Радиолокация и сверхманевренность

Развитие теории и практики авиационной науки в области искусственной устойчивости ЛА привело к созданию нового типа летательных аппаратов, так называемых сверхманевренных летательных аппаратов (СМЛА). Искусственная устойчивость достигается за счет применения систем автоматического управления обладающих свойством адаптации к условиям полета. Сверхманевренность рассматривается как одна из основ концепций построения перспективных истребителей. Она оказывает существенное влияние как на тактику применения истребителей нового поколения, так и на облик бортовых обзорно-прицельных систем, включая радиолокационные системы. В той или иной степени элементами сверхманевренности обладают все истребители и многофункциональные самолеты четвертого поколения, начиная с F-15, F-16, F-18А, МиГ-29, Су-27 и его модификаций. В наиболее полной форме сверхманевренностью обладают самолеты F-22, Су-35 и особенно Су-37. Сверхманевренность наделяет ЛА новыми возможностями:

Сверхманевренность позволяет выполнять чрезвычайно сложный пилотаж истребителей. Например:

В тактическом плане сверхманевренность позволяет существенно увеличить зоны применения оружия, уменьшить время на выход в зону атаки и повысить собственную безопасность в том числе и за счет выполнения существенно более эффективных маневров уклонения от управляемых средств поражения (УСП). Системные исследования, проведенные показали, что сверхманевренные самолёты по своей эффективности в два с лишним раза превосходят обычные ЛА. В техническом плане устойчивое сопровождение сверхманевренной цели предъявляет существенно более жёсткие требования к точности и быстродействию РЛС . Необходимо подчеркнуть, что все проблемы, связанные с сопровождением сверхманевренных целей, проявляются аналогичным образом и при выполнении таких маневров самолётом-носителем РЛС. Отсюда следует необходимость развития комплексирования РЛС с другими средствами наблюдения и автономными датчиками (акселерометрами, гироскопами, датчиками воздушной скорости и т.д.), улучшения степени развязки антенны РЛС от угловых колебаний носителя и значительного расширения диапазона стабилизируемых углов. Сложность перемещения СМЛА в пространстве делает недостаточной использование традиционных приёмов стабилизации антенн, основанных на применении только позиционной, либо скоростной коррекции и предопределяет использование более сложных комбинированных видов коррекции.

Обращает на себя внимание тот факт, что качественное улучшение маневренных свойств ЛА даёт возможность выполнения так называемых интеллектуальных манёвров. Эти маневры позволяют, с одной стороны, ухудшать показатели систем сопровождения противоборствующей стороны, реализуя так называемые алгоритмические воздействия, а с другой стороны, улучшать показатели своих радиолокационных и оптико-электронных систем наблюдения, реализуя концепцию траекторного управления наблюдением.

К первому направлению относятся, например, целенаправленное выполнение маневра, при котором появляется третья и более высокие производные дальности, скорости и угловых координат, приводящие к срыву сопровождения. Выполнение таких маневров невозможно без алгоритмов оценивания в БРЛС относительных ускорений и их производных. Возможность сброса скорости до околонулевых значений и зависание в воздухе также приводит к срыву сопровождения СМЛА импульсно-доплеровскими РЛС противоборствующей стороны. Полет с регулярными скачкообразными изменениями пространственного положения, траектория которого показана на рис. 1,а, приводит к появлению эффекта мерцания, по своему смыслу аналогичному использованию мерцающих помех, Следует, однако, отметить, что такой полет в течении длительного времени приводит к дискомфорту экипажа и на практике может применяться лишь в беспилотных боевых самолетах.

Ко второму направлению относится выполнение специальных маневров, позволяющих улучшить условия радиолокационного наблюдения воздушных и наземных целей, в частности, за счёт увеличения зоны обзора, улучшения разрешающей способности целей в группе, ликвидации влияния антипода, повышения помехозащищённости от разнесённых в пространстве источников помех и т.д. Необходимо подчеркнуть, что реализация этого направления позволит улучшить тактико-технические показатели БРЛС практически без изменения вида сигналов подсвета цели и алгоритмов обработки сигналов. Необходимо отметить, что СМЛА имеет преимущества не только в ближнем маневренном бою, где его превосходство над обычными летательными аппаратами очевидно, но и в дальнем ракетном бою. Это объясняется тем, что эффективность истребителя в дальнем групповом бою в значительной мере определяется его способностью опережать противника в применении оружия, скоростью перенацеливания на другие цели и возможностью эффективного уклонения от УСП. По всем этим показателям СМЛА существенно превосходит другие типы самолетов.

Маневренные свойства воздушных целей оказывают существенное влияние на показатели эффективности БРЛС. В связи с этим расширение номенклатуры и количества СМЛА заставляет в значительной мере не только модернизировать существующие алгоритмы обработки сигналов в БРЛС, но и искать новые пути решения задач поиска, обнаружения, распознавания и сопровождения целей. Проведём качественную оценку влияния сверхманевренности на алгоритмы обработки сигналов в современных БРЛС. В общем случае сверхманевренность влияет как на этап первичной, так и этап вторичной обработки сигналов.

Под этапом первичной обработки будем понимать совокупность процедур поиска, обнаружения, распознавания целей и формирования первичных, в общем случае неоднозначных измерений дальности (времени запаздывания), скорости сближения (доплеровской частоты) и угловых координат.

Под этапом вторичной обработки будем понимать совокупность алгоритмов формирования оценок всех фазовых координат, необходимых для управления носителем РЛС, ранжирования целей по степени важности и выдачи команд целеуказания УСП и сопрягаемым системам, включая средства радиотехнической разведки (РТР), радиоэлектронного подавления (РЭП) и ОЭС. Рассмотрим влияние сверхманевренности на показатели эффективности систем первичной и вторичной обработки сигналов современной импульсно-доплеровской (ИД) РЛС, способной работать как в режиме сопровождения одной, так и нескольких целей. Сложное движение СМЛА сопровождаются появлением поперечных и продольных ускорений, что приводит к дополнительной частотной модуляции (ЧМ) отраженных сигналов и расширению их спектров с соответствующим уменьшением спектральной плотности. В результате ухудшаются условия согласованной фильтрации в процессе обработки сигналов. Поступление сигналов с расширенным спектром в систему обнаружения приводит к его попаданию в несколько доплеровских фильтров. С учетом уменьшения спектральной плотности это приводит к ухудшению условий обнаружения и снижению отношения сигнал-шум (ОСШ) со всеми вытекающими последствиями: снижению вероятности правильного обнаружения и возрастанию вероятности пропуска цели. Кроме того, при небольшой дальности до цели, когда отраженный сигнал имеет большую мощность, размывание спектра по нескольким фильтрам может привести к принятию ложного решения о наличии нескольких целей. При обнаружении групповой цели размывание спектра приводит к ухудшению разрешающей способности по скорости и снижению достоверности определения количественного состава группы.

Одним из самых распространенных приемов формирования первичных измерений дальности в ИД РЛС является использование линейной частотной модуляции (ЛЧМ) сигнала. При его использовании дальность измеряется по разности частот излученного и принятого сигналов. При наличии ускорения цели за счет появления дополнительной частотной модуляции точность измерения дальности существенно ухудшается.

Наиболее достоверные алгоритмы распознавания целей на этом этапе (вплоть до их типа), основаны на тонком спектральном анализе принятых сигналов в процессе длительного когерентного накопления. В процессе этого анализа выделяются составляющие, обусловленные, например, вращением лопаток турбин (винтов), имеющие сугубо индивидуальный признак. Наличие дополнительного смещения всех составляющих и размытие спектра, обусловленные маневром, будут приводить к снижению достоверности распознавания типа цели.

Необходимо подчеркнуть, что в силу случайного характера рассмотренных выше ускорений практически невозможно создать системы первичной обработки сигналов, основанные на использовании согласованных факторов. Перспективным направлением снижения этих недостатков является переход к корреляционным алгоритмам, в которых опорный сигнал формируется с учетом текущих оценок ускорений целей. Однако такой подход связан со значительным увеличением сложности систем обработки.

Для эффективного перехвата СМЛА необходимо использовать более сложные законы наведения, требующие для своей реализации большего объема информации. Особенно это относится к ситуации, когда в качестве перехватчика также используется СМЛА. Анализ алгоритмов траекторного управления СМЛА и УСП показывает что в РЛС наряду с традиционными оценками дальности, скорости сближения, углов и угловых скоростей в плоскостях управления необходимо как минимум формировать и оценки поперечных ускорений цели. Следует подчеркнуть, что при интенсивном маневрировании появляются производные отслеживаемых фазовых координат (дальности, скорости, углов), порядок которых превышает порядок астатизма следящих измерителей. Это обстоятельство обусловливает нарастание динамических ошибок. В такой ситуации при ограниченной ширине дискриминационных и пеленгационных характеристик РЛС срыв сопровождения становится достаточно вероятным. Поскольку в существующих одноконтурных следящих системах, в которых чувствительный элемент, управитель (фильтр) и исполнительные органы включены последовательно, требования точности противоречат требованиям устойчивости, то разрешить при их использовании проблему высокоточного бессрывного сопровождения СМЛА практически невозможно. Разрешением указанного противоречия является переход к так называемым многоконтурным измерителям, в которых требования точности и устойчивости обеспечиваются различными контурами, реализуя высокие показатели систем в целом. Перспективным направлением синтеза многоконтурных систем является использование алгоритмов статистической теории оптимального управления. Еще одним направлением является использование адаптивных следящих измерителей. В таких измерителях могут изменяться структура и параметры следящих фильтров.

Следует отметить, что в любом случае весьма актуальной является проблема расширения рабочих участков дискриминационных характеристик дискриминаторов (пеленгаторов), используемых в следящих системах. Весьма эффективным приемом решения этой задачи в системах сопровождения по дальности и скорости является способ, основанный на наращивании количества стробов, используемых в дискриминаторах.

Использование сверхманевренности позволяет ЛА в несколько раз сократить время выхода в зону применения оружия при любом взаимном расположении с целью (рис. 3). В связи с этим у противоборствующей стороны в такой же степени сокращается время на подготовку контратаки. В таких условиях время, затрачиваемое на захват сверхманевренной цели, выдачу команд ЦУ УСП и их отработку, определяемое интервалом 4...7с, является недопустимо большим. Для реализации концепции стрельбы «навскидку», в рамках которой ракета должна пускаться практически сразу после захвата цели БРЛС, требуется существенно меньшее время отработки ошибок захвата. Для сокращения времени обработки ошибки можно воспользоваться адаптивными следящими измерителями, в которых в начальные моменты времени реализуются наибольшие коэффициенты усиления (максимально широкие полосы пропускания). В качестве примера можно привести адаптивные калмановские фильтры. Также можно использовать в измерителях нелинейные сигналы управления, которые содержат слагаемые, пропорциональные третьей степени ошибки. Сигналы такого вида могут быть получены в процессе оптимизации следящих систем на основе вадратично-биквадратных функционалов качества.

Следует отметить, что ошибки формирования оценок дальности и скорости, возникающие в процедурах вторичной обработки из-за интенсивных маневров, могут привести к нарушению функционирования алгоритмов первичной обработки. Это обусловлено тем, что выбор частоты повторения излучаемых импульсов в режимах высокой и средней частоты повторения, который используется для устранения попадания отраженных сигналов в зону бланкирования приемника и нониусного способа однозначного измерения дальности, осуществляется по результатам оценивания дальности и скорости. Неправильный выбор частоты повторения приводит к тому, что отраженные сигналы могут попасть в зону непрозрачности (бланкирования) приемника, либо к появлению грубых ошибок оценивания дальности и скорости. В обоих ситуациях это приводит к нарушению автоматической селекции целей по дальности и скорости, срыву сопровождения и необходимости повторного выполнения достаточно длительной процедуры поиска и захвата цели. Следует подчеркнуть, что при сопровождении СМЛА даже небольшая потеря времени может привести к непоправимым последствиям.

В системах автоматического сопровождения целей в режиме обзора (АСЦРО) выполнение интенсивного маневра приводит к появлению ошибок на всех этапах работы:

Способность изменять характер своего движения за очень короткое время, вплоть до смены его направления и зависания в воздухе (рис. 3,а), предопределяет необходимость усложнения процедуры поиска цели. Это усложнение прежде всего связано с изменением закона обзора пространства для более частого получения сигналов, отраженных от СМЛА, сокращения времени контакта (времени накопления) с ними, что невозможно без использования ФАР и мощных вычислительных систем.

Основным способом идентификации радиолокационных измерений является проверка их попадания в стробы отождествления. Стробовому методу идентификации присущ ряд недостатков:

Поскольку количество сопровождаемых целей может превышать количество имеющихся в наличии УСП, то для их эффективного применения желательно знать степень важности (опасности) сопровождаемых целей. Один из наиболее распространенных приемов определения опасности целей состоит в определении наименьшего подлетного времени, определяемого как отношение оценок дальности и скорости сближения. Та цель, для которой это время будет наименьшим, считается наиболее опасной, остальные цели ранжируются по мере его возрастания. Необходимо отметить, что при появлении маневров оценки дальности и скорости формируются с ошибками, что может привести к неадекватному распределению целей по степени их важности. В связи с этим необходимо использовать более сложные процедуры определения важности целей, основанные на минимизации линейно-квадратичных функционалов, в которых учитываются текущие промахи, направление полета и т.д.

Анализ изложенного материала позволяет придти к следующим заключениям: