dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Кстати, в комментариях к предыдущей записи обсуждается необходимость навигации в будущем, нужна ли она вообще при фантастических захватнических операциях.

В реальности всё довольно просто: планирование эффективной военной операции без точных карт – невозможно. Точные карты требуют наличия точной навигации – это очевидно. Это что касается стратегии. Тактика проведения эффективной операции, опять же, требует точной информации о местоположении частей. Чем точнее и быстрее такая информация распространяется, тем эффективнее операция и больше шансов на успех. То есть, идеальное решение – распространение “навигационной информации” в режиме онлайн.

Моментальный и подробный (с “топографией”) ответ на вопросы типа “где я сейчас нахожусь?”, “где находятся другие части/подразделения?” и тому подобные – это основной предмет разрабатываемых и испытываемых сейчас перспективных военных информационных систем поля боя. Наиболее нашумевшая инициатива (имевшая, впрочем, некоторые проблемы): Future Combat Systems (FCS).

“Гибкая” автоматизированная навигация, использующая различные источники данных и “параметры” окружающей среды для “определения координат” – эта тема уже десяток лет находится среди наиболее актуальных прикладных исследований.

Другими словами, если даже сейчас автоматической навигации уделяется столько внимания, то очень странно полагать, что в фантастическом будущем, где возможны межпланетные перелёты, универсальная и точная общедоступная (“для своих”, конечно) навигационная система не является чем-то само собой разумеющимся. Ну как сейчас компьютеры и радары на корабле, примерно.

В связи с демонстрацией прототипа ПАК ФА снова разгорелись дискуссии о том, насколько нужен “Стелс” и для чего.

Между прочим, нужно учитывать, что малозаметные самолёты, истребители, в частности, исторически разрабатывались прежде всего как “оружие агрессии”. Вот, например, самый “раскрученный” литературой и кинематографом малозаметный ударный самолёт F-117, имел единственный вид мало-мальски разумного применения: уничтожение объектов инфраструктуры на чужой территории, прикрытой чужой ПВО. То есть, не для обороны собственной территории такой самолёт конструировался. (Ну да, конечно, можно придумать всякие сценарии, где и ударный F-117 оказывается чем-то наподобие “нелетального пугача” – но речь-то о реальных планах и операциях.)

Даже “древний” как бы малозаметный самолёт (“как бы” – потому что он в серию не пошёл, и вообще всё было давно, многое не понятно) – германский Go 229 времён Второй мировой, – создавался, скорее всего, для преодоления систем оповещения о воздушном нападении, в частности, британских РЛС.

Конечно, времена изменились. Да и вообще нельзя сказать, что малозаметный для радаров противника истребитель – обязательно хуже хорошо заметного. Но вот нужно учитывать, что если решаются задачи ПВО собственной территории, то в таком случае и “Стелс” может быть совсем другим. Как это? Вот как. Есть мощные наземные помехопостановщики, которые могут работать и против “летающих радаров”, создавая активные помехи, способные помещать противнику обнаруживать истребители обороняющейся стороны. Это, можно сказать, активный “Стелс”. Более того, над собственной территорией можно под хорошим прикрытием наземных комплексов ПВО держать помехопостановщики в воздухе, на борту самолётов РЭБ. И этими помехопостановщиками “слепить” радары противника, не позволяя ему наводиться на как бы и хорошо заметные “не-стелс” истребители. Почему-то обо всём этом часто забывают, кидаясь сравнивать истребители “один на один”, и быстро приходя к банальному выводу типа “он раньше увидел, а значит – выиграл”.

(Последний тезис, кстати говоря, тоже со всех сторон притянут за уши. Во-первых, если самолёт малозаметный, то это не значит, что он обязательно “раньше увидит” другой самолёт. Во-вторых, “увидел” – не значит “выиграл”, потому что нужно ещё качественно обстрелять подходящей ракетой. Так что максимум, что реально обещать “первому увидевшему”: ну, это он, видимо, сможет быстро убежать, “издалека заметив приближающуюся армаду”.)

Важная фундаментальная вещь: определять положение всякого мобильного радиопередатчика (например, мобильного телефона) можно с помощью нескольких приёмников, в “пассивном” режиме (с оговорками) и в реальном времени.

Потребуется выполнение нескольких условий: приёмники должны “знать” собственное положение (координаты, можно взять относительно какого-то общего базиса), иметь общую синхронную временную шкалу высокой точности, обмениваться информацией между собой или с неким “центром” (это и есть оговорка про пассивный режим) и уметь определять общие для приёмников-участников “сигнатуры” передатчика, за которым ведётся слежка.

То есть, требуется умная сеть из множества приёмников – и, так как эфир общий, можно быстро определять местоположение практически произвольного передатчика. Подходящим объектом, например, является мобильный телефон.

Принцип работы сети – прост: вычисляется разность во времени поступления сигнала заданного радиопередатчика на разные приёмники. Разность по времени, очевидно, как-то коррелирует с расстоянием от передатчика до приёмника. Зная координаты нескольких приёмников, можно из геометрических соображений определить местоположение передатчика (относительно приёмников, вообще говоря).

На практике возникают сложности. Например, как только переходят от исследования сферического коня в вакууме к полевому применению, особенно в условиях города, выясняется, что радиоволны отражаются от “чего попало”, и вовсе не обязательно, что к каждому конкретному приёмнику сети сигнал прибыл кратчайшим путём (“по прямой”, грубо говоря). Также возникают трудности с вычислением “сигнатур”: откуда мы знаем, что приёмниками под номерами 10 и 7 принят сигнал одного и того же передатчика?

Впрочем, в случае с мобильными телефонами ситуацию, с одной стороны, несколько упрощает то, что эти устройства сами периодически выдают в эфир идентифицирующие их коды. С другой стороны – коды ещё нужно распознать.

Если следящие устройства совсем хитрые, то они могут привязаться к “тонким” уникальным физическим характеристикам всякого передатчика, которые определяются технологическими погрешностями, возникающими при производстве микроэлектронных устройств (какое-нибудь “дрожание фазы”, шум генератора и т.п.). Собственно, затеянный в прошлом году проект DARPA Gandalf – это система, работающая именно на описанных выше принципах.

Борьба с упоминавшимися искажениями, вносимыми отражениями, ведётся с помощью использования большого количества приёмников и сбора сведений об отражающих объектах: анализ всего массива информации позволяет исключить “невозможные” конфигурации приёмники-передатчик. Тут, кстати, точность и эффективность растёт при наблюдении за подвижным передатчиком. Не так важно, движутся при этом приёмники или нет.

Полезное развитие системы: GPS наоборот – использование разведывательных спутников в качестве “сетевых приёмников”. Такая сеть, как раз, может быстро определять положение подводной лодки, проводящей радиообмен. Ну и не только лодки, понятно. Главное, чтобы сигналы передатчика не слишком сильно искажались в атмосфере (степень искажения зависит от частоты и других параметров сигнала).

Продолжаем выпускать записки.

Вот интересный момент: “Стелс” – это группа технологий обеспечения малой заметности (радиолокационной, и – всякой другой); современное “терминологическое толкование” шире: речь идёт не просто о “снижении заметности”, но об “управлении сигнатурой”. То есть, о технологиях, позволяющих изменять параметры заметности в “разрезе” разных критериев. Например, снизили заметность с данного ракурса, переместили “пик” отражения в другую частотную область и т.п.

Понятно, что слышать об управлении сигнатурой в сторону увеличения заметности приходится реже. Технологии, увеличивающие заметность, позволяющие имитировать заданные сигнатуры – важны в случае с “ложными целями”, имитаторами и мишенями. А для, например, истребителя важно снижение заметности. Но вот с точки зрения создания эффективной боевой машины вовсе не обязательно делать истребитель “невидимым”, или “почти невидимым”, бравируя в прессе достигнутыми сверхмалыми значениями ЭПР, как это делается, например, в отношении F-22.

Так, в случае с истребителем, при наличии на борту хороших средств активной помехопостановки, очень помогает и не самое радикальное снижение ЭПР. Тут работает такой аспект: важно снизить ЭПР для частот и ракурсов, с которыми работает помехопостановщик, до такого уровня, при котором мощность отражённого целью сигнала будет существенно меньше мощности, излучаемой передатчиком помехопостановщика. Тогда последнему будет проще “замаскировать” своим ответом настоящий отражённый сигнал, приняв зондирующий импульс. (Да, на обработку принятого сигнала и генерацию сложной активной помехи требуется дополнительное время, а отражённый сигнал “уже ушёл”, но это технически решаемая задача – современная элементная база довольно оперативно работает.)

Только что описанная ситуация – это и есть управление сигнатурой, активное.

(Фото: U.S. Navy photo)

“Боинг” пишет, что 10 августа успешно проверили системы наведения ABL (это мощный лазер, смонтированный на базе 747 лайнера) в полёте, по воздушной мишени, имитирующей ракету. То есть, как пишут, установка успешно обнаружила цель, а потом, используя лазеры подсветки, успешно промерила атмосферные искажения на пути до цели. Самим мощным лазером пока не стреляли.

Вообще, в таком лазерном оружии, первостепенное значение имеют два связанных между собой фактора: атмосферные искажения и способность без задержек получать очень точные данные о траектории цели на достаточно большом (по времени) отрезке. Атмосфера, понятно, мешает фокусировать мощный лазер на цели – поэтому оптика должна компенсировать постоянно меняющиеся условия распространения излучения. Перемещение цели – та же петрушка: мешает фокусировке, нужно быстро компенсировать.

Радар тут, в общем, может служить лишь грубым инструментом. Поэтому точное наведение и коррекция обеспечиваются с помощью подсветки дополнительными лазерами и анализом отражений, в том числе, кстати, для корректировки может использоваться и отражения излучения основного мощного лазера.

Теперь ждём, что напишут по результатам испытаний основного лазера в воздухе по мишени.

(Развиваем тему навигации. Нужно, наверное, отдельную категорию завести.)

Известно, что навигация по GPS основана на определении расстояния приёмника от нескольких “опорных точек”, чьи координаты известны (это, конечно, спутники). “Традиционная” практическая навигация также часто использует привязку к точкам с заранее известными координатами – то есть, методика стандартная и известная. Преимущества GPS: относительно несложно вычислять координаты автоматически. Но при этом навигация с использованием “радиоэлектронных автоматов”, работающих в привязке к радиопередатчикам с известными координатами – она тоже весьма и весьма старая (более 50 лет ей), хоть об этом и не многие задумываются.

Микроэлектронный прогресс нарастает. Результаты заметны в навигации. Сейчас и разнообразных передатчиков работает много и приёмники с компьютерами стали очень чувствительными, избирательными и мощными. Поэтому построить “навигационное поле”, доступное для автоматических навигационных систем, можно на базе самых разных присутствующих в интересующем районе передатчиков. GPS, опять же, не требуется. Интересно, что тут “навигационное поле” оказывается неким “паразитным” элементом.

Чтобы построить это самое “поле” достаточно тщательно исследовать обстановку в эфире, с максимальной точностью определив координаты множества подходящих передатчиков. Годятся: базовые станции систем мобильной связи, радиорелейные передатчики, телевизионные передатчики и тому подобные штуки. Понятно, что эти передатчики обычно зафиксированы на одном месте и у каждого можно выделить набор “сигнатур”, позволяющих отличать его от других (станции GSM, например, штатно “называют себя” при работе в эфире).

Теперь компьютеризированный навигационный инструмент, имеющий в локальной базе данных сведения о координатах и параметрах передатчиков, может вычислять собственное местоположение “триангулируя” на основе принимаемых сигналов. Годится для небольших беспилотников и наземных роботов, действующих в городе, ведь, GPS здесь много где совершенно недоступен: в больших зданиях, в подземных коммуникациях. А вот сигналы GSM, Wi-Fi или телевидения – вполне принимаются.

Особенно важен такой момент, который многие упускают из виду: для построения “навигационного поля” вовсе не нужно запрашивать какие-то сведения о местоположении, скажем, базовых станций GSM (типа, операторы их не выдадут). Вся информация дистанционно собирается из эфира, а координаты вычисляются с использованием других способов “привязки к местности”: хотя бы тот же самолёт-разведчик с GPS на борту.

DARPA ещё пару лет назад открыто заказало нечто подобное для военных применений. При этом описанная схема полностью рабочая и даже реализована на практике в гражданских системах (можно поискать в Google “wifi geolocation”, например). В случае с WiFi, сбор исходной информации проводится просто с борта автомобиля с GPS-приёмником (и WiFi, конечно), разъезжающего по городу.

Заметьте, уже система, работающая на WiFi, может быть весьма компактна, точна и пригодна для наведения “быстролетящих изделий”. Такие дела.

Оказывается, несмотря на большие размеры и медийную привлекательность, об особенностях штатовского морского плавучего радара мало знают. Скажем, как этот радар ходит морем? Вся штука смонтирована на нефтяной платформе (российского производства, между прочим, как верно отметил в комментариях Зашёл в гости) и, поэтому, перемещаться она может сама, а также с привлечением буксиров и специальных судов, которые могут поднять платформу целиком. Как происходит транспортировка судном:

Во-первых, платформа максимально всплывает. Во-вторых, транспортный “док” подходит достаточно близко и частично погружается под воду (это транспортное судно так устроено – см. фото). В-третьих, буксиры заводят платформу так, что она оказывается над грузовой палубой транспорта. В-четвёртых, транспорт всплывает и поднимает платформу. Дальше, это в-пятых, транспорт быстро везёт платформу к новому месту дислокации (сама платформа ходит медленно). Как происходит спуск на воду по прибытии, думаю, рассказывать не надо. Смотрим фотографии (после фотографий – ещё текст с дополнительными объяснениями назначения изделия).

Общий вид транспорта:

“Погрузка/разгрузка”:

Далее – ещё эпизоды транспортировки:

Масштабы сооружения можно оценить по вот этой паре картинок (исходник и фрагмент крупно – там несколько человеческих фигур на снимке):

Вообще, водоизмещение платформы, как пишут, около 50000 тонн. Главный “шарик” содержит в себе основную антенну, её линейные размеры, судя по всему, находятся где-то в районе 23-27 метров. Очевидно, это АФАР (активная фазированная антенная решётка) с дополнительным механическим сканированием. Надо заметить, от чисто “механической” антенны при таких размерах толку бы вообще не было: слишком медленная.

Кстати, для такого радара, по роду применения, очень важно точно знать своё местоположение (3D, понятно) в каждый момент времени, иначе будут большие погрешности измерений. Поэтому там не только сама платформа активно стабилизируется, но и наверняка антенны находятся на гиростабилизированных платформах (такие платформы “под большой вес” – известны, используются для стабилизации оружейных систем на кораблях). Кроме того, АФАР может компенсировать перемещения платформы “на лету” с помощью обработки сигнала.

Для чего радар нужен в системе ПРО?

Да, понятно, что большая антенна позволяет быстро и точно вычислять координаты потенциальных целей. Кроме того, высокочастотный сигнал (а это ж X Band), делает возможным получение радиолокационной картины с довольно высоким разрешением, то есть, можно отличать отдельные элементы группы целей (боеголовка, имитаторы и т.п.) на большом расстоянии.

Суммарная мощность передатчиков наверняка велика (там же нет проблем с энергоснабжением), поэтому не стоит забывать, что важнейшая-то задача такого радара – подсвет целей для бистатической радиолокации (то есть, отражённый сигнал принимают другие участники системы). Радар плавучий – может занять выгодную позицию. Другие элементы, расположенные на кораблях, также можно расставить в нужных точках.

Зачем?

Для решения одной ключевой задачи: известно, что реальные боеголовки могут прятаться среди множества имитаторов, которые привезла та же ракета. Имитаторы, конечно, проектируются таким образом, чтобы их было очень сложно отличить от боеголовки, при использовании самых разных средств наблюдения: РЛС, оптических систем и т.п. Однако одно дело изготовить имитатор, неотличимый от боеголовки при наблюдении одним радаром с одного ракурса, и совсем другое – неотличимый имитатор, работающий для произвольного ракурса, в том числе при условии, что приёмник и передатчик системы наблюдения противника разнесены в пространстве. Нужно ли объяснять, что вторая задача вообще имеет другой порядок сложности?

А теперь добавьте сюда тот факт, что наблюдение осуществляется при очень высоком для радиолокации разрешении: хорошо виден момент “разделения целей”, траектории всех элементов.

Вот поэтому и требуются морские системы и радары в Европе: собственную прикрываемую территорию Штаты могли бы под завязку нашпиговать РЛС самых разных диапазонов, но нужных ракурсов наблюдения (с разнесением приёмников и передатчиков), необходимых для автоматической селекции целей (угрозы/имитаторы), таким способом не получить. Точнее, когда ракурс образуется – уже поздно собираться что-то там перехватывать.

Но это всё, конечно, стратегические цели.

(Фото: MDA, Boeing)

В свете пугающих ракетных заявлений КНДР Штаты выдвигают в Тихий океан свой гигантский плавучий радар, который может работать в составе системы ПРО. Плавание радара обходится казне в десятки миллионов долларов (но, собственно, они ж их сами печатают, поэтому – какие проблемы?). Фото радара:

Всё оборудование перемещают к гавайскому побережью. Так что к осени можно ожидать новых событий с перехватом баллистических ракет.

Продолжаем серию записок, затрагивающих внутреннее устройство радаров. Вообще, в наборе уже опубликованных записок с темой РЛС, как-то остались за бортом сведения о самых базовых принципах и логике работы радаров. И вроде бы многие о них читали/слышали, а вот оказывается, всё равно вопросы остаются и непонимание – тоже. Так что нужно навёрстывать.

Понятно, что главное свойство радара – это способность определять координаты наблюдаемых целей. В рамках решения задач по определению координат, возникает задача определения расстояния “до цели”. Как можно вычислить расстояние? В самом банальном случае, конечно, речь нужно вести о расстоянии между приёмо-передатчиком радара и отражающей сигнал целью. Если утрировать ситуацию ещё больше, то и возникает то самое распространённое наблюдение, что расстояние вычисляется делением пополам времени между отправкой зондирующего импульса и приёмом отражённого с последующим умножением результата на “скорость света”. Действительно, практически такой подход и работает: главное, научиться точно определять время.

В популярной литературе традиционно рисуют картинку, где передатчик отправляет импульс в сторону цели, потом вся система “засекает время” отправки и ждёт “ответа”, то есть отражённого импульса. Чтобы понять, что эта технологически рафинированная картина в практике реального мира встречается лишь чуть чаще, чем идеальная окружность, вспомните: радары могут быть импульсными, а могут быть и непрерывного излучения; настоящие цели склонны перемещаться, отражающих объектов в “поле зрения” радара может быть одновременно несколько. А есть ведь и другие трудности, похитрее (например, активные помехи).

Посмотрим внимательнее: если радар использует непрерывное (ну да, тут имеется в виду некоторый условный длительный промежуток времени) излучение – а именно так работали многие старые радары, работает целый ряд современных и “проектируемых”, например бортовые РЛС перспективных истребителей – то для того, чтобы сравнивать принятый сигнал с отправленным, придётся использовать специальную модуляцию, создающую “метки времени”.

Подумайте сами: если совсем простой радар передаёт “монотонный писк” (“гармонику”), то расстояние до цели можно бы определять по углу сдвига фазы в принятом сигнале. Однако тут сразу возникает такая проблема: как отличать расстояния, кратные периоду колебаний “писка”? Ведь получается, что очень много целей (ага, в чисто математическом смысле бесконечно много – вообще обидно) окажутся как бы на одном расстоянии. Проблема. Решается использованием сложной модуляции (или кодирования), загоняющей в сигнал “линейку” с нужным периодом.

С импульсным радаром, казалось бы, проще, всё как в идеальной картинке: отправил импульс, получил “ответ”. Но, понятно, радар не может всякий раз ждать отражённого сигнала, прежде чем передать новый импульс. Предположим, что импульсы следуют с какой-то частотой. Тогда получается, что отражённый сигнал может прийти к приёмнику через время, превышающее время молчания между передачей соседних импульсов. Как понять, что принят ответ на позапрошлый импульс? То есть, в общем-то, получается та же неприятная штука, что и с непрерывным сигналом. Поэтому опять придётся придумать такую модуляцию, которая позволит после приёма отличать отдельные импульсы внутри некоторой последовательности. Что, собственно, и делается на практике. Выходит, даже самый простой случай требует серьёзных ухищрений для определения расстояния по времени задержки сигнала.

Как ещё можно определять расстояние? Можно по углам направления (пеленгам) на одну и ту же цель из разных точек пространства, с известными координатами (так сказать, “триангуляцией”). Не обязательно одновременно фиксировать направление из нескольких точек (скажем, используя набор истребителей). Один самолёт достаточно быстро летит, поэтому, измерив направление на цель из нескольких точек траектории полёта, зная относительное положение этих точек, можно вычислить искомое расстояние. Первая проблема тут такая: как вообще понять, что направление при каждом измерении фиксируется действительно на одну и ту же цель? Помогает сохранение сигнатур и реализация других методов распознавания целей.

Есть и вторая проблема, которая мешает всем методам определения расстояния радаром, но особенно только что упомянутой “триангуляции” по серии последовательных измерений: что делать, если цель движется? Так что на практике используют довольно сложные алгоритмы и уточняют результаты измерений сразу несколькими способами. Конечно, помогают и данные о скорости движения цели. Об этом – в продолжении, которое следует.

Кстати, вопрос: в записке упомянуто два “простых” метода измерения расстояния “практическим радаром”: по “задержке сигнала”, по азимутам; кто сможет назвать другой метод?