Характеристика пассивной радиолокации

Пассивная радиолокация, радиолокация объекта по его собственному излучению. Отсутствие излучения зондирующего сигнала повышает скрытность работы, существенно затрудняет обнаружение пассивных радиолокационных станций (РЛС) и создание им помех (см. Радиолокационные помехи). Различают пассивную радиолокацию объектов с искусственным (радиопередатчики различного назначения) и естественным (тепловым) излучением радиоволн. Приём пассивной РЛС радиоволн, излучаемых земной и водной поверхностями, используется для снятия радиолокационной карты местности в навигационных целях или обзора местности с целью её разведки, а также для обнаружения отдельных объектов с интенсивным радиоизлучением. Такая РЛС имеет радиоприёмник и антенну с узкой, иглообразной диаграммой направленности, сканирующей в заданном секторе. Принятые сигналы после обработки в приёмнике поступают на электроннолучевой индикатор, у которого развёртка изображения синхронизирована с перемещением диаграммы направленности антенны. На экране индикатора получают картину теплового радиоизлучения местности.

Кроме того, пассивные РЛС используются для обнаружения и определения координат воздушно-космических объектов, в частности баллистических ракет на активном участке полёта, и угловых координат внеземных источников радиоизлучения. Последнее служит навигационным целям определения широты и долготы точки размещения РЛС.

В отличие от так называемой активной радиолокации, пассивная радиолокация не позволяет найти дальность лоцируемого объекта по данным приёма сигналов только в одном пункте. Для полного определения координат объекта необходимо совместное использование нескольких (2 и более) РЛС, разнесённых на некоторое (известное) расстояние. Различают 3 способа определения координат радиоизлучающих объектов с помощью пассивной радиолокации: угломерный (метод триангуляции), разностно-дальномерный и угломерно-разностно-дальномерный.

При угломерном способе определяют только направление на лоцируемый объект — при помощи двух (или более) пассивных РЛС, разнесённых на расстояние l. Если объект и обе РЛС расположены в горизонтальной (вертикальной) плоскости, достаточно найти 2 азимута (2 угла места), а определение дальности осуществляется решением треугольника. Для определения координат объекта в общем случае необходимо измерить не менее 3 угловых координат. Измерив 2 азимута и один угол места, дальность до объекта от первой РЛС можно найти по формуле:

Разностно-дальномерный способ определения координат предусматривает измерение разностей расстояний от излучаемого объекта до пассивных РЛС. Для определения координат объекта на плоскости требуется определить не менее двух значений разности расстояний, для чего необходимо иметь по крайней мере 3 разнесённые РЛС. Так же, как и в разностно-дальномерных радионавигационных системах, местоположение объекта определяется точкой пересечения гипербол, соответствующих измеренным разностям расстояний, с фокусами в точках расположения РЛС.

Угломерно-разностно-дальномерный способ является комбинацией первых двух и заключается в определении направлений и разности расстояний от объекта до РЛС. При этом способе надо иметь не менее двух РЛС. Определение плоскостных координат объекта обеспечивается измерением одной угловой координаты и разности расстояний.

Дальность действия пассивных РЛС при резко контрастных объектах может превосходить дальность действия активных (излучающих) РЛС. Точности измерения угловых координат пассивными и активными РЛС примерно одинаковы, точность определения дальности у пассивных РЛС, как правило, ниже.

Появление противорадиолокационных ракет и высокоточного оружия значительно понизило живучесть активных радиолокационных станций и заставило разработчиков оружия искать новые способы и средства повышения эффективности отдельных средств и группировок противовоздушной обороны.

СПРАВЕДЛИВОСТЬ таких выводов неоднократно подтверждалась боевыми действиями в зонах локальных конфликтов, например, в Ливии, Ираке, Боснии, Югославии. Кроме того, появление технологии скрытого полета «Стелс», гиперзвуковых средств воздушного нападения и массированного применения помех привели к ужесточению требований к качеству целеуказания и, прежде всего, к темпу обзора, помехозащищенности, точностным характеристикам и качеству распознавания, выполнить которые, опираясь на активные РЛС традиционного построения, просто нереально.

Первые в истории попытки боевого применения пассивных систем обнаружения сводились к использованию пеленгационных каналов РЛС с последующим объединением информации от различных РЛС на пункте обработки. Метод получил название триангуляции. Идея триангуляции совершенно прозрачна: направление на излучающий объект определяется из разных точек пространства, а затем по известным углам и расстояниям между РЛС определяется дальность до объекта.

Используются штатные РЛС, линии связи и пункт обработки. Однако недостатки триангуляционного метода стали практически непреодолимым барьером на пути его боевого применения. Причины у этих недостатков две: низкая точность измерения координат и наличие большого числа ложных пересечений при пеленгации нескольких излучающих целей.

Точность пеленгации определяется шириной луча РЛС, отнесенной к соотношению «сигнал-помеха», и для существующих РЛС достигает величины 0,25−0,5 град. Такая величина пеленгационной погрешности приводит к неприемлемым ошибкам вычисления дальности триангуляционным методом. Принципиально и то, что триангуляционный метод работает по непрерывному излучению. Кроме того, пеленгационный канал РЛС может обнаружить пеленг только в полосе частот станции — вне этой полосы излучение не фиксируется. А в результате переотражений от местных предметов, нижняя кромка обнаружения, в зависимости от длины базы (расстояния между пеленгаторами), достигает 200−4000 м.

Хотя триангуляционные алгоритмы и были реализованы на командных пунктах радиотехнических войск, работали они, по некоторым данным, по одиночным целям только при расстоянии между пеленгаторами порядка 120−200 км и практически не использовались в боевом режиме.

Попытки использовать в качестве пеленгаторов специальные широкополосные пеленгационные станции и однопозиционные станции радиотехнической разведки лишь усугубляют недостатки. Для сохранения приемлемого темпа частотного и пространственного обзора приходится применять азимутальные лучи шириной в 10−15 град., что приводит к угловым ошибкам порядка 1,5−2 град. На дальностях в несколько сотен километров это приводит к ошибкам вычисления дальности, соизмеримыми с самой дальностью.

Об использовании триангуляционного метода за рубежом известно немногое. В 1969 г. в Англии была принята на вооружение однобазовая триангуляционная система с базой порядка 100 км. Двухбазовая триангуляционная система с базой порядка 40 км разрабатывалась в 1970;е гг. в США. Имеются также сообщения о работах такого плана в ФРГ. Однако широкого распространения триангуляционный метод не получил. В первую очередь, из-за принципиальной невозможности обеспечить точность и разрешение, достаточные для целеуказания активным средствам ПВО. Но интерес к пассивным локационным системам был достаточно высок, и неудачи применения триангуляционного метода привели к поиску иных способов обнаружения и измерения координат излучающих объектов.

Наибольшее внимание привлек разностно-дальномерный метод, основанный на измерении разности хода сигналов до приемных позиций. Этот метод позволяет работать как по импульсным, так и по непрерывным сигналам, в том числе по шумовым и шумоподобным. Особенно эффективен он в случаях, когда для вычисления разности хода применяется базово-корреляционная обработка, при которой вид принимаемых сигналов не имеет значения.

Принципиальное отличие разностно-дальномерного метода от триангуляции заключалось в синхронном приеме сигналов от излучающего источника на разнесенных позициях. Определение координат источника осуществляется по разности прихода сигналов на каждую из позиций, а сама разность прихода сигнала к одной позиции относительно другой определяется из положения максимума взаимно-корреляционной функции сигналов от этих позиций или разности прихода импульса до приемных пунктов.

Разностно-дальномерный метод позволял получить точность измерения углов в несколько угловых минут — результат, недостижимый для триангуляционных систем и активных РЛС. Ошибка определения угловых координат при таком методе определяется отношением ошибки измерения разности хода сигналов к длине базы. Ошибка измерения разности хода определяется отношением интервала корреляции сигнала (величины, обратной полосе частот обрабатываемого сигнала) к пороговому отношению сигнал/помеха, возможности изменения которых в достаточной степени ограничены. В реальности ошибка измерения разности хода составляет порядка 5−10 м. Зато длина базы вполне может меняться и чем больше она будет, тем большие точности обеспечит метод. Так, например, длина базы в 30 км как раз и обеспечивает точности в 0,6−1,2 угловых минут.

Пионером в реализации разностно-дальномерной обработки стал НИИ радиотехники (ВНИИРТ), входящий ныне в НПО «Скала». В 1969 г. ВНИИРТ приступил к созданию комплекса пассивной локации (КПЛ) «База», в котором впервые был реализован базово-корреляционный метод обнаружения излучающих объектов.

Однако реализация описанного метода в КПЛ обладала рядом недостатков, существенно затруднивших широкое применение комплекса. Уже в середине 1970;х стало ясно, что эксплуатация такого комплекса — слишком дорогое удовольствие: стоимость годовой эксплуатации КПЛ составляла половину стоимости опытного образца. Поэтому просто поставить его на дежурство было накладно, а применить для гражданских целей не удавалось. Прежде всего, потому что «База» работала по непрерывному излучению — активной шумовой помехе, применение которой в мирное время весьма ограничено. В то же время излучения бортовых средств авиации, в том числе и гражданской, весьма существенны, но эти излучения, в основном, импульсные. Принципиально базово-корреляционный метод годился для работы по импульсным сигналам, но его аппаратурная реализация в начале 1970;х гг. была сложна. Да к тому же определение местоположения объекта, излучающего импульсы, можно производить несколько проще — непосредственно измеряя задержку прихода импульсов на каждой приемной позиции.

По такому пути пошли специалисты из чехословацкого объединения Tesla, разработавшие в 1980;е гг. станции «Рамона» и «Тамара», в которых корреляционной обработки не было вовсе. В связи с этим станции не работали по непрерывным сигналам, зато по импульсным излучениям работали вполне успешно, что показал опыт войны в Боснии и Югославии. Только эти станции уцелели в результате бомбардировок и обеспечивали выдачу целеуказаний зенитным ракетным комплексам и авиации. В настоящее время чешская фирма Era, наследница объединения Tesla в части разработок станций пассивной локации, успешно производит пассивные локационные системы.

Гражданское применение пассивных систем особенно актуально в связи с экологическими требованиями на аппаратуру и ограничениями на излучение СВЧ в местах нахождения и проживания людей. Однако использование станции, работающей только по импульсным сигналам, в качестве средства целеуказания существенно сужает возможности оборонительных систем. Например, постановщики активных помех остаются невидимыми. Не обнаруживаются также пользователи широкополосных многофункциональных систем связи типа JTIDS, «тихие» бортовые РЛС, использующие квазинепрерывный сигнал и тому подобные источники. Распознавание сигналов, реализованное для простых импульсов, усложняется при попытках работать по более сложным сигналам. И, самое главное, уже установилась тенденция использования в бортовых РЭС непрерывных и квазинепрерывных сигналов, что обещает сделать метод, базирующийся на измерении задержек прихода импульсов, полностью бесполезным для целей обороны. Потому в военных системах использование импульсного канала будет весьма недолгим, и будущее — целиком за базово-корреляционными методом обнаружения, который не зависит от модуляции принимаемых сигналов и потенциально устойчив к помехам.

Собственно, и сейчас практически ничто не сдерживает их применение. Со времен «Базы» развитие средств вычислительной техники позволило повысить быстродействие корреляторов и многократно снизить стоимость реализации базово-корреляционного метода. Можно ожидать, что рост возможностей вычислительных средств, при одновременном снижении их стоимости, продолжится и впредь. С другой стороны, уже разработаны алгоритмы, позволяющие решить задачу распознавания сигналов по виду корреляционной функции. Позволяя за приемлемую цену решать задачи по управлению воздушным движением для гражданских целей, базово-корреляционный канал резко усиливает возможности пассивной станции по обнаружению воздушных объектов, применяемых в качестве средств воздушного нападения, и позволяет решать задачи как по контролю воздушного пространства, так и по выдаче целеуказания активным средствам ПВО. В последнем случае особенно важно отсутствие у станции демаскирующих признаков, по которым места дислокации средств целеуказания могут быть оперативно обнаружены нападающей стороной.

В современных зенитных ракетных системах (ЗРС) большой дальности значительное внимание уделяется скрытности работы. Зенитные управляемые ракеты (ЗУР) таких комплексов строятся по принципу «выстрелил и забыл», когда после старта вывод ЗУР на цель обеспечивает автономная система наведения, а связь с пусковой установкой прекращается. Это не дает возможности противнику обнаружить ЗРС по излучению радиолокатора подсвета и наведения. Однако, в силу своей специфики, средства целеуказания ЗРС должны обнаруживать цели на расстоянии в несколько сотен километров. При использовании активных радиолокационных средств для обнаружения, позиции ЗРС легко выявляются противником по излучению последних и вполне могут быть уничтожены. Построение системы целеуказания на принципах пассивной локации становится в таком случае очень привлекательным для ЗРС средней и большой дальности, поскольку снимает основной демаскирующий признак ее работы. В результате такого построения можно получить по-настоящему «тихую» ЗРС, против которой нынешние противорадиолокационные ракеты и средства обнаружения беcполезны.

Основные характеристики

Основным тактическими характеристиками являются:

• — форма и размеры зоны обнаружения;
• — состав выдаваемой информации;
• — точность измерения координат целей;
• — разрешающие способности по измеряемым координатам;
• — информационная способность;
• — помехозащищенность;
• — эксплуатационная надежность;
• — мобильность;
• — живучесть.

Рассмотри несколько подробнее каждую из вышеперечисленных характеристик.

Зоной обнаружения РЛС называется область пространства, в пределах которой обеспечивается обнаружение целей, обладающих заданной ЭПР, с вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги не хуже требуемых. Форма и размеры зоны обнаружения зависят от типа РЛС (дальномер, высотомер), энергетических характеристик, диапазона волн и ряда других факторов. радиолокация излучение пеленгация импульсный Под составом информации понимают полный перечень параметров радиолокационной цели (координаты, закон движения, тип цели, состав, государственная принадлежность, характер действий), которые может выдавать РЛС после одного или нескольких обзоров. Состав информации определяется возможностями РЛС и, главным образом, требованиями потребителей информации и решаемыми задачами.

Точность измерения координат характеризуется погрешностями измерения, представляющими собой разность между истинными и измеренными значениями координат целей в момент измерения. Поскольку эти разности — случайные величины, для количественной оценки точности используют, как правило, среднеквадратическую погрешность измерения, а иногда максимальную погрешность в 80% измерений.

Требования к точности радиолокационной информации, выдаваемой РЛС, зависят от сложности задач, решаемых с использованием этой информации. Если таких задач несколько, то при предъявлении требований к точности должно быть проанализировано ее влияние на выполнение каждой задача. Иногда можно ограничиться анализом той задачи, которая требует заведомо лучших точностных характеристик РЛС. Так, например, решение задачи наведения своих истребителей на цель или целеуказатель ЗРК требует больших точностей измерения координат, чем решение задачи целераспределения. Однако и в том случае, когда обоснование требуемой точности ограничивается решением одной задачи, оно весьма сложно, поскольку связано, как правило, с анализом системы, в которую, кроме РЛС, входят другие элементы, вносящие свои ошибки.

Разрешающей способностью РЛС по данной координате считается минимальный интервал между двумя целями по этой координате, при котором значения ее для каждой цели можно определить раздельно при условии, что все другие координаты целей совпадают. Иногда в качестве меры разрешающей способности РЛС по всем координатам (пространственным) используют импульсный (разрешаемый) объем.

Информационная способность характеризуется максимальным количеством целей, координаты и характеристики которых могут быть получены на выходе устройства съема и обработки в РЛС в единицу времени. Информационная способность напрямую зависит от способа съема информации (визуального или автоматизированного (автоматического)).

Помехозащищенность — это количественная характеристика способности РЛС выполнять боевую задачу в условиях радиопомех.

Различия характера помех и специфики их влияния на РЛС затрудняют введение единых показателей помехозащищенности. В настоящее время показатели помехозащищенности введены раздельно для конкретных видом радиопомех (активных — сектор эффективного подавления, коэффициент подавления помех в направлении боковых лепестков ДНА; пассивных — коэффициент подавления, коэффициент подпомеховой видимости).

Эксплуатационная надежность РЛС характеризует ее способность к безопасной работе и быстрому восстановлению после отказа. Основными показателями надежности РЛС являются вероятность безотказной непрерывной работы в течении тактически необходимого времени (иногда используется усредненный показатель надежности — среднее время безотказной работы) и среднее время восстановления.

Мобильность РЛС включает: время развертывания, свертывания, включения, выключения; возможности, способы, скорости транспортировки; количество, массу и габариты транспортных единиц.

Живучесть РЛС характеризуется устойчивостью функционирования ее систем при воздействии поражающих факторов ядерного и осколочно-фугасного оружия. Наиболее уязвимой является антенная система РЛС, так как вся остальная аппаратура может располагаться в укрытиях. Поэтому предъявляются повышенные требования к механической прочности конструкции антенной системы, а также к возможности ее быстрой замены. Живучесть РЛС в мирное время характеризуется допустимой скоростью ветра в м/с и толщиной обледенения антенной системы, которые не приводят к ее поломке.

Технические характеристики РЛС должны обеспечивать выполнение тактических требований, т. е. являются основой обеспечения боевых возможностей. Рассмотрим важнейшие из технических характеристик основных систем РЛС.

Передающие устройства генерируют высокочастотный зондирующий сигнал и характеризуются следующими техническими данными:

Средняя мощность генерируемого сигнала — это усредненная за период повторения мощность СВЧ сигнала:

.

Импульсная мощность генерируемого сигнала (Pи) — это средняя в течение импульса мощность сигнала, отдаваемая передатчиком в антенну РЛС:

.

длительность генерируемого сигнала () — это время, в течение которого генератор вырабатывает энергию СВЧ;

частота повторения сигнала (Fn) — величина, показывающая количество импульсных посылок энергии СВЧ вырабатываемых передатчиком в единицу времени (сек). Величина, обратная частоте повторения Fn, называется периодом повторения Tn зондирующих сигналов.

Высокочастотный тракт РЛС осуществляет передачу СВЧ энергии зондирующих сигналов от передатчика к антенне и принятых высокочастотных эхо-сигналов от антенны на вход приемного устройства. Выполнение рассмотренных функций может быть обеспечено в случае, если основные технические данные тракта не ниже требуемых:

• а) максимальная мощность передаваемого зондирующего сигнала — мощность, определяющая (обеспечивающая) необходимый запас электрической прочности тракта;
• б) степень согласования элементов ВЧ — тракта — определяет ту часть энергии зондирующего сигнала, которая излучается в пространство антенной РЛС.

Степень согласования высокочастотного тракта с нагрузкой характеризуется коэффициентом бегущей волны:

.

где Uмин, Uмакс — минимальное и максимальное значения напряжения стоячей волны в тракте.

Значение КБВ должно быть близко к единице. На практике величина КБВ для разных типов РЛС находится в пределах 0,5…0,95.

в) Затухание энергии в высокочастотном тракте — является средством потерь энергии в элементах тракта при ее прохождении. Омические потери энергии возрастают с уменьшением длины волны передаваемых колебаний. Потери увеличиваются также из-за неровностей токонесущих поверхностей, возникающих при загрязнении, коррозии, конденсировании на них влаги.

Антенные устройства РЛС имеют следующие технические характеристики:

• а) Коэффициент усиления антенны — это число, показывающее выигрыш в мощности зондирующего или отраженного сигнала, получающийся за счет направленного действия антенны.
• б) Форма диаграммы направленности антенны. Диаграммой направленности антенны (ДНА) называется зависимость напряженности поля от угловых координат, определяющих направление на точку наблюдения.

В РЛС РТВ используются антенные системы с ДНА косеканс-квадратного (изовысотная), лопаточного (изодальностная) и игольчатого видов.

в) Уровень боковых лепестков. Боковые лепестки ДНА РЛС характеризуют уровень излучения и приема электромагнитной энергии вне основного направления (главного лепестка). Этот недостаток антенн снижает помехозащищенность РЛС от активных помех и скрытность РЛС, а также в ряде случаев может приводить к появлению ложных отметок.

Приемное устройство РЛС характеризуется следующими качественными показателями:

• а) Чувствительность. Различают предельную и реальную чувствительность. Под предельной чувствительностью понимают минимальную мощность сигнала на входе приемника, при которой на его выходе отношение сигнал/шум равно единице. Реальная чувствительность — минимальная мощность сигнала на входе приемника, при которой на его выходе обеспечивается заданное превышение мощности сигнала над мощностью шумов.
• б) Коэффициент шума — это величина, показывающая во сколько раз отношение мощности сигнала к мощности шума на входе приемника больше, чем на его выходе:

.

где Pc, Pш — мощности сигнала и шума соответственно.

в) Коэффициент усиления — характеризует усилительные свойства приемника. Коэффициентом усиления по мощности Kр называют отношение мощности сигнала на выходе приемного устройства Pc вых к мощности сигнала Pc вх на его входе:

.

• г) Полоса пропускания приемника. Этот параметр характеризует полосу частот, на границах которой коэффициент усиления приемника по мощности Kp в два раза меньше коэффициента усиления на несущей частоте. Полоса пропускания радиолокационного приемника согласовывается с шириной спектра зондирующего сигнала.
• д) Динамический диапазон — определяет способность приемника работать без перегрузки при воздействии сильных сигналов и помех. Количественно динамический диапазон определяется отношением максимальной амплитуды сигнала к минимальной, при котором сигнал на выходе еще не искажается. Чаще всего этот параметр приводится в дБ.

Динамический диапазон является важным параметром приемных систем РЛС и в большой степени определяет количественные показатели помехозащищенности РЛС от активных и пассивных помех.

Аппаратура защиты от пассивных помех (АЗПП) — предназначена для выделения полезных сигналов на фоне отражений от местных предметов, искусственных пассивных помех, гидрометеоров и оценивается следующими показателями:

а) Коэффициент подавления помехи Kn -показывает во сколько раз мощность пассивной помехи на входе АЗПП больше, чем на ее выходе:

.

Кп является односторонней характеристикой АЗПП, так как не учитывает ее влияние на полезный сигнал.

• б) Коэффициент подпомеховой видимости Кпв определяется таким значением отношения мощности пассивной помехи к мощности сигнала на входе АЗПП, при которой на выходе обеспечивается заданное превышение мощности полезного сигнала над мощностью остатков пассивной помехи. При этом обеспечивается обнаружение и сопровождение цели с заданными показателями качества.
• в) Широкополосность — характеризует способность АЗПП подавлять искусственные пассивные помехи в заданном диапазоне доплеровских частот.

Аппаратура защиты от активных помех (АЗАП) — предназначена для выделения полезных сигналов на фоне активных помех и оценивается следующими параметрами:

• а) Коэффициент подавления помех — показывает во сколько раз мощность помехи на выходе АЗАП меньше, чем на ее входе. Недостаток Кп аналогичен как и у АЗПП.
• б) Коэффициент подпомеховой видимости показывает такое отношение мощности активной помехи к мощности полезного сигнала на входе АЗАП, при котором обнаружение и проводка цели осуществляются с заданными показателями качества.

Список используемой литературы

• 1. Коллектив авторов: Большая Советская энциклопедия // Советская энциклопедия, 1926 — 1990 гг.
• 2. Быстров Р. П., Соколов А. В.: Пассивная радиолокация. Методы обнаружения объектов // Пассивная радиолокация. Методы обнаружения обектов: М.: Радиотехника 2008 г. — 318 с. 3.
• 4. Ипатов В. П., Казаринов Ю. М., Коломенский Ю. А., Ульяницкий Ю. Д., Гришин Ю. П.: Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» — М.: Высш. шк., 1990. — 496 с.
• 5. Финкельштейн М. И. Основы радиолокации.-М.: Радио и связь, 1983.