СПОСОБ И КОМПЛЕКС БАРЬЕРНОГО ЗЕНИТНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОЗАМЕТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА БАЗЕ СЕТЕЙ СОТОВОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM
METHOD AND SYSTEM OF BARRIER AIR DEFENCE RADAR DETECTION OF STEALTH AIRCRAFT BASED ON GSM CELLULAR NETWORKS

Предлагаемое изобретение относится к разнесенной радиолокации и может быть использовано для обнаружения и измерения координат малозаметных маловысотных целей в воздушном пространстве в поле подсвета базовых станций сотовой связи стандарта GSM. Техническим результатом предлагаемого изобретения является обнаружение в зенитной плоскости маловысотных малозаметных в радиолокационном диапазоне целей, выполненных по технологии с уменьшенной отражающей способностью в передний и боковые ракурсы наблюдения и находящихся в поле подсвета базовых станций (БС) сотовой связи. Одно из направлений снижения заметности по технологии «Стелс» летательных аппаратов состоит в придании им такой конфигурации, которая способствует отражению электромагнитных волн, попадающих на элементы планера с переднего и боковых ракурсов, в верхнюю и нижнюю полусферы, тем самым уменьшая общий уровень радиолокационной заметности самолета в передней и боковой полусфере [1].
Известен способ обнаружения крылатых ракет, (Патент РБ, №13748, 2010.10.30, G01S 13/00), состоящий в приеме собственного электромагнитного излучения крылатой ракеты в диапазоне частот от 2 до 5 МГц, преобразовании принятого излучения в электрический сигнал, измерении его мощности, усилении, преобразовании принятого сигнала в электромагнитное излучение в упомянутой полосе часто, облучении крылатой ракеты электромагнитным излучением. Переотраженный от крылатой ракеты сигнал используется для ее обнаружения. Недостаток способа состоит в ограниченности перечня объектов локации, к которым он применим, поскольку разные летательные аппараты обладают различными собственными излучениями, а следовательно дальностями обнаружения. Для формирования направленного излучения в диапазоне частот фонового излучения потребуют применения громоздких антенных полей.
Известен способ Хехнева обнаружения низколетящих объектов, являющихся носителями электрического заряда (Авторское свидетельство СССР, №3155419, 22.08.1986), основанный на явлении электростатической индукции, образуемой полетом воздушной цели на поверхности Земли. При этом диаметр зоны индукции равен удвоенной высоте полета. С помощью датчиков, установленных на поверхности Земли, могут быть замерены количественные характеристики электрического поля движущихся воздушных маловысотных объектов. Недостатком способа является незначительная дальность действия устройств обнаружения электростатического заряда, а также зависимость величины заряда от электростатической проводимости почвы.
Известна [3] израильская система акустического обнаружения HELISPOT, включающая акустический прибор, размещаемый на мачте, установленной на земле или транспортном средстве. Система обеспечивает обнаружение, распознавание и пеленгование низколетящих вертолетов и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) 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. Недостаток системы - зависимость и ограничение дальности действия от окружающего акустического фона, типа двигателя и скорости полета БПЛА.
Известны радиолокационные станции маловысотного поля «Каста 2Е2», «Гамма ДЕ» [5] совмещенного типа и др, предназначенные для контроля воздушного пространства, определения дальности, азимута, эшелона высоты полета и трассовых характеристик воздушных объектов - самолетов, вертолетов, дистанционно пилотируемых летательных аппаратов и крылатых ракет, в том числе летящих на малых и предельно малых высотах, на фоне интенсивных отражений от подстилающей поверхности, местных предметов и гидрометеообразований. Недостаток радиолокационных станций типового парка обусловлен совмещением передатчика и приемника на одной позиции, что при использовании технологии «Стелс», особенно в передний ракурс наблюдения, приводит к существенному снижению дальности обнаружения. При этом высокая мощность, выделяемая на формирование радиолокационной зоны обнаружения, по целому ряду воздушных целей (например, маловысотным БПЛА среднего класса) оказывается малоэффективной. Поэтому в настоящее время на высотах до 200 м не создается сплошного поля радиолокации воздушных объектов над территорией РФ РЛС типового парка.
Известна бистатическая радиолокационная станция с обнаружением «на просвет» (Евразийский патент №007143, 2004.12.23 G01S 13/06, G01S 7/42), содержащая передающую позицию, излучающую квазигармонический сигнал, приемную позицию и рабочее место оператора. Причем приемная позиция состоит из последовательно соединенных приемной антенны с многолучевой диаграммой направленности, обращенной в сторону передающей позиции и N приемных каналов (по числу лучей диаграммы направленности приемной антенны), блока измерения пеленга, блока формирования траектории и распознавания классов воздушных целей. Недостаток бистатического радиолокатора состоит в необходимости формировании узкополосного специализированного квазигармонического сигнала, а также наличии узкой пространственной зоны просветного обнаружения, формируемого одним передатчиком, что существенно снижает пространственные возможности обнаружения.
Известен автономный мобильный комплекс видеотепловизионного наблюдения «Муром» компании «Стилсофт» [4]. Изделие включает в себя видеотепловизионные средства наблюдения, модуль интеграции с системой «РадиоРубеж», блок управления и связи, ноутбук с предустановленным СПО для локального управления, автономные источники электроэнергии, опционально - радиолокационную станцию STS 172. Комплекс предназначен для круглосуточного видеонаблюдения в видимом и инфракрасном диапазоне. Управление комплексом производится при помощи ноутбука с предустановленным СПО, подключенного к блоку управления специальным кабелем или по радиоканалу. Место оператора комплекса может располагаться в непосредственной близости от места развертывания комплекса, а также на удаленном до 8 км стационарном АРМ, посредством радиомоста на частоте 5 ГГц. Недостатки комплекса - ограничение дальности видеообнаружения прозрачностью атмосферы, кроме того, для передачи обнаруженной информации необходим выделенный радиоканал связи ограниченного радиуса действия.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, выбираемым в качестве прототипа, является радиолокационная станция со сторонним подсветом сетей сотовой связи стандарта GSM с каналом обнаружения «на просвет». (Патент РФ №154714 G01S 13/06, G01S 7/42), состоящая из целевого канала, предназначенного для обнаружения цели, находящейся в поле излучения базовой станции (БС) сотовой связи (СС), в координатах «суммарное время запаздывания - суммарная частота Доплера», просветного канала, предназначенного для обнаружения цели «на просвет», опорного канала, предназначенного для формирования опорного (синхронизирующего) сигнала, оконечного устройства, служащего для определения и отображения координат цели, и модема GPRS, предназначенного для передачи информации удаленным потребителям, причем антенна целевого канала является обзорной, управляемой с помощью устройства управления, антенна опорного канала является остронаправленной и ориентирована в направлении базовой станции сотовой связи, антенна просветного канала является слабонаправленной. Недостаток радиолокационной станции, выбранной в качестве прототипа, состоит в том, что для обнаружения малозаметных целей «на просвет» необходимо, чтобы цель находилась точно в луче опорной антенны, ориентированной на передатчик БС. Это ставит возможность обнаружения целей в просветном канале в зависимость от точного пространственного совпадения цели с линией визирования опорной антенны передатчика БС сотовой связи. При этом цель, пролетая выше или ниже линии визирования, может не попасть в просветную зону, но может оказаться в зоне видимости обзорной антенны. В случае малозаметной цели, выполненной со сниженной отражательной способностью в передние и боковые ракурсы наблюдения, ее обнаружение может не произойти, поскольку удаление цели от РЛС окажется больше дальности обнаружения, реализуемого энергетическим потенциалом РЛС. При этом на предельно малых высотах (до 300 м) действия подсвета БС СС в вертикальном (зенитном) ракурсе отражательная способность малозаметных целей, выполненных по технологии «Стелс», может оказаться выше, чем в остальных ракурсах наблюдения [1]. Это обстоятельство можно использовать для создания удаленной маловысотной зенитной барьерной системы локации в поле подсвета БС СС. Таким образом, целью заявляемого изобретения является наращивание дальности обнаружения маловысотных малозаметных воздушных целей со сниженной отражательной способностью в передний и боковые ракурсы наблюдения за счет удаления от базовой станции сотовой связи барьерной зоны обнаружения, формируемой в вертикальной плоскости каналом обнаружения «на просвет» радиолокационной станции со сторонним подсветом сетей сотовой связи стандарта GSM.
Указанная цель достигается тем, что в радиолокационную станцию со сторонним подсветом сетей сотовой связи стандарта GSM с каналом обнаружения «на просвет», состоящую из целевого, опорного и просветного каналов, последовательно соединенных М-канального матричного коррелятора, оконечного устройства и модема GPRS, причем в целевом канале последовательно соединены супергетеродинный приемник, усилитель промежуточной частоты с логарифмической характеристикой усиления (УПЧЛ) на частоте усиления, в опорном канале последовательно соединены ориентированная на базовую станцию антенна, супергетеродинный приемник и УПЧЛ на частоте усиления, при этом M первых объединенных входов M-канального матричного коррелятора параллельно подключены к выходу УПЧЛ целевого канала, а M вторых входов М-канального матричного коррелятора подключены параллельно к выходу УПЧЛ опорного канала, в канале обнаружения целей «на просвет», последовательно соединенные слабонаправленная приемная антенна, супергетеродинный приемник, первый смеситель, два входа которого подключены к супергетеродинному приемнику, первый фильтр грубой селекции, регулируемый усилитель, вычитающее устройство, фильтр нижних частот, а также последовательно соединенные второй смеситель и второй фильтр грубой селекции, причем два входа второго смесителя подключены к выходу супергетеродинного приемника опорного канала, выход второго фильтра грубой селекции подключен ко второму входу вычитающего устройства, выход фильтра нижних частот подключен ко второму входу оконечного устройства, отличающуюся тем, что дополнительно введены следующие изменения: параллельное включение входа супергетеродинного приемника целевого канала к выходу слабонаправленной антенны, ориентация диаграммы направлености слабонаправленной антенны вертикально вверх (в зенит), видеокамера, выход которой подключен ко входу оконечного устройства, причем ориентация поля видимости видиокамеры совпадает с направлением ориентации диаграммы направленности слабонаправленной антенны. Приведенная совокупность признаков отсутствует в исследованной патентной и научно-технической литературе по данному вопросу, следовательно предложенные технические решения соответствуют критерию «новизна».
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-5).
Фиг. 1 - блок-схема заявляемого комплекса;
Фиг. 2 - пространственное расположение диаграмм направленности антенн (ДНА) комплекса;
Фиг. 3 - расположение диаграмм направленности антенн (ДНА) комплекса в плоскости вертикального сечения;
Фиг. 4 - поле равных мощностей сигналов, отраженных от малоразмерных целей;
Фиг. 5 - изображение экспериментально полученных отраженных сигналов полученных доплеровским и просветным каналами.
Аппаратура комплекса барьерного зенитного обнаружения малозаметных летательных аппаратов на базе сетей сотовой связи стандарта GSM по фиг. 1 состоит из вынесенных относительно БС СС на требуемую дальность обнаружения малозаметных ЛА целевого 1, опорного 2 и просветного 3 каналов, последовательно соединенных М-канального матричного коррелятора 4, оконечного устройства 5 и модема GPRS 6, причем в целевом канале последовательно соединены супергетеродинный приемник 7, усилитель промежуточной частоты 8 с логарифмической амплитудной характеристикой (УПЧЛ) на частоте усиления, являющийся выходом целевого канала, в опорном канале последовательно соединены ориентированная на базовую станцию сотовой связи антенна 9, супергетеродинный приемник 10, УПЧЛ на частоте усиления 11, являющийся выходом опорного канала, при этом M первых объединенных входов М-канального матричного коррелятора 12 подключены параллельно к выходу УПЧЛ целевого канала 8, а M вторых входов M-канального матричного коррелятора 13 подключены параллельно к выходу УПЧЛ опорного канала 11, в канале обнаружения «на просвет» последовательно соединены слабонаправленная ориентированная вертикально вверх (в зенит) приемная антенна 14, выход которой и параллельно подключен ко входу супергетеродинного приемника целевого канала 7, супергетеродинный 15, первый смеситель 16, два входа которого подключены к супергетеродинному приемнику 15, первый фильтр грубой селекции (ФТС) 17, регулируемый усилитель 18, вычитающее устройство 19, фильтр нижней частоты 20, а также последовательно соединены второй смеситель 21, два входа которого подключены к выходу супергетеродинного приемника опорного канала 10, второй фильтр грубой селекции 22, выход которого подключен ко второму входу вычитающего устройства 19, видеокамеры 23, выход которой подключен ко входу оконечного устройства 5, а поле видимости ориентировано в направлении и соосно с диаграммой направленности слабонаправленной антенной 14.
Заявляемые способ и комплекс барьерного зенитного радиолокационного обнаружения малозаметных летательных аппаратов на базе сетей сотовой связи стандарта GSM работает следующим образом (фиг. 2). Произвольная базовая станция сотовой связи стандарта GSM24 формирует в горизонтальной плоскости слабонаправленное, а в вертикальной плоскости - направленное поле излучения 25. Комплекс барьерного обнаружения 26 посредством антенны 14 формирует слабонаправленное поле радиолокационного обнаружения 27 и посредством видеокамеры 23 оптико-электронное поле видимости 28, ориентированные вертикально (в зенит). Поле видимости 28 и диаграмма направленности 27 совпадают по пространству и перекрываются. Диаграмма направленности антенны опорного канала 29 (фиг. 3) ориентирована в направлении БС СС. В поле излучения БС СС 25 могут оказаться маловысотные малозаметные в радиолокационном диапазоне цели 30, ЭПР которых в переднем и боковом ракурсах наблюдения снижена за счет увеличения ЭПР в нижнем и верхнем ракурсах наблюдения [1]. В этом случае решение задачи радиолокационного обнаружения целей 30, при их наблюдении в передний и боковые ракурсы наблюдения, не обеспечивает требуемой дальности обнаружения. При этом контур планера малоразмерного летательного аппарата формирует максимум отраженного сигнала в нижнюю полусферу, что увеличивает вероятность обнаружения цели. Цель, находящаяся в любой точке диаграммы направленности 27 слабонаправленной антенны 14, кроме зенитной, обнаруживается М-канальным матричным коррелятором по наличию приращения частоты Доплера, а ее координата определяется и отображается в оконечном устройстве 5 в соответствии с описанием, приведенным в [2]. В зенитной точке пространства обнаружение цели осуществляется в канале радиолокационного обнаружения «на просвет» в соответствии с описанием, приведенным в [2]. В зенитной точке пространства угол θ между прямыми R1 «БС-цель» и R2 «цель - приемная антенна» близок 90 град, поэтому частота Доплера, определяемая по формуле
будет близка к нулю. Поэтому цель, находящаяся в зенитной точке слабонаправленной антенны, будет наблюдаться только за счет низкочастотных биений, регистрируемых каналом обнаружения «на просвет». При этом расположение слабонаправленной антенны должно быть таким, чтобы плоскость ее поляризации совпадала бы с поляризацией антенны БС СС. Видеокамера 23 регистрирует малозаметный ЛА в поле видимости 28. Информация видеонаблюдения, полученная видеокамерой, передается на вход оконечного устройства 5, а с его выхода, через модем GPRS, передается потребителю информации. Таким образом, через модем GPRS вместе с радиолокационной информацией, полученной целевым и просветным каналами, потребителю поступает видеоизображение цели, летящей на высотах подсвета базовых БС СС.
Преимущество заявляемого технического решения, по сравнению с прототипом, состоит в технической реализуемости удаленного рубежа обнаружения, при гораздо меньших технических затратах, на дальностях не достижимых для прототипа. Расчетные диаграммы уровней равной мощности принимаемого эхо-сигнала (Рпр) в соответствии с уравнением [6]:
для прототипа и предлагаемого комплекса приведены на фиг. 5, где Ризл - эквивалентная мощность излучения БС, Ка - коэффициент усиления приемной антенны, R1, R2 - расстояние «БС-цель» и «цель - приемная антенна».
2
2
2
Исходные данные для расчета: мощность излучения БС Ризл=100 Вт, коэффициент усиления целевой антенны прототипа Кап=20 дБ, коэффициент усиления слабонаправленной антенны комплекса Кас=8 дБ, чувствительность приемного канала прототипа Рпрп=-140 дБ/Вт, чувствительность приемного канала комплекса Рпрс=-100 дБ/Вт, эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) цели в переднем и боковых ракурсах наблюдения 0.01 м, ЭПР в просветной зоне -1 м, ЭПР цели в нижнем ракурсе наблюдения 0.1 м, база между прототипом и БС - 20 км, база между комплексом и БС - 20 км.
Из приведенных на фиг 5, а) диаграмм следует, что зона обнаружения прототипом при Рпр <- 170 дБ/Вт фокусируется вокруг приемной позиции. Зона обнаружения заявляемым комплексом (фиг. 5) фокусируется в вертикальной плоскости и ограничивается уровнем Рпр <- 100 дБ/Вт. Однако конструктивные затраты и массогабаритные параметры заявляемого комплекса существенно меньше, чем требуются для реализации прототипа. Кроме того, задачи, возлагаемые на оконечное устройство, могут быть значительно сокращены, что упрощает его функциональную сложность. Так, функции отображения и отождествления целей могут быть исключены из задач оконечного устройства, поскольку информация будет передаваться на значительные расстояния по сети GSM и реализовываться в терминале потребителя, оснащенного модемом GPRS. Заявляемый комплекс может быть размещен на удалении гораздо большем от БС, чем прототип, что позволит решать задачу предупреждения о пролете маловысотных целей в наиболее опасных направлениях на гораздо большем удалении.
2
Реализуемость заявляемого способа подтверждается экспериментальными данными обнаружения в зенитной плоскости цели с эталонной ЭПР 0.134 м комплексом, удаленным от БС СС на расстоянии 1.3 км, оснащенным антенной, имеющей коэффициент усиления в зенитной плоскости 14 дБ, приведенными на фиг. 5. На фиг. 5 приведены данные визуализации обнаружения доплеровским (верхний) и просветным (нижний) каналами обнаружения при двойном прохождении цели через зенитную плоскость приемной антенны с интервалом 8 сек.
Научно-техническая литература
1. Патент РФ №2440916, МПК B64D 27/20, B64D 33/02. Самолет интегральной аэродинамической компоновки. - ОАО «ОКБ «СУХОГО».
2. Патент РФ№154714, МПК G01S 13/06, G01S 7/42. Радиолокационная станция на базе сетей сотовой связи стандарта CSM с каналом обнаружения «на просвет». - ОАО «НПП «КАНТ».
3. С.Р. Гейстер. Решение задачи обнаружения маловысотных легкомоторных летательных аппаратов путем использования акустических и сейсмических полей // Наука и военная безопасность, №1, 2008 г., стр. 42-46.
4. Автономный мобильный комплекс «Муром»/ttp://www.v4.stilsoft.ru/ru/
5. Сайт российской военной техники, httpw://w w.rusarmy.com/sitemap.htm
6. Аверьянов В.Я. Разнесенные радиолокационные станции и системы. - Мн.: Наука и техника, 1978.