первичного радиолокатора. В основе устройства Вторичной радиолокационной станции лежат компоненты: передатчик, антенна, генераторы азимутальных меток, приёмник, сигнальный процессор, индикатор и самолётный ответчик с антенной.

Передатчик служит для формирования импульсов запроса в антенне на частоте 1030 МГц.

Антенна служит для излучения импульсов запроса и приёма отражённого сигнала. По стандартам ICAO для вторичной радиолокации антенна излучает на частоте 1030 МГц и принимает на частоте 1090 МГц.

Генераторы азимутальных меток служат для генерации азимутальных меток (англ. Azimuth Change Pulse, ACP) и метки Севера (англ. Azimuth Reference Pulse, ARP). За один оборот антенны РЛС генерируется 4096 масштабных азимутальных меток (для старых систем) или 16384 улучшенных масштабных азимутальных меток (англ. Improved Azimuth Change pulse, IACP — для новых систем), а также одна метка Севера. Метка севера приходит с генератора азимутальных меток при таком положении антенны, когда она направлена на Север, а масштабные азимутальные метки служат для отсчёта угла разворота антенны.

Приёмник служит для приёма импульсов на частоте 1090 МГц.

Сигнальный процессор служит для обработки принятых сигналов.

Индикатор служит для отображения обработанной информации.

Самолётный ответчик с антенной служит для передачи содержащего дополнительную информацию импульсного радиосигнала обратно в сторону РЛС по запросу.

Принцип действия вторичного радиолокатора заключается в использовании энергии самолётного ответчика для определения положения воздушного судна. РЛС облучает окружающее пространства запросными импульсами P1 и P3, а также импульсом подавления P2 на частоте 1030 МГц. Оборудованные ответчиками воздушные суда, находящиеся в зоне действия луча запроса, при получении запросных импульсов, если действует условие P1,P3>P2, отвечают запросившей РЛС серией кодированных импульсов на частоте 1090 МГц, в которых содержится дополнительная информация о номере борта, высоте и так далее. Ответ самолётного ответчика зависит от режима запроса РЛС, а режим запроса определяется интервалом времени между запросными импульсами P1 и P3, например, в режиме запроса А (mode A) интервал времени между запросными импульсами станции P1 и P3 равен 8 микросекундам и при получении такого запроса ответчик воздушного судна кодирует в импульсах ответа свой номер борта.

В режиме запроса C (mode C) интервал времени между запросными импульсами станции равен 21 микросекунде и при получении такого запроса ответчик воздушного судна кодирует в импульсах ответа свою высоту. Также РЛС может посылать запрос в смешанном режиме, например, Режим А, Режим С, Режим А, Режим С. Азимут воздушного судна определяется углом поворота антенны, который, в свою очередь, определяется путём подсчёта масштабных азимутальных меток.

Перспективы развития

Для современной радиолокационной станции главным оценочным критерием выступает соотношение эффективности и качества. Под эффективностью понимаются обобщенные тактико-технические характеристики оборудования. Создание совершенной РЛС — сложная инженерная и научно-техническая задача, осуществление которой возможно только с использованием новейших достижений электромеханики и электроники, информатики и вычислительной техники, энергетики.

По прогнозам специалистов, в ближайшем будущем главными функциональными узлами станций самого разного уровня сложности и назначения будут твердотельные активные ФАР (фазированные антенные решетки), преобразующие аналоговые сигналы в цифровые. Развитие вычислительного комплекса позволит полностью автоматизировать управление и основные функции РЛС, предоставив конечному потребителю всесторонний анализ полученной информации.

Назначение

Системы радиолокационного распознавания предназначены для автоматического распознавания классов и типов воздушных (наземных, надводных) целей по характерным особенностям отраженных сигналов. 

Применение систем распознавания существенно повышает эффективность боевой работы, поскольку позволяет:

• заранее выявлять замысел противника;
• исключить стрельбу по ложным целям;
• оценить опасность сопровождаемой цели и назначить наиболее эффективное средство ее уничтожения;
• своевременно производить адаптацию средства поражения к свойствам цели;
• оперативно определять факт поражения цели.

Только исключение пуска ракет по ложным целям, в случае прикрытия противником каждой боевой цели десятью ложными целями, в 9 раз увеличивает эффективность боевой работы ЗРК.

Состав изделия

Радиолокационное оборудование

Радиолокационное оборудование, предназначенное для измерения координат и параметров движения целей, использует принцип отражения, переизлучения электромагнитных волн от поверхности целей или излучения ответных сигналов.
 

К радиолокационному оборудованию относятся станции: панорамные, перехвата и прицеливания, управления бортовым оружием, управляемых ракет, предупреждения, а также радиовзрыватели и системы вторичной радиолокации.
 

Современная авиационная и ракетная техника широко использует радиолокационное оборудование различного назначения. Для защиты антенных устройств радиолокационной аппаратуры от аэродинамических нагрузок и атмосферных воздействий применяют антенные обтекатели. Форма, материал и конструкция стенки обтекателя должны обеспечить необходимые аэродинамические характеристики, крочно / сть и надежность в работе. Вместе с тем обтекатель не должен существенно препятствовать передаче и приему высокочастотных импульсов электромагнитной энергии.
 

Для испытания авиационных топливных систем и насосов, электрогенераторов, радиолокационного оборудования и силовых систем оборудуют камеры объемом 5 — 15 м3 и высотой 1800 мм.
 

Передающие линии и узлы сантиметровых волн обычно тяжелы, громоздки и при производстве радиолокационного оборудования или оборудования связи часто обходятся очень дорого.
 

Интересные результаты были получены в США при проверке надежности конденсаторов, используемых в радиолокационном оборудовании.
 

Стеклопластиковые конструкции, изготовленные методом намотки, благодаря удачному сочетанию механических и электрических свойств, постепенно находят применение для изготовления кожухов антенн коммуникационного, навигационного и радиолокационного оборудования.
 

Во всех крупных промышленных и административных центрах страны построены авиационные узлы, аэропорты, аэровокзалы, оснащенные современными ср дст-вами связи, радионавигационными и радиолокационными оборудованиями, имеющие все необходимые служ ы для создания максимальных удобств пассажирам, автоматизации обработки багажа, грузов и управления воздушным движением. Помимо перевозок пассажиров, возрастает роль воздушного транспорта в перевозках срочных и ценных грузов, скоропортящейся продукции, для обслуживания сельского хозяйства.
 

Силиконовые материалы со стеклово-локнистым наполнителем выдерживают многочасовое воздействие температуры порядка 300 — 500 С. Из таких материалов изготовляют, например, покрытия радиолокационного оборудования ракет.
 

Работа радиолокационной станции зависит не только от конструкции отдельных блоков, но также от согласованности работы в целом. В частности, передатчик, приемник, модулятор и антенный переключатель часто объединяются в общий высокочастотный блок, который располагается вблизи от антенны. Механическая конструкция такого блока зависит от его расположения. Самолетное оборудование изолируется и герметизируется в обтекаемом контейнере, причем из-за ограничений по габаритам и весу возникает необходимость использовать мини-атюризированную аппаратуру. Военное радиолокационное оборудование конструируется так, чтобы оно могло работать в тропических условиях, Имеется возможность проверять с помощью контрольных выводов отдельные цепи и узлы; кроме того, для защиты оборудования в случае отказа некоторых основных узлов имеется система релейной защиты. Для защиты от случайных внешних магнитных полей производится, например, экранировка железом Армко. При этом, конечно, все тепло, выделяющееся в оборудовании, должно отводиться. Требующийся теплообмен может быть достигнут с помощью радиатора, имеющего внутренние и внешние ребра, обдуваемые вентиляторами. На высокоскоростных самолетах, летающих на больших высотах, может потребоваться охлаждение аппаратуры с помощью холодильника.
 

Литература

• М. М. Лобанов. Развитие советской радиолокационной техники. — М.: Воениздат, 1982. — 239 с.
• М. М. Лобанов. Самолётные станции «Гнейс-2», ПНБ и «Гнейс-5» // Начало советской радиолокации. — М.: Советское радио, 1975. — 288 с.
• Bowen, Edward George. Radar Days. — CRC Press, 1998. — ISBN 9780750305860.
• Parker, Dana T. Building Victory: Aircraft Manufacturing in the Los Angeles Area in World War II. — Cypress, CA, 2013. — ISBN 978-0-9897906-0-4.
• Galati, Gaspare. 100 Years of Radar. — Springer, 2021. — ISBN 978-3-319-00583-6.
• Holpp, Wolfgang. The Century of Radar. — EADS Deutschland GmbH, 2000.

Как «искусственный интеллект» ищет цель

Состав элементов радиолокационной системы, конечно же, зависит от назначения системы и задач, решение которых возлагается на нее. Тем не менее можно рассмотреть некоторую обобщенную структуру РЛС и рассказать о предназначении элементов такого радиолокатора.

Представим структурную схему гипотетической РЛС, в основу работы которой положен активный метод радиолокации при импульсном режиме излучения, то есть с использованием импульсных зондирующих сигналов в виде чередующихся во времени отрезков колебаний.

На данной структурной схеме можно представить шесть основных элементов типовой РЛС, которые будут иметь место вне зависимости от принципов ее построения, – передатчик (ПРД), приемник (ПРМ), антенная система (АНТ), антенный переключатель (АП), система управления и синхронизации, система обработки.

Передатчик, или передающий тракт РЛС, обеспечивает формирование зондирующего радиосигнала, усиление его до требуемого уровня мощности и передачу в антенную систему. Антенна в импульсном радиолокаторе работает как на передачу, так и на прием. Переключение антенны из режима излучения в режим приема обеспечивается с помощью антенного переключателя, который управляется сигналами системы управления и синхронизации.

Приемник РЛС обеспечивает предварительное преобразование принятого сигнала. Во-первых, осуществляет доведение уровня принятого сигнала до необходимого значения для успешной работы последующих узлов радиолокатора. Во-вторых, осуществляет преобразование (чаще уменьшение) несущей частоты принимаемого сигнала для снижения требований к элементам системы обработки. В-третьих, обеспечивает предварительную селекцию полезного сигнала (сигнала, отраженного от цели) из сигналов помех, которые действуют одновременно с полезным сигналом.

После предварительного преобразования в приемнике сигнал поступает в систему обработки, в которой решаются задачи по выделению из принятого сигнала информации о цели. Система обработки в современных РЛС представляет собой цифровую вычислительную систему, подобную обычному компьютеру или совокупности компьютеров. Поэтому данный элемент РЛС часто еще называют цифровой системой обработки.

Необходимо заметить, совокупность алгоритмов, закладываемых в систему обработки, определяет возможности РЛС и качество решения задач радиолокационного приема радиолокатором. Часто говорят, что система обработки определяет «интеллект» РЛС. Хотя термин «интеллект», конечно же, применим только к человеку. Однако современные технологии позволяют создавать технические системы, например, роботы, обладающие искусственным интеллектом. Современный уровень разработки алгоритмов в РЛС таков, что термин «искусственный интеллект» вполне применим и к современным радиолокаторам.

Подробнее о радиолокационных системах, их применении и перспективах читайте в книге «Радиолокация для всех» (В.С. Верба, К.Ю. Гаврилов, А.Р. Ильчук, Б.Г. Татарский, А.А. Филатов / под редакцией члена-корреспондента РАН В.С. Вербы).

«Редкий и сложный вид техники»

По мнению военного эксперта, директора по развитию Фонда содействия технологиям XXI века Ивана Коновалова, для России «крайне важно создать передовой эшелон системы радиолокационной разведки и единую сеть загоризонтной радиолокационной разведки»

«Это нужно для защиты, ведь в потенциальной войне противостояние в воздухе играет определяющее значение

И этому аспекту необходимо уделять особое внимание», —  пояснил аналитик в разговоре с RT

По словам Коновалова, «сейчас РФ обладает одними из лучших в мире систем противовоздушной и противоракетной обороны, причём глубоко эшелонированными».

Как пояснил в комментарии RT военный эксперт, старший научный сотрудник ВШЭ Василий Кашин, загоризонтные РЛС — это особый вид радиолокационных станций, которые «позволяют обнаруживать низколетящие цели на больших удалениях».

«Это довольно редкий и довольно сложный вид техники. Они необходимы для заблаговременного обнаружения самолётов и других аэродинамических целей, приближающихся к российским границам. Поставленная на вооружение эшелонированной обороны РЛС «Контейнер» повышает готовность российских ВКС к отражению нападения возможного противника, поскольку позволяет лучше отслеживать активность разведывательной авиации», — заявил аналитик.

Также по теме

«Единый контур управления»: какая новейшая военная техника усилила боевые возможности ВКС России

Ровно пять лет назад к выполнению задач приступили Воздушно-космические силы, объединившие авиацию, части ПВО и войска…

Военный эксперт полковник в отставке Михаил Ходарёнок, в свою очередь, отметил в беседе с RT, что «информация о возможных действиях вероятного противника будет поступать крайне оперативно» благодаря большой дальности работы РЛС «Контейнер».

По словам Ходарёнка, применение РЛС «Контейнер» «позволяет войскам добиваться хороших результатов», в частности обнаруживать воздушные и наводные цели на значительном отдалении от месторасположения станции.

Василий Кашин назвал «огромным преимуществом» то, что у загоризонтной РЛС нет таких ограничений, как у обычной радиолокационной станции.

«Из-за кривизны земли традиционная РЛС низколетящие цели на относительно небольшом расстоянии уже не видит. У загоризонтной станции с этим проблем нет — там сигнал идёт сверху, отражаясь от ионосферы», — пояснил он.

Принцип радиолокации

Радиотехническое оборудование и средства, предназначенные для выполнения задач радиолокации, получили название радиолокационных систем, или устройств (РЛС или РЛУ). Основы радиолокации базируются на следующих физических явлениях и свойствах:

• В среде распространения радиоволны, встречая объекты с иными электрическими свойствами, рассеиваются на них. Волна, отраженная от цели (или ее собственное излучение), позволяет радиолокационным системам обнаружить и идентифицировать цель.
• На больших расстояниях распространение радиоволн принимается прямолинейным, с постоянной скоростью в известной среде. Это допущение делает возможным измерение дальности до цели и ее угловых координат (с определенной ошибкой).
• На основании эффекта Доплера по частоте принятого отраженного сигнала вычисляют радиальную скорость точки излучения относительно РЛУ.

Алгоритм определения дальности и направления

Скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере составляет 300 тыс. км/с. Поэтому, зная время, затраченное транслируемым сигналом на преодоление расстояния от станции до цели и обратно, легко вычислить удаленность объекта. Для этого необходимо точно зафиксировать время отправки импульса и момент принятия отраженного сигнала.

Для получения информации о местонахождении цели используется остронаправленная радиолокация. Определение азимута и элевации (угла места или возвышения) объекта производится антенной с узким лучом. Современные РЛС используют для этого фазированные антенные решетки (ФАР), способные задавать более узкий луч и отличающиеся высокой скоростью вращения. Как правило, процесс сканирования пространства совершается минимум двумя лучами.

Перспективы развития

Для современной радиолокационной станции главным оценочным критерием выступает соотношение эффективности и качества. Под эффективностью понимаются обобщенные тактико-технические характеристики оборудования. Создание совершенной РЛС — сложная инженерная и научно-техническая задача, осуществление которой возможно только с использованием новейших достижений электромеханики и электроники, информатики и вычислительной техники, энергетики.

По прогнозам специалистов, в ближайшем будущем главными функциональными узлами станций самого разного уровня сложности и назначения будут твердотельные активные ФАР (фазированные антенные решетки), преобразующие аналоговые сигналы в цифровые. Развитие вычислительного комплекса позволит полностью автоматизировать управление и основные функции РЛС, предоставив конечному потребителю всесторонний анализ полученной информации.

«Высокая скрытность»

Как пояснили эксперты, в настоящее время в российские войска поступают именно глубоко модернизированные комплексы АЗК-7М. В состав данной системы артиллерийской разведки входят центральный пункт с функциями приёма результатов обработки звуковых сигналов и три базовые станции, которые осуществляют развёртывание звуковых постов. Передача телекодовых сообщений на центральный пункт проходит по радио или проводному каналу связи.

Вся аппаратура АЗК-7М размещается на четырёх вездеходных автомобилях «Урал-43203», оснащённых специальными кузовами-фургонами К2.4322М. Спецтехника на данном шасси может использоваться в условиях полного бездорожья. 

По информации «Рособоронэкспорта», приблизительная дальность засечки АЗК-7М при нормальных метеоусловиях на среднепересечённой местности варьируется от 5 до 16 км. Например, местоположение миномётов фиксируется на расстоянии 5—8 км, артиллерийских орудий — на 12—16 км.

Ширина полосы разведки АЗК-7М при развёртывании трёх базовых пунктов составляет 10—12 км, время определения координат целей — не более 15 секунд, экипаж каждого пункта — пять человек, дальность устойчивой радиосвязи с внешними абонентами — до 20 км.

Развёртывание АЗК-7М для работы на средствах радиосвязи осуществляется в течение 45 минут, по проводным линиям связи — не более 90 минут. Такие данные приводятся в 11-м номере журнала «Военная мысль» за 2020 год в статье о развитии звуковой разведки. Материал вышел под авторством двух полковников — М.А. Сафронова и В.В. Шульги, а также кандидата технических наук В.В. Камышева.

Также по теме

«Точность и эффективность огня»: на что способны артиллерийские комплексы 1В181 и 1В198

Боевые комплексы для автоматизированного управления артиллерийским огнём 1В181 и 1В198 отправлены российским военным в рамках…

Из информации российских военных следует, что автоматизированные звукометрические комплексы применяются совместно с другими разведывательными средствами.

В их числе наземные радиолокационные станции СНАР-10 «Леопард» и АРК-1М «Рысь», комплекс разведки, управления и связи (КРУС) «Стрелец», беспилотники «Застава», «Гранат» и «Орлан-10». По сообщению пресс-службы ВВО, применение семейства АЗК-7 в паре с дроном «Орлан-10» увеличивает точность разведки на расстоянии свыше 15 км.

Как поясняется в материале, опубликованном в «Военной мысли», при проведении артиллерийской разведки требуется использовать широкий перечень источников информации о целях, и звукометрические комплексы — один из них.

«Основными достоинствами комплексов звуковой разведки являются возможность приёма сигналов с любого направления и пассивный режим работы, что обеспечивает высокую скрытность их функционирования, исключающую поражение противорадиолокационными ракетами», — говорится в статье Сафронова, Шульги и Камышева.

«Лис» — РЛС разведки целей ближней дальности

111L1 «Лис» (базовая конструкция) – наземный радиолокатор, устанавливаемый на автотранспортных средствах и обеспечивающий обнаружение людей, транспортных средств, низколетящих вертолетов и надводных суден в секторе 120° по азимуту.

111L2 «Лис-М» – переносной наземный радиолокатор, устанавливаемый на треноге и обеспечивающий обнаружение людей, транспортных средств, низколетящих вертолетов и надводных суден и корректировки стрельбы артиллерии по разрывам снарядов в 360° по азимуту.

Радиус действия РЛС – 12 км. «Лис» автоматически отслеживает цель в любое время суток и года, при любых погодных условиях. Объект отображается на жидкокристаллическом дисплее, одновременно определяются скорость его движения и дальность. Благодаря специальной платформе РЛС «Лис» может быть установлен на любом транспортном средстве.

Режимы работы РЛС

Существует два основных режима функционирования радиолокационных станций и устройств. Первый — сканирование пространства. Он осуществляется по строго заданной системе. При последовательном обзоре перемещение луча радара может носить круговой, спиральный, конический, секторный характер. Например, решетка антенны может медленно поворачиваться по кругу (по азимуту), одновременно сканируя по углу места (наклоняясь вверх и вниз). При параллельном сканировании обзор осуществляется пучком радиолокационных лучей. Каждому соответствует свой приемник, ведется обработка сразу нескольких информационных потоков.

Режим слежения подразумевает постоянную направленность антенны на выбранный объект. Для ее поворота, согласно с траекторией движущейся цели, используются специальные автоматизированные следящие системы.

«Крестные отцы» радара

Как и в случае со многими другими изобретениями, дату точного создания радара и имя его создателя зафиксировать сложно. В первой половине XX века ученые ведущих стран двигались параллельными путями, приходя к тем или иным решениям иногда практически одновременно. А появление таких сложных устройств, как радар, всегда является результатом работы многих людей и коллективов. Однако историки едины во мнении, что приближающаяся Вторая мировая война стала своего рода ускорителем для многих ключевых технологий XX века, в том числе и для радиолокации.

Теоретические основы для радиообнаружения объектов были заложены еще в конце XIX века, но для их практического воплощения потребовались еще долгие годы и изобретение большого количества вспомогательных для радиолокатора устройств и технологий. За пальму первенства в создании радара в условиях секретности боролись технологические лидеры – Великобритания, Германия, США, Франция и СССР.

Еще в 1886 году немецкий физик Генрих Герц обнаружил, что радиоволны способны отражаться телами. А в 1897 году «отец радио» Александр Попов при испытаниях радиоприемника поймал радиоволны, отраженные от металла корабля, попавшего между передатчиком и приемником. В 1900 году Никола Тесла предположил, что объекты на земле и в воздухе можно находить с помощью отраженных электромагнитных волн.

Основные параметры систем

От тактических и технических характеристик оборудования во многом зависит эффективность и качество решаемых задач.

К тактическим показателям РЛС причисляют:

• Зону обзора, ограниченную минимальной и максимальной дальностью обнаружения цели, допустимым азимутальным углом и углом возвышения.
• Разрешающую способность по дальности, азимуту, элевации и скорости (возможность определять параметры рядом расположенных целей).
• Точность измерений, которая измеряется наличием грубых, систематических или случайных ошибок.
• Помехозащищенность и надежность.
• Степень автоматизации извлечения и обработки поступающего потока информационных данных.

Заданные тактические характеристики закладываются при проектировании устройств посредством определенных технических параметров, среди которых:

• несущая частота и модуляция генерируемых колебаний;
• диаграммы направленности антенн;
• мощность передающих и принимающих устройств;
• габаритные размеры и масса системы.

Историческая справка

На способность радиоволн к отражению указывали великий физик Г. Герц и русский электротехник А.С. Попов еще в конце XIX века. Согласно патенту от 1904 года, первый радар создал немецкий инженер К. Хюльмайер. Прибор, названный им телемобилоскопом, использовался на судах, бороздивших Рейн. В связи с развитием авиационной техники применение радиолокации выглядело очень перспективным в качестве элемента противовоздушной обороны. Исследования в этой области велись передовыми специалистами многих стран мира.

В 1932 году основной принцип радиолокации описал в своих работах научный сотрудник ЛЭФИ (Ленинградского электрофизического института) Павел Кондратьевич Ощепков. Им же в сотрудничестве с коллегами Б.К. Шембель и В.В. Цимбалиным летом 1934 года был продемонстрирован опытный образец радиолокационной установки, обнаружившей цель на высоте 150 м при удалении 600 м. Дальнейшие работы по совершенствованию средств радиолокации сводились к увеличению дальности их действия и повышению точности определения местоположения цели.