Исследование режимов работы РЛС для авиации морского базирования

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЛС ДЛЯ АВИАЦИИ МОРСКОГО БАЗИРОВАНИЯ

А. А. Дуров

В работе изложены принципы построения радиолокационной станции вертолета Ми-28Н, сделана оценка возможности выполнения требований технического задания на составную часть опытно-конструкторской работы, приведены ожидаемые основные техникоэкономические показатели и результаты экспериментальных работ.

Проведенный аналитический обзор современных зарубежных радаров позволил выявить близкий аналог.

Анализ описаний, выявленных при патентном поиске изобретений, показал, что высокие технические характеристики радиолокационной станции будут достигнуты без использования защищенных патентами и авторскими свидетельствами схемотехнических решений.

Principles of radio radar station construction of helicopter MI-28H are considered in the article. Evaluation of possibility of carrying out the requirements of technical task on the compound part of experimental - construction work has been made. Expected technical and economical figures and the results of experimental work have been presented.

Given analytical view of modern foreign radars allows to find out the analogue. Descriptions’ analysis, ascertained in patent inventions, search showed that the high technical characteristics of radio radar station will be reached without any use of technical layout decisions protected by patents and authors, certificates.

Современные вертолеты, решающие разнообразные задачи (ударные, разведывательные, связные и т. д.), доказали свою высокую эффективность при проведении боевых операций. Дальнейшее развитие вертолетной техники в значительной мере связано с ее оснащением совершенной радиолокационной аппаратурой, позволяющей в любое время суток и в широком диапазоне погодных условий проводить картографирование местности, обнаруживать и измерять координаты наземных, воздушных и морских объектов, получать информацию о препятствиях и рельефе местности при маловысотном полете.

Применение радаров позволяет в дождь, туман, при запылении и задымлении, в любое время суток получать информацию о наземных и воздушных объектах, грозовых фронтах, о рельефе местности и препятствиях при маловысотном полете, получать радиолокационную карту местности в широком диапазоне дальности.

Такой радиолокатор повысит безопасность применения вертолета на малой и предельно малой высоте полета.

Анализ тенденций развития радиолокационных станций для вертолетов, легких самолетов и беспилотных летательных аппаратов показывает необходимость и возможность интегрирования функций отдельных бортовых радиолокационных станций (БРЛС) (картографирование земной и обзор морской поверхности, обнаружение и сопровождение наземных целей, обзор воздушного пространства для обнаружения воздушных целей, предупреждение экипажа об опасных для полета искусственных и естественных препятствиях, метеообразованиях) в одной многофункциональной радиолокационной станции (РЛС).

Подобный комплекс задач может быть реализован применением в РЛС различных диапазонов волн. С целью минимизации массогабаритных характеристик изделия и более полного решения задач интеграции указанных функций в одной многофункциональной БРЛС преимущество имеет вариант использования Аа-диапазона волн.

Вертолетные радиолокационные комплексы имеют гораздо большее количество необходимых вариантов построения, чем аналогичное по назначению оборудование самолетной авиации с ее ограниченным количеством решаемых задач и вариантов функционального построения БРЛС. В вертолетных БРЛС необходимо обеспечить работу при малых скоростях носителя и в режиме зависания вплоть до нулевой скорости. Эта особенность, с одной стороны, существенно ограничивает и затрудняет применение режимов синтезирования апертуры антенны, а с другой (в ряде случаев, особенно при мониторинге) - дает возможность увеличения времени анализа контролируемых параметров для детального их исследования.

Работа на малых высотах, вплоть до нулевых, создает не только специфику помеховых

отражений при малых углах скольжения луча, но и изменяет вид полезного сигнала, на формирование которого влияет близость подстилающей поверхности.

Еще одной особенностью боевых вертолетов является работа при малом времени наблюдения радиолокационного сигнала, определяемого как небольшими дальностями их работы на фоне помеховых отражений при малых высотах, так и их уязвимостью. Это предполагает разработку специальных схем выделения полезного отраженного сигнала с высокой достоверностью при однократном обзоре как для неподвижных, так и для подвижных целей.

Вынужденное размещение антенны над лопастями несущего винта существенно увеличивает уровень помеховых составляющих, обусловленных вибрациями при работе двигателя и редуктора вертолета. Необходимо проведение специальных работ по измерениям этих вибраций в реальном времени и разработке мер их компенсации, особенно в миллиметровом диапазоне, являющемся основным для обеспечения режима маловысотного полета и при использовании высокоточного оружия.

Основные характеристики существующих вертолетных БРЛС приведены в таблице.

Аналитический обзор современных зарубежных радаров показывает, что близким аналогом изделия Н-025 является вертолетная РЛС ЛК/ЛРО-78 «Лонгбоу».

РЛС «Лонгбоу» вертолета «Апач» АН-64 Д (ЛК/ЛРО-78) работает в Ка-диапазоне с малыми демаскирующими признаками (низкий уровень боковых лепестков, быстрая перестройка частоты, малая мощность и применение сложных сигналов). Зеркальная антенна размером 1010^400 мм2 формирует диаграмму направленности в азимутальной плоскости шириной около 0,6о.

Станция имеет четыре основных режима работы:

- обзор воздушного пространства (обнаружение, классификация и распределение воздушных целей по приоритетам);

- обзор земной (водной) поверхности;

- обнаружение препятствий и выдача данных о погодных условиях на пути следования;

- тестирование аппаратуры.

В режиме обзора воздушного пространства РЛС обеспечивает обнаружение воздушных целей на дальности от 0,5 до 8 км, выполняя обзор сектора воздушного пространства площадью 50 км2 за 6 с. В зависимости от обстановки может выставляться сектор сканирования по азимуту 30, 90, 180 и 360о, а по углу места - от 0 до 6о. Обнаруженные объекты классифицируются на три группы:

- летящие вертолеты;

- зависшие вертолеты;

- самолеты.

Характеристики Тип РЛС

ЛК/ЛРО-78 «Лонгбоу» Многопозиционная РЛС обзора MEMPHIS SWORD

Страна, фирма США США Германия, FGAN Франция и Германия, Domier, Thomson-CSF

Диапазон Ка Ка Ka и W Ka, X

Режимы Обзор, воздух Обзор, РСА РСА РСА, СДЦ

Длительность импульса 0,1 200 нс 0,4.1,2 мкс

1 повт 20 кГц 2,5.0,85 МГц

База сигнала ЛЧМ 100 и 200 МГц

Дальность Танк неподвижный 3 км, движущийся -до 20 км 5.. .6 км

Разрешение по дальности и площади 10...15 м До 1,5 м До 1,5 м

Размер антенны 1010 х 400 мм

Обзор, азимут/угол места Обзор - +45о Воздух - 360о

Разрешение по скорости 5 км/час

Разрешение по азимуту ~5

Мощность передатчика Р /Р ими' -1- со 100 Вт 0,6 кВт

Потребление

Вес 130 кг

Окончание табл.

Характеристики Тип РЛС

ЖХ-50 РЛС-3 обзора Цифровая твердотельная РЛС со сложным сигналом Арбалет

Страна, фирма США ^^йг^Иаш США США Россия «Фазотрон»

Диапазон Ка и X Ка и Ш X и Ка Ь, Ка

Режимы Картографирование, разведка, сопровождение РСА МВП, Метео

Длительность импульса, мкс 0,2 мкс 0,35 мкс 10.15 мс

р повт 2 кГц 20 кГц

База сигнала ФКМ М-последов. 106

Дальность 5 км > 100 км 32 км

Разрешение по дальности и площади 10.15 м

Размер антенны 38 см Зеркало на механическом приводе

Обзор, азимут / угол места ± 35о по азимуту ± 24о по углу места скан. 60о/с ± 20о Круговой - по воздушным целям, 120о - наземным

Разрешение по азимуту ~5

Мощность передатчика, Р /Р 1 имп'^ ср 100 кВт 1 кВт/7 Вт Десятки мВт в Ка-диапазоне

Потребление 1 кВт 150 Вт

Вес 63,5 кг 20 кг + антенна 140 кг

В станции для обеспечения высокой эффективности обнаружения целей в условиях маскировки их мешающими отражениями от поверхности земли применяется импульсно-доплеровский метод обработки сигналов.

В режиме обзора земной поверхности сканирование по азимуту осуществляется в секторе 15,

30, 45 и 90о, а по углу места - от минус 10о до плюс 3о. Максимальное отклонение центра сектора сканирования в горизонтальной плоскости от оси вертолета может составлять 90о. Дальность обнаружения неподвижных наземных объектов составляет от 0,5 до 6 км, а подвижных наземных и воздушных - до 8 км.

Для сокращения времени обзора заданного сектора используются две разные формы сигнала. При обнаружении стационарных объектов и их классификации применяется метод поляриметрической обработки сигнала, а при обнаружении подвижных объектов - импульсно-доплеровский режим работы.

Для уточнения погодной обстановки на маршруте полета и обнаружения препятствий в условиях недостаточной видимости экипаж использует третий режим работы РЛС. При этом станция измеряет угол места и расстояние до земной поверхности в диапазоне 0,1... 2,5 км, а бортовая ЭВМ выдает на многофункциональный дисплей информацию о возможных вариантах облета препятствия при наилучшем маскировании вертолета. Сканирование передней полусферы проводится в секторе 180о (при скорости полета вертолета более 92 км/ч сектор сужается до 90о).

По выбору экипажа на МФИ поверх изображения, полученного с системы ночного видения, могут быть отображены (в секторе 40о по азимуту) профили земной поверхности (до четырех) или двухмерная картина рельефа местности с указанием высоких препятствий и градацией высот по уровням разными оттенками. Информация о рельефе местности хранится в памяти бортовой ЭВМ и обновляется на дисплее при перемещении перекрестия, изображенного на нашлемной системе члена экипажа.

В четвертом режиме работы РЛС обеспечивается диагностирование аппаратуры и поиск неисправностей, вплоть до отдельных типовых элементов замены, с вероятностью 0,99. Среднее время наработки на отказ аппаратуры станции ЛК/ЛРО-78 составляет 136 ч, в процессе модернизации данный параметр планируется увеличить до 150 ч.

Все программное обеспечение центральной ЭВМ написано на языке «Ада».

В Ка-диапазоне работает БРЛС «БЛУ» вертолета «Жефро». БРЛС обеспечивает:

- обзор подстилающей поверхности и проведение картографирования с выбором различных зон обзора и масштабов;

- обзор воздушного пространства;

- обнаружение наземных, надводных и воздушных объектов и определение их текущих координат;

- идентификацию объектов по принципу «самолет - вертолет» с последующим определением типа вертолета по сопоставлению сигнатуры с копиями, хранящимися в базе данных;

- определение приоритета объектов;

- обнаружение препятствий и определение рельефа местности для информационного обеспечения маловысотного полета;

- информационную поддержку обзорно-прицельных оптоэлектронных систем;

- обнаружение опасных метеообразований на трассе полета;

- коррекцию навигационной системы;

- выдачу целеуказания при применении управляемого и неуправляемого вооружения;

- определение государственной принадлежности.

БРЛС позволяет обнаруживать наземные цели типа «танк» на дальности до 12 км при точности измерения угловых координат не менее 12 и дальности не менее 20 м, позволяет оперативно обнаруживать воздушные цели типа «штурмовик - вертолет» до дальностей 12.15 км, угрозу со стороны атакующей ракеты типа «Стингер». Обнаружение наземных целей производится в Ка-диапазоне, что обеспечивает необходимый радиолокационный контраст при работе по неподвижным малоразмерным целям на фоне отражений от подстилающей поверхности и высокое угловое разрешение.

Аналитический обзор современных зарубежных радаров показывает, что использование Ка-диапазона позволяет работать в широком диапазоне погодных условий, иметь необходимую дальность действия и обладать возможностью обзора широкого углового сектора при высоком темпе обновления информации.

Использование для работы Ка-диапазона позволяет не только обеспечить радиолокационную видимость широкого диапазона наземных целей в различных погодных условиях, но и получить преимущества в одновременном обеспечении высокой разрешающей способности и точности определения координат объектов при реализации большой дальности обнаружения и захвата наземных и воздушных объектов.

В Ка-диапазоне обеспечиваются функции маловысотного полета и обнаружение подвижных и неподвижных наземных целей, а также работа по воздушным целям типа «штурмовик - вертолет» в передней полусфере. В этом диапазоне работает зарубежная БРЛС «Лонгбоу» вертолета «Апач» АН-64Д.

Вертолетная РЛС АN/АРQ-168 предназначена для обеспечения полета на предельно малых высотах со следованием рельефу местности, работает в Ка-диапазоне волн, размещается в подвесном контейнере, имеет дополнительные режимы работы:

- обзор земной поверхности и обнаружение наземных целей;

- обзор воздушного пространства и определение дальности до воздушных целей.

Вертолетная РЛС управления огнем «Swallow» миллиметрового диапазона фирмы «Telefunken

System Technic» размещается над втулкой ротора несущего винта вертолета. Выпускается в двух вариантах. Первая версия предназначена для обзора пространства и обнаружения целей на дальности до 8.10 км. Вторая версия предназначена для обеспечения маловысотного полета: для обнаружения препятствий типа мосты, деревья, ЛЭП. Антенна имеет ширину диаграммы направленности около 2° и обеспечивает сканирование в секторе 360° за 2 с. Сектор обзора в вертикальной плоскости - 40°. Для обеспечения защиты от средств радиотехнической разведки (РТР) производится перестройка несущей частоты от импульса к импульсу по случайному закону. Вес РЛС составляет около 50 кг.

Х-диапазон используется для решения обзорно-разведывательных задач при большой дальности действия по обнаружению наземных, надводных и воздушных целей, а также получения данных о метеообстановке. В этом диапазоне работает большинство вертолетных РЛС, в частности APS-143/147, APS-784 и др. Х-диапазон является основным для вертолетов палубного и берегового базирования.

Когерентно-импульсная многорежимная БРЛС [20], работающая в Х-диапазоне с перестройкой по несущей частоте от импульса к импульсу, имеет высокое разрешение, точность не хуже

20 м по дальности за счет использования сложного радиосигнала с большой базой при точности моноимпульсного углового пеленгования не хуже 20'. БРЛС позволяет также вести в заданном секторе картографирование береговой зоны с разрешением 10 м методом синтезирования апертуры

антенны и обнаруживать опасные метеообразования и зоны турбулентности в режиме «Метео».

Работа конструкторских коллективов над новыми вертолетными БРЛС сопровождается активным патентованием новых схемотехнических решений в этой области.

Патентный поиск выявил значительное количество авторских свидетельств и патентов, относящихся к вертолетной радиолокационной технике. Среди них следует, в первую очередь, отметить следующие изобретения:

1. «Вертолетная радиолокационная система», патент ЯИ 2147136 С1, класс 001813/00, 12.03.1997. В описании к изобретению предлагается структурная схема блока обработки сигнала радиолокатора, реализация которой, по мнению авторов, повысит разрешающую способность ВБРЛС реализацией режима синтезирования апертуры антенны и при «зависании» вертолета за счет вращения корпуса вертолета с установленной в его носовой части антенной вокруг его оси. Сектором и скоростью вращения предлагается управлять через блоки навигационно-пилотажного комплекса (НПК).

2. «Вертолетная радиолокационная система», патент ЯИ 2173864 С1, класс 001813/90,

14.12.1999. В описании к изобретению предлагается расширить функциональные возможности ВБРЛС за счет введения двух дополнительных антенн и приемных каналов. При этом, по утверждению изобретателей, появляется возможность точного пеленгования источников фазоманипулированных сигналов. В описании изобретения приведена структурная схема радиолокатора.

3. «Вертолетная радиолокационная система», патент ЯИ 2253132 С2, класс 001813/90,

02.09.2000. В описании к изобретению предлагается осуществить синтезирование апертуры антенны на базе антенн, расположенных на лопастях винта и вращающихся вместе с винтом вертолета. Использование датчика углового положения винта, по мнению автора, позволит «привязать» радиолокационное изображение к выбранной инерциальной оси вертолета и ограничить влияние изменения частоты вращения несущего винта на процесс формирования РЛИ.

4. «Радиолокационная станция для вертолета», патент ЯИ 2206903 С2, класс 001813/00,

09.07.2001. В описании к изобретению предлагается выполнить антенную решетку радара на двухпроводной линии из пленочного фольгированного диэлектрика с излучателями в виде печатных вибраторов и разместить ее на лопасти вертолета в области максимального размера ее длины. По утверждению изобретателей, это повысит угловую разрешающую способность радиолокационной станции и позволит обнаруживать малоразмерные объекты на фоне отражений от подстилающей поверхности.

5. «Вертолетная импульсно-доплеровская радиолокационная система», патент ЯИ 2191401 С1, класс 001813/06, 09.07.2001. В описании к изобретению предлагается дополнительно ввести в состав ВБРЛС вторую антенну, круговое вращение которой выполняется валом несущего винта, вертолета, и дополнительный приемно-передающий тракт. По мнению изобретателей, это сократит время обнаружения высокоскоростных целей в круговой зоне и повысит точность слежения за траекторией и скоростью движения цели.

Анализ описаний, выявленных при патентном поиске изобретений, показал, что высокие технические характеристики изделия Н-025 будут достигнуты без использования защищенных патентами и авторскими свидетельствами схемотехнических решений, не принадлежащих ГРПЗ.

Разработка изделия Н-025 основана как на использовании классических принципов построения радиолокационных систем, так и предложениях членов конструкторского коллектива, в том числе и опубликованных ими в открытой печати [10, 14, 20, 33]. По ряду схемотехнических решений изделия Н-025 рассматривается вопрос об их патентовании.

Литература

1. Справочник по радиолокации: Пер. с англ. / Под ред. М. Сколника. В 4 т. - М.: Сов. радио, 1976-1979.

2. ФинкельштейнМ.И. Основы радиолокации. - М.: Радио и связь, 1983. - 536 с.

3. Радиолокационные методы исследования Земли / Под ред. Ю.А. Мельника. - М.: Сов. радио, 1980. - 264 с.

4. Антипов В.Н. и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / Под ред. В.Т. Горяинова. - М.: Радио и связь, 1988.

5. Радиолокационные системы воздушных судов / Под ред. П.С. Давыдова. - М.: Транспорт, 1988.

6. Вопросы перспективной радиолокации / Под ред. А.В. Соколова. - М.: Радиотехника, 2003.

7. Малогабаритная БРЛС вертолета Ми-8ГМ: Пояснительная записка. Дополнение № 1 к прил. № 8. - Рязань, 2002.

8. Быстров Р.П. и др. Проблемы распространения и применения миллиметровых радиоволн в радиолокации // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 1997.

- № 1.

9. Борзов А.Б. и др. Научно-технические достижения и проблемы развития техники миллиметрового диапазона радиоволн // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 2001. - № 4, 5.

10. Тр. Х междунар. науч.-техн. конф. Т. 1-3. - Воронеж, 2004,

11. Малышев В.А. Бортовые активные устройства СВЧ. - Л.: Судостроение, 1990.

12. Радиовидение / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: ВВИА, 1997.

13. РЛС воздушной разведки / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: Воениздат, 1983.

14. Колодько Г.Н., Шершнев Е.Д., Гераскин В. БРЛС для полетов на малых и предельно малых высотах // Военный парад. - 2003. - № 3.

15. Тезисы докл. 1 Всерос. науч.-техн. конф. по проблемам создания перспективной авионики.

- М., 2002.

16. Белый Ю.И., Таганцев В.А. РЛПК Н-001: модернизация продолжается // Радиотехника. -2005. - № 2.

17. Philips Journal. - 1986. - Vol. 41. - № 3.

18. Васин В.В., Степанов Б.М. Справочник-задачник по радиолокации. - М.: Сов. радио, 1977.

- 320 с.

19. Фазотрон: Информ.-аналит. журн. - 2005. - № 1,

20. Военный парад. Спец. выпуск: Науч.-техн. журнал. - 2002. - Сентябрь.

21. Электронное управление лучом в БРЛК: Сб. докл. симпозиума. - Рязань, 2000.

22. Красюк Н.П. и др. Влияние тропосферы и подстилающей поверхности на работу РЛС. -М.: Радио и связь, 1988. - 216 с.

23. Кулемин Г.П., Разсказовский В.Б. Рассеяние миллиметровых радиоволн поверхностью земли под малыми углами. - Киев: Наук. думка, 1987.

24. СтепановЮ.Г. Противорадиолокационная маскировка. - М.: Сов. радио, 1968.

25. Быстров Р.П. и др. Исследование боевой эффективности и решение военно-технических вопросов при создании радиолокационных средств разведки наземных целей. Отчет по НИР. -1988. - 107 с.

26. Airborne weather radar with forward looking windshear detection capability // ARING characteristic 708a-3. - 1999. - November 15.

27. Довиак Р.Дж. и др. Метеорологические доплеровские радиолокационные станции // ТИИЭР. - 1979. - Т. 67. - № 11.

28. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981.

29. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям. - М.: Сов. радио, 1976.

30. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. - М.: Радиотехника, 2004. - 320 с.

31. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2005. - 604 с.

32. Бакулев П.А., Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. - М.: Радио и связь, 1986. - 288 с.

33. Сб. докладов XVII науч.-техн. конф. - Жуковский, 2002.