Принцип работы пассивного локатора
Тема пассивной когерентной локации — PCL, Passive Coherent Location возникла буквально ниоткуда последнее десятилетие. Пассивный локатор, или пассивный радар знаменует собой хороший пример того, как определенные физические принципы, выглядевшие абстрактно и существовавшие сугубо в теоретическом поле, с развитием технологий получили возможность своего воплощения. В чем же состоит физика работы PCL, или пассивного локатора, и какие технологии дали ей путевку в жизнь?
Локация или пеленгация?
Вначале устраним путаницу, которая на сей день существует в терминологии, особенно отечественной. Некоторые практики зарезервировали понятие пассивной локации для обычной радиопеленгации, когда цель обладает собственным источником излучения и ее угловые координаты определяются в процессе пеленгования. Мне трудно сказать, какие обстоятельства сыграли свою роль для такой подмены понятий: то ли локация звучит весомее и престижнее, чем пеленгация; то ли подразумевалось отсутствие собственного передатчика — мы будем называть пеленгатор не пассивным локатором, а пеленгатором. Наш, настоящий пассивный радар, PCL, полностью соответствует идее локации — прием переотраженного от цели сигнала. Единственный нюанс в том, что передатчики, которые работают на облучение цели, не являются принадлежностью PCL: они составляют часть местного радио-окружения, такого как FM, телевизионные и сотовые базовые станции и другие источники излучения.
Вот мы и сформулировали базовый принцип PCL, благодаря которому пассивный локатор иногда называют «паратизирующим» радаром, который использует передатчики, ему не принадлежащие, без их ведома. Этот ключевой аспект PCL — отсутствие радиоизлучения и он в основной степени определяет плюсы и минусы PCL. Пассивный радар имеет и другие значимые особенности, такие как возможность работы в трехмерных координатах и на малой высоте цели.
О плюсах и минусах
Отсутствие собственных радиопередатчиков и соответственно сложных движущихся антенн, как в традиционных радиолокаторах, определяет скрытность работы PCL и значительное сокращение объема оборудования.
Фактор скрытности, несомненно, обладает сильной привлекательностью для военных применений. Возможность слежения за целями, не обнаруживая себя, позволяет пассивному локатору разместиться в непосредственной близости от наблюдаемых объектов. PCL трудно подавить антирадарными вооружениями, как это происходит в случае обычных излучающих наземных средств.
Пассивный локатор позволяет закрыть разрывы в полях наблюдения, в частности на низкой высоте (менее 1000м), где традиционные радиолокаторы бессильны. Это позволяет ему обнаруживать пересечение границ и контролируемых зон низколетящими цели и фиксировать запуски ракет и мин.
«Невидимые» для традиционных военных радиолокаторов Stealth — подобные цели также обнаруживаются с помощью PCL.
Пассивные радары также используются для аэродромов в сложных условиях размещения, например в горах, где возможности традиционных средств ограничены.
Минимизация аппаратуры PCL также дает следующий выигрыш:
- компактность, низкая стоимость и малое (до 1 кВт) энергопотребление;
- легкость транспортирования и быстрое развертывание на месте, что актуально для быстроразвертываемых центров УВД, в том числе для чрезвычайных ситуаций, и для военных применений;
- позиция PCL не требует обслуживания.
С точки зрения международной организации гражданской авиации ICAO, подтвержденной документом ACP-WGF16/WP-11, пассивные радары обладают рядом следующих привлекательных преимуществ по сравнению с существующими средствами наблюдения, что позволяет использовать их в целях управления воздушным движением:
- лучшие характеристики обнаружения в условиях дождя и других помех, в том числе на низкой высоте полета и в горной местности;
- обеспечение полноты данных за счет информации о высоте и скорости цели;
- повышенная точность определения местоположения;
- низкая стоимость.
Что мы знаем о недостатках пассивной локации? Они также следуют из базового принципа работы. Отсутствие собственных передатчиков ставит пассивный локатор в зависимость от радиоизлучающих средств, находящихся поблизости. Точность его работы также зависит не только от характеристик этих передатчиков, но и от вещательной программы. Характеристики обнаружения PCL также зависят от его взаимного расположения по отношению к внешним передающим станциям и расположению цели. Поэтому их невозможно декларировать, абстрагируясь от внешней радиообстановки.
В некоторых случаях, если внешних излучающих станций не хватает, что нам мешает развернуть свою собственную? Обеспечить ей высокостабильную несущую (что понравится PCL с его когерентным принципом работы) и транслировать не музыку и новости, а шумоподобный сигнал (это ему понравится еще больше). Правда, в этом случае название «пассивный» будет уже не очень честным.
Почему только сейчас?
В начале статьи мы упомянули о том, что пассивная локация стала реальностью относительно недавно. С чем же связано ее возрождение? Для того, чтобы понять с какими сложностями может столкнуться реализация PCL, посмотрим на то, какая помеховая обстановка ему сопутствует. Как следует из приведенного рисунка, полезным сигналом для локатора является сигнал, отраженный от цели. Этот сигнал содержит полезную информацию: приобретенную задержку, связанную с дополнительным путем распространения излучения FM станции до цели и далее — до локатора — Δτ и приобретенный доплеровский частотный сдвиг, связанный с движением цели — Δθ. Этот отраженный сигнал s'(t+Δτ, f+Δθ) принимается пассивным локатором на фоне мощной помехи — сигнала собственно самой FM радиостанции s(t, f). Величина этой помехи по отношению к полезному сигналу может составлять +100 dB и более.
Для различения полезного сигнала на уровне столь мощной помехи необходимо вычислить функцию неопределенности (Ambiguity Function) в двумерной плоскости параметров (Δτ, Δθ). Очевидно, что для классических аналоговых радиоприемных средств задача такой вычислительной сложности практически нереализуема (точнее, реализуема с неприемлемыми затратами). И только с появлением в настоящее время быстродействующих средств обработки радиолокационных данных, таких как ПЛИС/FPGA и DSP, позволило использовать технологию Software Defined Radio (SDR) для прямого переноса радиосигнала в цифровой домен и выполнения вычислительных задач уже в цифровом домене.
Однако, и здесь все оказывается не так просто. SDR технологии прекрасно работают при уровне помех соизмеримых с уровнем сигнала. Для нашего случая, когда помеха превышает полезный сигнал на 100 dB и более, это означает только одно: для аналого-цифровых преобразователей (АЦП), входящих в состав SDR, требуется такая разрядная сетка, чтобы максимальный диапазон входного сигнала, масштабируемый под уровень помехи, обеспечил для полезного сигнала хотя бы пару младших значащих разрядов. При этом АЦП должен обеспечить соответствующую скорость преобразования хотя бы на уровне 200 Msamples/s.
На самом деле, скорость выборки должна быть еще больше, чтобы использовать преимущества передискретизации и выиграть дополнительный динамический диапазон для исключения подавления полезного сигнала уже на входе АЦП. И именно такие компоненты стали появляться в течение последних 5 лет. Применение унифицированных модулей АЦП со стандартизированными FMC коннекторами и использование сигнальных процессоров, также стандартизированных под шину VPX, позволило резко снизить стоимость реализации и длительность разработки PCL. Это обстоятельство явилось спусковым крючком, или триггером к тому, чтобы на считавшимся ранее элитным рынок радиолокационного оборудования хлынули новые игроки…
О новых игроках
Мы живем в удивительное время. Еще только казалось бы недавно я собирал ламповые передатчики и транзисторные регенеративные приемники. А сейчас по цене $50 доступны компоненты, о которых раньше только можно было мечтать. Это — стоимость цифрового SDR приемника диапазона 60 — 1100 MHz размером меньше флешки, который показан на фото. Этот приемник, который формирует 8-битную I/Q последовательность с частотой выборки 2,56 MS/s на USB порту, плюс мощные возможности языка Python по спектральной и корреляционной обработке сигналов — и цифровой радиотракт для PCL готов.
SDR тракт 60 — 1100 MHz на малогабаритном тюнере
С помощью этого приемника мы анализировали различные алгоритмы обработки для PCL в диапазоне FM вещательных станций. Вот как например выглядит функция неопределенности развлекательного канала 99.0 MHz во время трансляции музыки:
Забегая вперед, отметим, что даже визуально заметно, какой высокий уровень боковых лепестков у функции неопределенности, что практически уничтожает шансы по обнаружению и разрешению более слабого сигнала. Тем не менее, существует ряд взаимосвязанных методов, с помощью которого можно достигнуть результата. Эти методы относятся не только к домену программного обеспечения, но и связаны с построением радиотракта и антенной системы пассивного радара.
Организация «Research and Markets» подготовила отчет под названием ‘The Military and Civil Aviation Passive Radar Market: 2013- 2023’ , в котором рассмотрела рыночные перспективы пассивных локаторов как для военных приложений, так и для гражданской авиации на период с 2013 до 2023 года. Из этого отчета хочется отдельно процитировать следующий абзац, как раз касающийся новых игроков:
«Few companies have developed effective, marketable systems. However, as the technology becomes more sophisticated and affordable, more and more competitors can be expected to enter the market, particularly in defence and homeland security»
Перевод этой фразы выглядит примерно следующим образом:
«Только несколько компаний разработали эффективные и востребованные системы. Однако, по мере того как технологии становятся более продвинутыми и доступными, ожидается проникновение на рынок все большего количества конкурирующих компаний, в частности в военной области и безопасности»
По данным этого же отчета, к концу 2023 года ожидаемые инвестиции превысят 10 млрд. долларов, и в области военных радиолокаторов пассивные локаторы займут свою долю в размере 41%.
Под «несколькими» компаниями подразумеваются всемирно известные радиолокационные мэтры, поставляющие такие пассивные радары как:
- «Silent Sentry» (Lockheed Martin, USA);
- «Celldar» (Roke Manor & BAE Systems, UK);
- «CORA» (FGAN — Die Forschungsgesellschaft fur Angewandte Naturwissenschaften e.V., Germany);
- «Cristal» (Thales, EU)
- Cassidian, EADS, Germany
Давления на рынок PCL молодых, небольших, агрессивных и инженерно продвинутых компаний осталось ждать не так долго. Базовые компоненты уже обкатываются в системах подобного рода, хотя они поначалу и выглядят игрушечными. Но не будем забывать, что когда-то такой игрушкой «для домохозяек» называли и процессоры Intel 8080. По прогнозу некогда знаменитой корпорации DEC, рынок этих процессоров не мог превышать десятков штук в год. Через пару лет объем продаж интеловских процессоров составлял уже сотни тысяч.
Ответить