Радар слежения за местностью

TSR-2 XR220 в музее Королевских ВВС в Косфорде, 2002 год. Ферранти разработал первый радар слежения за местностью специально для TSR-2.

Радар слежения за местностью (TFR) — это военная аэрокосмическая технология, которая позволяет низколетящему самолету автоматически поддерживать относительно постоянную высоту над уровнем земли и, следовательно, затруднять обнаружение радаром противника. Иногда его называют полетом с учетом земли или полетом с учетом местности . Термин « полет на грани земли» также может применяться, но он чаще используется в отношении низколетящих военных вертолетов , которые обычно не используют радар слежения за местностью.

Системы TFR работают путем сканирования луча радара вертикально перед самолетом и сравнения дальности и угла отражений радара с заранее рассчитанной идеальной кривой маневрирования. Сравнивая расстояние между местностью и идеальной кривой, система рассчитывает маневр, который позволит самолету преодолеть местность на заранее выбранное расстояние, часто порядка 100 метров (330 футов). Использование TFR позволяет самолету автоматически следовать за рельефом местности на очень малых высотах и ​​высоких скоростях.

с аналогичным звучанием Радары слежения за местностью отличаются от радаров предотвращения местности ; Системы предотвращения рельефа сканируют горизонтально, чтобы создать изображение, похожее на карту, которое затем использует навигатор для построения маршрута, который обходит более высокие объекты местности. Эти два метода часто комбинируются в одной радиолокационной системе: навигатор использует режим обхода местности, чтобы выбрать идеальный маршрут через элементы местности с меньшей высотой, такие как долины, а затем переключается в режим TFR, который затем пролетает по этому маршруту на минимальной высоте.

Концепция была первоначально разработана в Корнеллской авиационной лаборатории в 1950-х годах. Впервые он был построен в серийном виде в 1959 году компанией Ferranti для использования с самолетом TSR-2 , впервые полетевшим на испытательном стенде English Electric Canberra в 1962 году. Хотя от проекта TSR-2 в конечном итоге отказались, эта концепция широко применялась в ударных самолетах и ​​истребителях 1960-х и 70-х годов , включая General Dynamics F-111 , Panavia Tornado и Су-24 «Фехтовал». Более широкое внедрение технологий самолетов-невидимок в 1990-е годы привело к сокращению полетов на малой высоте как решения проблемы уклонения от зенитных средств , и этот метод больше не является распространенным. Большинство самолетов этого класса с тех пор сняты с вооружения, хотя Су-24 и «Торнадо» в некотором количестве продолжают использоваться.

Технология

Система работает путем передачи сигнала карандашного луча радиолокационного в сторону участка земли перед самолетом, в то время как радар сканирует вверх и вниз. Сигнал посылается в виде серии коротких импульсов, и отражение этих импульсов от земли дает очень мощный возвратный сигнал. Время, необходимое импульсу для перемещения к местности и обратно, позволяет измерить расстояние до местности перед самолетом. Угол относительно самолета определяется датчиком на вертикальном подвесе, который выдает калиброванное напряжение.

В то же время, когда радар посылает импульсы, функциональный генератор вырабатывает переменное напряжение, представляющее предпочтительную кривую маневрирования. По форме он похож на трамплин для прыжков с трамплина : плоский под самолетом, а затем изгибающийся вверх перед ним. Кривая представляет собой путь, по которому самолет должен был бы двигаться, если бы он маневрировал с постоянной перегрузкой , в то время как плоская область под самолетом простирается вперед на небольшое расстояние, обозначая расстояние, которое самолет проходит по прямой линии перед началом этого маневра из-за управления. отставание. Полученная составная кривая смещается на желаемый зазор, выбранный пилотом.

Синхронизация импульсов намного быстрее, чем при вертикальном сканировании, поэтому для любого импульса угол фиксирован. Когда затем посылается импульс, срабатывает функциональный генератор. Когда наблюдается возврат, система суммирует выходной сигнал генератора в этот момент с выходным сигналом датчика угла на радаре. Результирующее напряжение представляет собой угол между фактическим и предпочтительным местоположением. Если напряжение положительное, это означает, что местность находится выше кривой, отрицательное означает, что она находится ниже. Эта разница известна как угловая ошибка .

Для управления самолетом серия этих измерений проводится в течение периода одного полного вертикального сканирования на максимальное расстояние порядка 10 километров (6,2 мили). Регистрируют максимальное положительное или минимальное отрицательное значение угловой ошибки во время сканирования. Это напряжение представляет собой изменение угла тангажа, под которым самолет должен лететь, чтобы оставаться на желаемой высоте над землей при маневрировании с выбранным коэффициентом перегрузки. Эту информацию можно передать в автопилот пилота или отобразить на проекционном дисплее . Этот процесс создает постоянно вычисляемую траекторию, которая поднимается и опускается по местности с постоянной маневренной нагрузкой.

Одна из проблем этого простого алгоритма заключается в том, что рассчитанная траектория будет поддерживать положительный тангаж самолета при приближении к гребню холма. В результате самолет пролетает над вершиной, продолжая набирать высоту, и проходит некоторое время, прежде чем он снова начнет снижаться в долину за ней. Этот эффект был известен как «раздувание». Чтобы решить эту проблему, в реальных единицах применялся дополнительный термин, который заставлял самолет быстрее набирать высоту при больших смещениях. В результате самолет достиг желаемой высоты раньше, чем обычно, и, таким образом, выровнялся, не достигнув пика.

Поскольку радар видит только объекты, находящиеся на прямой видимости, он не может видеть холмы за другими холмами. Чтобы самолет не нырнул в долину только для того, чтобы потребовать резкого подъема, предел отрицательной перегрузки обычно был низким, порядка половины G. У систем также были проблемы над водой, где луч радара имел тенденцию рассеиваться. вперед и возвращал мало сигнала самолету, за исключением случаев открытого моря . В таких условиях система вернется к постоянному разрешению с помощью радиовысотомера .

Уклонение от местности обычно работает относительно; то есть абсолютные высоты объектов не важны. В некоторых случаях желательно указывать абсолютное число, чтобы указать величину зазора или его отсутствие. Затем высоту вершины любого конкретного объекта относительно самолета можно рассчитать по формуле h = H - R sin φ , где H — высота над землей, измеренная радиовысотомером, φ — угол, а R — дальность, измеренная радиовысотомером. радар, где h — результирующая высота объекта над текущей траекторией полета. Тогда зазор между самолетом и местностью составит H-h .

История

Начальная работа в Корнелле

Концепция TFR берет свое начало в исследованиях, проведенных в Корнеллской авиационной лаборатории подразделения авиационных систем ВВС США . Это привело к разработке системы, известной как «Autoflite».

Ранние радары, установленные на самолетах, использовали системы конического сканирования с шириной луча порядка четырех градусов. Когда луч падает на землю, часть сигнала рассеивается обратно в сторону самолета, что позволяет ему измерить расстояние до земли перед ним. При взгляде вниз под углом ближняя и дальняя стороны кругового луча радара растягивались в эллипс на земле. Возврат от этой схемы привел к появлению «отметки», которая аналогичным образом распространялась на дисплее радара и была недостаточно точной для уклонения от местности. Однако он был достаточно точным, чтобы создать изображение земли под самолетом в виде карты с низким разрешением, что привело к разработке радара H2S во время войны .

Чтобы обеспечить точность, необходимую для отслеживания местности, системы СКР должны быть основаны на концепции моноимпульсного радара . Моноимпульсный метод создает луч той же ширины, что и традиционная конструкция, но добавляет дополнительную информацию в радиосигнал, часто используя поляризацию , в результате чего два отдельных сигнала отправляются в несколько разных направлениях, перекрываясь в центре. Когда сигналы принимаются, приемник использует эту дополнительную информацию для повторного разделения сигналов. Когда эти сигналы ориентированы вертикально, сигнал нижнего луча падает на землю ближе к самолету, создавая рассеянное пятно, как и в случае с более ранними радарами, в то время как верхний луч создает аналогичное пятно, но расположенное на немного большем расстоянии. . Два сигнала перекрываются, образуя расширенный эллипс.

Ключевой особенностью моноимпульсного метода является то, что сигналы перекрываются очень специфическим образом; если вы инвертируете один из сигналов, а затем суммируете их, в результате получится выходное напряжение, похожее на синусоидальную волну . Точная середина луча — это место, где напряжение пересекает ноль. В результате получается измерение, которое точно совпадает со средней линией сигнала и легко идентифицируется с помощью простой электроники. Затем диапазон можно точно определить, определив точный момент перехода через нуль. Обычно достигается точность порядка метра при измерении объектов на расстоянии нескольких километров.

Развитие в Великобритании

Отчеты Корнелла были подхвачены в Великобритании, где они легли в основу развивающейся концепции нового ударного самолета , который в конечном итоге станет BAC TSR-2 . Проект TSR-2 был официально начат с выпуском GOR.339 в 1955 году, и быстро остановился на использовании TFR для обеспечения требуемых характеристик низкого уровня. Королевское авиастроительное предприятие построило симулятор системы с использованием дискретной электроники, заполнившей целую комнату.

В этот же период Королевские ВВС представили свой новейший самолет-перехватчик English Electric Lightning . «Лайтнинг» был оснащен первым в мире бортовым моноимпульсным радаром — системой AIRPASS , разработанной компанией Ferranti в Эдинбурге . В случае с Lightning моноимпульсный сигнал использовался для точного измерения горизонтального угла, чтобы позволить компьютеру AIRPASS проложить эффективный курс перехвата на большом расстоянии. Для использования TFR все, что нужно было изменить, это то, что антенна должна была вращаться так, чтобы она измеряла вертикальный угол, а не горизонтальный.

Неудивительно, что Ферранти выиграл контракт на поставку радиолокационного компонента где-то в 1957 или 1958 году. Вскоре после начала проекта, в 1959 году руководитель проекта Гас Скотт ушел в Hughes Microcircuits в соседнем Гленротесе , и команду переняли Грег Стюарт и Дик Старлинг. Первоначальная система была построена на базе AI.23B AIRPASS. и мог быть установлен на прицеп и буксирован Land Rover для испытаний. Существенной проблемой является то, что количество возвращаемого сигнала сильно зависит от местности; Вертикальные стены здания создают частичный угловой куб , который возвращает сигнал, который примерно в 10 миллионов раз сильнее, чем сигнал от песка или сухой земли. Чтобы справиться с быстро меняющимися сигналами, была разработана автоматическая регулировка усиления с диапазоном 100 дБ.

Радар измеряет только относительные углы относительно стабилизированной линии визирования с помощью авиационных приборов. самолета поэтому радиовысотомер используется в качестве эталона для расчета фактической высоты. Ширина луча радара была достаточно мала, поэтому объекты по обе стороны от траектории полета самолета могли представлять потенциальную опасность, если самолет отнесло в сторону или он начал разворот близко к объекту. Чтобы избежать этого, радар сканировал по О-образной схеме, сканируя по вертикали от 8 градусов над траекторией полета до 12 градусов под ней, перемещаясь при этом на несколько градусов влево и вправо от траектории полета. Кроме того, система считывала скорость поворота с приборов и перемещала диаграмму сканирования дальше влево или вправо, чтобы измерить местность, где самолет будет находиться в будущем.

Испытания системы проводились на существующем DC-3 Dakota компании Ferranti Test Flight , а начиная с зимы 1961/62 года — на английском Electric Canberra . На испытательном самолете были установлены камеры, смотрящие в разных направлениях, в том числе некоторые смотрели на приборы самолета и дисплеи радаров. Это позволило тщательно осмотреть систему на земле после полета. Каждый полет возвращал данные о полетах на расстояние около 100 миль, всего было выполнено более 250 таких полетов. Ранние тесты показали случайный шум в измерениях, что сделало измерения бесполезными. В конечном итоге это было связано с автоматической регулировкой усиления, использующей очень высокое усиление в верхней части диаграммы направленности, где местность обычно находится на больших расстояниях и требует наибольшего усиления. антенны, Побочным эффектом этого было возникновение паразитных отражений в боковых лепестках которые усиливались до такой степени, что вызывали помехи. Проблема была решена путем перехода от О-образной схемы к U-образной и разрешения увеличения усиления только при сканировании вверх, чтобы предотвратить его повторную настройку на высокое усиление при движении вниз и, таким образом, избежать появления низменной местности в боковые лепестки с высоким коэффициентом усиления.

Достижения в области электроники во время разработки позволили сделать оригинальную электронику электронных ламп все более транзисторной , в результате чего в целом система стала гораздо меньшей. По мере дальнейшего развития системы она была перенесена на Blackburn Buccaneer для испытаний на более высоких скоростях. Испытания проводились на базе RAF Turnhouse в аэропорту Эдинбурга , недалеко от места разработки радаров Ferranti в городе.

Во время испытаний радар не был подключен к системе автопилота самолета, и все управление было ручным. Кривая была выбрана для обеспечения максимальной нагрузки в половину G. Путь полета указывался точкой на проекционном дисплее AIRPASS . Пилот следовал по расчетной траектории, наклоняя самолет до тех пор, пока указатель вектора скорости самолета в виде небольшого кольца не оказался в центре точки. В ходе испытаний пилоты очень быстро почувствовали уверенность в системе и с удовольствием летали на ней на минимальном клиренсе даже в плохую погоду.

По мере того как пилоты знакомились с системой, инженеры постоянно уменьшали выбранный зазор до тех пор, пока она не продемонстрировала свою способность безопасно и плавно работать при среднем зазоре всего 30 метров (98 футов). Это было проверено на пересеченной местности, включая горные хребты, глухие долины и даже скалы. Было также обнаружено, что он способен направлять искусственные объекты, такие как телевизионные антенны в Кэрн-О'Маунте и передающей станции Кирк-о'Шоттс , мосты через реку Форт и воздушные линии электропередачи .

Развитие в США

Несмотря на раннее начало работы Корнелла, по причинам, которые недостаточно известны, дальнейшее развитие в США на время закончилось с концепцией в полузавершенной форме. Ситуация резко изменилась после инцидента с У-2 в 1960 году , который привел к быстрому переходу от полетов на большой высоте над СССР к заходу на посадку «пенетратора» на малой высоте. В краткосрочной перспективе для различных самолетов было введено в эксплуатацию несколько радаров предотвращения пересечения местности. Первым настоящим TFR в США был Texas Instruments AN/APQ-101, который сделал компанию лидером рынка TFR на многие годы. В начале 1960-х годов они разработали системы TFR для версии RF-4C Phantom II , армейского Grumman OV-1 Mohawk и усовершенствованную систему AN/APQ-110 для General Dynamics F-111 .

По ряду причин проект ТСР-2 был отменен в 1965 году в пользу закупки F-111 — платформы аналогичной концепции, основанной на аналогичном радаре. В отличие от конструкции Ферранти, APQ-110 предлагал несколько дополнительных элементов управления, в том числе настройки качества езды «жесткий», «мягкий» и «средний», которые изменяли силу перегрузки рассчитанного профиля спуска кривой с 0,25 до 1 G, в то время как всегда допуская максимальную подгрузку 3G. Он также включал второй набор электроники для обеспечения горячего резервирования в случае сбоя основного блока и отказоустойчивые режимы, которые выполняли подтягивание 3G в случае различных сбоев системы.

Распространение

В конечном итоге F-111 столкнулся с задержками и перерасходом средств, мало чем отличаясь от TSR-2. Изучив несколько концепций, ВВС Великобритании в конечном итоге решили использовать Buccaneer. Хотя эта платформа прошла тщательные испытания с радаром Ferranti, эта потенциальная модернизация не была выбрана для эксплуатации. Недовольство таким положением дел привело к тому, что ВВС Великобритании начали переговоры со своими французскими коллегами и появление BAC /Dassault AFVG , самолета, очень похожего на F-111. После успешных первоначальных переговоров Великобритания отказалась от выбора F-111K. Вскоре после этого Марсель Дассо начал активно подрывать проект, от которого в конце концов французы отказались в 1967 году.

В следующем году правительство Великобритании начало переговоры с более широким кругом стран, что в конечном итоге привело к Панавиа Торнадо . Компания Texas Instruments использовала свой опыт работы с F-111 TFR, чтобы выиграть контракт на радар для Tornado IDS.

Использование в ударной авиации

Преимущества и недостатки

Радар слежения за местностью в основном используется военными ударными самолетами для обеспечения полета на очень малых высотах (иногда ниже 100 футов/30 метров) и на высоких скоростях. Поскольку обнаружение РЛС противника и перехват зенитными системами требуют прямой видимости цели, полет низко над землей и на большой скорости сводит время уязвимости самолета к обнаружению до минимума за счет сокрытия самолета за местностью. насколько это возможно. Это известно как маскирование местности .

Тем не менее, излучение радара может быть относительно легко обнаружено вражескими зенитными системами, если нет прикрытия местности, что позволяет нацелить самолет. Таким образом, использование радара слежения за местностью представляет собой компромисс между повышенной живучестью за счет маскировки местности и легкостью, с которой самолет может быть наведен на цель, если его заметят.

Даже у автоматизированной системы есть ограничения, и все самолеты с радарами слежения за местностью имеют ограничения на то, насколько низко и быстро они могут летать. Такие факторы, как время отклика системы, пределы перегрузки самолета и погода, могут ограничивать полет самолета. Поскольку радар не может определить, что находится за пределами непосредственной местности, траектория полета также может страдать от «раздутия» над острыми гребнями местности, где высота становится неоправданно большой. Кроме того, радар может поздно обнаружить препятствия, такие как радиоантенны и опоры электропередач, и создать опасность столкновения.

Интеграция и использование

На самолетах с более чем одним экипажем радар обычно используется штурманом, и это позволяет пилоту сосредоточиться на других аспектах полета, помимо чрезвычайно интенсивной задачи полета на малой высоте. Большинство самолетов позволяют пилоту также выбирать «жесткость» полета с помощью переключателя в кабине, чтобы выбирать между тем, насколько близко самолет пытается держаться близко к земле, и силами, действующими на пилота.

Некоторые самолеты, такие как Tornado IDS, имеют два отдельных радара, меньший из которых используется для отслеживания местности. Однако более современные самолеты, такие как Rafale , с радарами с фазированной решеткой , имеют одну антенну, которую можно использовать для наблюдения вперед и на землю за счет электронного управления лучами.

В F-111C используется СКР.

Другое использование

Радар слежения за местностью иногда используется гражданскими самолетами, которые составляют карту местности и хотят поддерживать постоянную высоту над ней.

Военные вертолеты также могут иметь радар слежения за местностью. Из-за более низкой скорости и высокой маневренности вертолеты обычно могут летать ниже, чем самолеты.

Теперь доступны системы, которые устанавливаются на коммерческие БПЛА и позволяют нести георадары или магнитометрические датчики для исследования недр. Это используется при поиске неразорвавшихся боеприпасов и в археологии.

Альтернативы

Существует очень мало альтернатив использованию радара слежения за местностью для высокоскоростного полета на малой высоте. TERPROM , навигационная система с привязкой к местности, обеспечивает ограниченную, но пассивную функциональность отслеживания местности.

См. также

• Фазированная решетка
• Активная матрица с электронным сканированием

Ссылки

Библиография

• Блейн, Билл (24 июля 2011 г.). «Земля TSR2 после разработки радаров – 1959–1964 годы» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 24 июля 2011 года.
• Мейсон, Джон; Худ, Гарольд (21 февраля 1964 г.). «Штурмовики обнимают враждебную местность с помощью нового радара» . Журнал электроники .
• Старлинг, Дик; Стюарт, Грег (1 апреля 1971 г.). «Развитие местности по данным радара» . Авиастроение и аэрокосмические технологии . 43 (4): 13–15. дои : 10.1108/eb034756 .
• Му, Цзясун; Лян, Цилиан; Ван, Вэй; Чжан, Баоцзюй; Пи, Имин (2015). Материалы Третьей Международной конференции по связи, обработке сигналов и системам . Спрингер. ISBN  9783319089911 .
• Удар Ферранти и радар слежения за местностью .

Внешние ссылки

• Ferranti Strike and Terrain Follow Radar , длинный фильм с полными подробностями разработки и концепции эксплуатации AIRPASS II.
• Крахмальник, FM; Ветч, Г.Дж.; Вендл, Майкл (1968). «Автоматическая система управления полетом для автоматического слежения за местностью» (PDF) . Журнал самолетов . 5 (2): 168–175. дои : 10.2514/3.43925 . Архивировано из оригинала (PDF) 26 февраля 2009 года.