CC BY
0
АНАЛИЗ БПЛА И ИХ ДЕМАСКИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ, ДЛЯ СРЕДСТВ
ОБНАРУЖЕНИЯ
В.А. Коптев, магистр
Московский технический университет связи и информатики (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-6-1-236-243
Аннотация. Работа посвящена анализу демаскирующих факторов БПЛА и их влиянию на эффективность различных средств обнаружения. Рассматриваются ключевые характеристики БПЛА, которые способствуют их обнаружению, такие как радиолокационная заметность, оптическое и инфракрасное излучение или акустическая заметность. Проанализированы условия, в которых наиболее эффективно применять средства обнаружения и рассмотрен ряд рекомендаций для улучшения характеристик обнаружения БПЛА.
Ключевые слова: БПЛА, демаскирующие факторы, средства обнаружения, анализ эффективности средств, противодействие БПЛА.
При рассмотрении беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), как актуальных радиолокационных целей, часто акцентируют внимание на факторах, усложняющих обнаружение. Данный анализ помогает составить адекватное представление тех трудностей, которые встречаются при попытке обнаружить БПЛА средствами радиолокационных систем (РЛС). Каждый из этих факторов по отдельности негативно влияет на обнаружение цели различными средствами. Однако в совокупности они создают серьёзную проблему достоверного обнаружения и противодействия БПЛА [1].
Другая сторона вопроса: факторы, способствующие обнаружению БПЛА - рассматривается не столь часто. Хотя тоже представляет большой интерес, при рассмотрении средств противодействия БПЛА. Следует отметить, что эти факторы лишь частично смягчают трудности обна-
ружения и определения параметров БПЛА различными средствами. Их следует использовать для повышения достоверности получаемой информации. Проанализируем их [1].
1. Наличие радионепрозрачных поверхностей.
Беспилотники имеют малую радиолокационную заметность. Но всё же, она имеется, полностью избавиться от отражающих свойств невозможно. Поскольку они связаны с наличием непрозрачных материалов в конструкции или полезной нагрузке БПЛА, таких как аккумуляторы, двигатели, элементы корпуса, пропеллеры, система охлаждения, внутренняя электроника и т.д., рисунок 1. Если учесть все эти компоненты, становится ясно, что РЛС останется одним из основных средств для обнаружения и определения параметров БПЛА, даже малых размеров [1].
Ttn«u4ipm * агопкло
Рис. 1. Радионепрозрачные элементы конструкции БПЛА
Обнаружение с помощью радиолокации эффективно, если ЭПР цели не меньше определённой разрешающей способности РЛС. Обычно в различных расчётах значение ЭПР БПЛА находится в диапазоне от 0,05 до 0,5 м2. Эти значения вполне подходят для описания БПЛА, на которых не используются различные методы снижения радиолокационной заметности. Однако даже если усреднённое значение ЭПР объекта уменьшается до 0,01 м2 и ниже, при определённом угле обзора объекта, могут возникать соединения радионепрозрачных деталей. В результате они образуют подобие уголкового отражателя, и БПЛА становится более заметным для РЛС под таким углом обзора. Если сигнал попадает на эти участки, он почти полностью отражается обратно, что увеличивает
общую мощность принимаемого вторичного излучения сигнала [1-2].
В различных источниках приводятся расчётные данные о возможности обнаружения объекта с ЭПР 0,1 м2 и 0,01 м2 для разных диапазонов длин волн таблица 1. Однако расчётная дальность может значительно отличаться от результатов полигонных испытаний. Кроме того, результаты полигонных испытаний не всегда соответствуют реальным условиям эксплуатации. Исследования показывают, что в ходе полигонных испытаний дальность обнаружения объекта с ЭПР 0,1 м2 приближается к расчётной дальности обнаружения объекта с ЭПР 0,01 м2. Однако в реальных условиях дальность обнаружения объекта ЭПР 0,01 м2, фактически стремится к нулю [1-3].
Таблица 1. расчётная дальность обнаружения объектов с малой ЭПР
Дальность обнаружения, для диапазона длин волн
ЭПР, м2 метровый дециметровый сантиметровый
0,1 8 - 14, км 9 - 16, км 12 - 25, км
0,01 0,1 - 1,5, км 0,8 - 2, км 1,4 - 2,8, км
Можно сделать вывод, что традиционные средства РЛС не способны достоверно обнаруживать малоразмерные объекты на значительном расстоянии, даже в условиях отсутствия сильных помех. Если же принять во внимание помехи от местных предметов или радиолокационного противодействия, то достоверность обнаружения снижается ещё больше. Активное маневрирование, вплоть до замирания в пространстве, мешает отслеживанию объектов в системах селекции движущихся целей (СДЦ) [1-4].
Даже в этом случае существуют методы, позволяющие эффективно использовать фактор радиолокационной заметности объекта. Необходимо искать решения в усовершенствовании средств радиолокации. Например, использование РЛС с синтезированной апертурой, применение сигналов, обеспечивающих высокую разрешающую способность по параметрам цели, использование различных алгоритмов обработки сигнала, которые повышают заметность объектов на фоне подстилающей поверхности и т.д. [5]
Один из методов повышения эффективности обнаружения БПЛА заключается в объединении нескольких РЛС в общую сеть. Они будут дополнять друг друга в области обнаружения. Чем больше РЛС одновременно сканирует пространство, тем выше вероятность того, что хотя бы одна из них зафиксирует сигнал, отражённый от объекта с малой ЭПР, и передаст остальным локаторам сведения о том, где находится подозрительный объект. Такая совместная работа разных систем может положительно сказаться на решении задачи обнаружения. Например, если имеется комплекс ПВО и он не обладают достаточной разрешающей способностью для обнаружения БПЛА, то в других подразделениях войск имеются собственные системы РЛС, используемые для разведки местности или целеуказания при плохой видимости [1-2, 6].
2. Эффект пропеллерной модуляции.
Известно, что эффект Доплера вызывает смещение частоты сигнала при отражении от движущегося относительно радара объекта. Если у летательного аппарата есть части, которые движутся относительно него (например, пропеллеры вертолёта), они вносят дополнительную составляющую в эффект Доплера. Также это выражается в быстрых флуктуациях ЭПР, и соответственно, мощности отражённого сигнала.
Этот эффект называется пропеллерной модуляцией, он возникает из-за отражения сигнала от вращающегося с высокой скоростью винта. В результате у принятого сигнала, появляются дополнительные модуляционные составляющие спектра, расположенные симметрично относительно спектра несущей сигнала, отражённого от корпуса рисунок 2. Частота их повторения указывает на частоту вращения винта. Это один из признаков, позволяющих классифицировать цель.
- || НИШ |Ц III || 11111111111 и 111М11IIIIIШШ1 ►
-./лпш /д +УД|ШХ /
Рис. 2. Спектральный портрет сигнала, отражённого от вращающихся лопастей [7]
Аналогичный эффект возникает и с БПЛА, оснащёнными лопастями из радионепрозрачных материалов. У беспилотни-ков вертолётного типа, обычно имеются от трёх винтов, меньшее количество делает полёт нестабильным. Материалы, из которых изготавливаются лопасти дронов, включают пластик, композиты на основе углеродного волокна (карбон) и металл. Последние два варианта используются довольно часто. Лопасти из этих материалов получаются более жёсткими и прочными, что улучшает лётные характеристики. Поскольку эти материалы радионепрозрачны, каждая лопасть даст эффект пропеллерной модуляции, формируя характерный спектр сигнала. Такое искаже-
ние сигнала легче идентифицировать как отражённый сигнал от БПЛА [7].
3. Обнаружение целей, с помощью дополнительных средств объективного контроля.
Здесь имеется в виду использование различных дополнительных средств обнаружения, которые в обычных условиях применяются в особых случаях. Поскольку средств РЛС было достаточно для мониторинга ситуации на контролируемых территориях, однако сейчас рассматривается особый случай цели с низкой ЭПР. Необходимо принять и другие средства обнаружения, способные зафиксировать применение БПЛА.
3.1. Визуальное обнаружение. Для
объектов, которые сложно обнаружить с помощью радиолокации, можно использовать их визуальную заметность в оптическом диапазоне. Однако возможности оптико-электронной разведки серьёзно ограничиваются условиями окружающей среды, такими как погодные условия и время суток. Чтобы обнаружить объект, нужно получить его цифровое изображение, спроецированное на плоскость. Затем, увеличив контрастность полученного изображения, идентифицировать цели. Расстояние обнаружения можно регулировать, меняя угол обзора и время наблюдения сектора пространства [1].
В результате можно сделать вывод, что средства оптической разведки не столь эффективны при первичном поиске БПЛА, особенно если у них нет ярко выраженных признаков (например, факела от ракеты). Однако если оптическое оборудование получает информацию из других источников (например, от РЛС), указывающих на местоположение цели, оптическая разведка может быть гораздо полезнее. Например, её можно использовать для визуального подтверждения наличия цели в пределах прямой видимости и дальнейшего отслеживания. Также следует учесть низкую оптическую заметность БПЛА по сравнению с пилотируемыми летательными аппаратами, что обусловлено его небольшими размерами, отсутствием реактивного двигателя, проблесковых маяков на корпусе, дополнительного камуфляжа и т.д. [1].
Один из способов автоматизировать процесс визуального обнаружения объекта - это использовать нейронные сети и алгоритмы искусственный интеллекта и машинного обучения. В современных мегаполисах установлено множество камер слежения, способных автоматически распознавать людей по внешним признакам. Это достигается с помощью нейросетей, которые быстро обрабатывают большие объёмы данных и точно определяют, что изображено на снимке. Таким образом, можно предположить, что эта технология применима и для обнаружения БПЛА [5, 8].
Для этого требуется специализированное программное обеспечение, обученное распознавать дроны в различных условиях, телевизионное оборудование с высоким разрешением, высокопроизводительные компьютеры для быстрой обработки полученных изображений и достаточно большой объём памяти для автономного доступа к большим объёмам данных. Результаты не будут идеальными, ошибки в различении визуального образа орнитологических объектов и БПЛА неизбежны, так как маленькие объекты невозможно достоверно идентифицировать на большом расстоянии, даже при высоком разрешении телевизионных камер или продвинутом программном обеспечении. Объект будет восприниматься небольшим количеством пикселей с малой интенсивностью принимаемого света, по которым трудно определить что-либо достоверно. Однако в качестве дополнительного средства обнаружения цели или слежения за ней это может быть достаточно эффективным, если речь идёт о средних и малых расстояниях до цели.
В качестве отступления от темы можно рассмотреть использование не оптического диапазона, а инфракрасного излучения для обнаружения. Оно эффективно в тёмное время суток, когда нельзя использовать приборы оптической разведки, и есть сильный контраст между температурой БПЛА и окружающей среды. Основные источники тепла - двигатели, электронные компоненты, силовые установки и участки конструкции с высоким трением о воздух. Однако разработчики дронов находят способы отводить тепло и перенаправлять его в невидимые с земли области.
Поэтому на обнаружение БПЛА с помощью инфракрасного излучения сильно влияют интенсивность теплового излучения в пространстве, площадь рассеивания и взаимодействие со средой. Также важны погодные условия и прозрачность атмосферы. Кроме того, заметность БПЛА снижается как для оптического, так и для инфракрасного излучения, если направление полёта ослепляет сенсоры, например, при полёте со стороны другого источника мощного излучения (Солнца) [1].
3.2. Акустическое (звуковое) обнаружение. Ещё одним дополнительным фактором, по которому можно обнаружить БПЛА, является его акустическая замет-ность. В случаях, когда традиционные средства РЛС не гарантируют надёжное обнаружение, можно воспользоваться этим фактором. Во время полёта БПЛА создаёт звуковые волны, которые беспрепятственно распространяются в пространстве. Их можно зафиксировать с помощью специального оборудования, преобразовать в электрический сигнал и проанализировать его. Непосредственными источниками звука служат двигатели и пропеллеры. У них есть характерные особенности: определённая частота звука, зависящая от количества лопастей винта и скорости вращения, а также интенсивность шума, которая связана со скоростью [1].
Звуковые колебания быстро затухают в пространстве, потому что они распространяются и воздействуют на колебания вязкой среды или распространяются вдоль поверхностей, поглощающих акустические волны. Однако наибольшее влияние на ослабление оказывают ветровые потоки. Кроме того, дальность обнаружения значительно уменьшается из-за естественных помех с высокой интенсивностью, создаваемых окружающей средой [1].
Применение акустической разведки может помочь обнаружить БПЛА и определить направление на него, когда прямая видимость аппарата отсутствует. Акустическая разведка также устойчива к условиям плохой видимости и неровному рельефу местности. Однако погодные условия влияют на приём сигнала, повышая общий уровень шума в принимаемом звуке, например, вечером или во время осадков. Тем не менее, сохраняется скрытность работы и устойчивость к средствам радиоэлектронного противодействия [1].
Звуковой сигнал БПЛА обладает своей уникальной спектральной структурой, состоящей из гармонических и широкополосных компонентов. Гармонические компоненты возникают из-за звуков вращения винтов и оборотов двигателя и практически не изменяются при стабильной траектории движения. Именно на них следует
ориентироваться при поиске БПЛА. Также могут присутствовать широкополосные компоненты из-за трения о воздух, или если конструкция беспилотника включает поршневой двигатель [1, 5].
Акустическая разведка имеет существенные ограничения, которые снижают её эффективность. Источники акустических волн не обладают направленностью, поэтому они распространяются во всех направлениях и достигают приёмного устройства с разных сторон. В результате точность определения координат БПЛА снижается. Быстрое затухание акустических волн в среде ограничивает дальность обнаружения. Из-за высокого уровня шума акустическая разведка обладает низкой чувствительностью. Таким образом, методы акустической разведки могут быть использованы для обнаружения БПЛА только на небольших расстояниях (сотни метров), и поэтому считаются дополнительными методами обнаружения [1].
3.3. Радио-радиотехническая разведка. Можно обнаружить БПЛА, принимая и анализируя сигналы, испускаемые его бортовой радиоаппаратурой, такой как радиопередатчик канала связи и радиоуправления, бортовая РЛС или радиовысотомер. Также ценными являются данные, передаваемые по каналу связи. Чтобы поддерживать обмен большими объёмами данных, нужен один или несколько широкополосных каналов связи, скрытное функционирование которых в современных условиях обеспечить сложно, что способствует обнаружению. Обычно радиооборудование на борту и полезной нагрузке имеет достаточный уровень излучения, чтобы использовать этот фактор для помощи в обнаружении БПЛА [1, 9].
Пассивный приём различных сигналов из эфира и последующий анализ их параметров и передаваемых данных позволяет радиоразведке установить факт использования БПЛА и классифицировать беспи-лотник по каналам связи. Благодаря этому можно однозначно определить наличие БПЛА среди естественных объектов со схожими параметрами (например, птиц).
Однако радиоразведка неустойчива к специальным постановщикам помех и
ложным целям, имитирующим излучение БПЛА. Кроме того, она позволяет определить только приблизительное направление нахождения излучающего объекта (пеленг). Точность повышается при длительном наблюдении, но высота и дальность до цели определяются с большой погрешностью, и оценка координат ухудшается с увеличением расстояния до объекта.
Для повышения точности рекомендуется использовать несколько разнесённых станций радиоразведки на достаточном расстоянии друг от друга. Дальность обнаружения зависит от мощности излучения радиоаппаратуры, диаграмм направленности антенн цели и чувствительности аппаратуры радиоразведки на приёмной стороне. Интенсивность излучения бортового оборудования также влияет на заметность беспилотника, особенно если это работающая бортовая РЛС или каналы радиосвязи [1, 9].
4. Анализ демаскирующих факторов.
Наличие множества факторов, влияющих на обнаружение, не гарантирует успешного обнаружения БПЛА, даже при использовании всех этих факторов. Они лишь дополняют друг друга. Многие алгоритмы в системах обнаружения и оценки параметров цели основаны на принципе: РЛС - основное средство обнаружения, а остальные выполняют вспомогательные функции, такие как дублирование систем обнаружения, повышение вероятности обнаружения на важных контролируемых территориях или уточнение координат объекта. На основе этих средств обнаружения была составлена таблица 2, в которой представлены возможности их применения в различных условиях окружающей среды и определены области их эффективного использования. Также приведён рисунок 3, иллюстрирующий доступные средства обнаружения [1, 3-4].
Таблица 2. сводная таблица средств обнаружений и условий работы, в которых они показывают свою эффективность_
Условия работы / обнаружения Средства обнаружения
радио телевидение звук
РЛС радиоразведка оптич. -диапазон ИК - диапазон акустич. разведка
В дневное время суток + + + -- +
В ночное время суток + + -- + +
В сложных погодных условиях ± + -- -- --
Среди местных предметов и пассивных помех (так же птиц) -- + -- -- +
Классификация БПЛА ± ± ± ± --
Селекция групповой цели на одиночные ± ± + + --
Автосопровождение + -- + + --
Зона эффективного действия дальняя дальняя средняя средняя ближняя
Рис. 3. Разные системы обнаружения целей [10]
Также можно найти методы обнаружения, основанные на способах использования БПЛА. А именно, определить, где, в каких условиях и какой беспилотник может применяться для обнаружения определённого типа объекта. В этом случае снизится эффективность универсальных средств обнаружения для разных целей, но повысится точность определения конкретных типов целей. Или можно воспользоваться перспективным подходом с применением «роя» беспилотников, когда группа более заметна, чем одиночный аппарат. При этом разработчики БПЛА продолжают разрабатывать новые технологии, чтобы усложнить процесс обнаружения.
Выводы.
Беспилотники обладают рядом характеристик, которые могут способствовать их обнаружению. Эти характеристики включают наличие радионепрозрачных поверхностей, оптическую заметность и особен-
на стремление минимизировать эти факторы, полностью устранить их невозможно, что позволяет использовать различные средства для обнаружения БПЛА. Различные средства обнаружения, такие как РЛС, оптические системы, инфракрасные датчики и акустическая разведка, имеют свои преимущества и недостатки в различных условиях эксплуатации (время суток, погодные условия и наличие помех).
Для повышения эффективности обнаружения БПЛА рекомендуется комбинировать различные методы и средства обнаружения. Определение условий, в которых наиболее эффективно применять те или иные средства, позволяет увеличить вероятность успешного обнаружения и классификации целей. Кроме того, использование перспективных технологий, таких как рои беспилотников, может значительно улучшить способность к обнаружению и противодействию современным угрозам.
ности акустических проявлений. Несмотря
Библиографический список
1. Макаренко С.И. Противодействие беспилотным летательным аппаратом. Монография. - СПб.: Наукоемкие технологии, 2020. - 204 с.
2. Еремин Г.В., Гаврилов А.Д., Назарчук И.И. Малоразмерные беспилотники - новая проблема для ПВО // Отвага. 29.01.2015. - № 6 (14). - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://otvaga2004.ru/armiya-i-vpk/armiya-i-vpkvzglyad/malorazmernye-bespilotniki/ (дата доступа 11.12.2019).
3. Методы обнаружения малоразмерных беспилотных летательных аппаратов на основе анализа электромагнитного спектра // Российский беспилотники. - [Электронный ресурс].
- Режим доступа: https://russiandrone.ru/publications/metody-obnaruzheniya-malorazmemykh-bespilotnykh-letatelnykh-apparatov-na-osnove-analiza-elektromagn/?ysclid=lvky29lad8427193649 (дата обращения: 21.01.2024).
4. Сперанский В.С. Радиолокация, радиолокационные системы и устройства. - М.: Брис-М, 2011. - 257 с.
5. Христенко А.В. Обнаружение низколетящих малоразмерных целей методом фоновой радиолокации: дис. канд тех. наук наук: 05.12.14 - «Радиолокация и радионавигация». -Томск, 2019. - 168 с.
6. Митрофанов Д.Г., Шишков С.В. Инновационный подход к вопросу обнаружения малогабаритных беспилотных летательных аппаратов // Известия ЮФУ. Технические науки.
- 2018. - №1. - С. 28-40.
7. Воробьев Е.Н. Распознавание воздушных целей в пассивном когерентном локаторе: дис. канд. техн. наук: 2.2.16. - Санкт-Петербург, 2022. - 120 с.
8. Корепанов, С.Е. Алгоритмы обнаружения объектов и оценивания их траекторных параметров с использованием каналов технического зрения бортовых систем обработки информации и управления: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.01 / Корепанов Семен Евгенье-вич.
- М., 2016. - 238 с.
9. Макаренко С.И. Информационное противоборство и радиоэлектронная борьба в се-тецентрических войнах начала XXI века. Монография. - СПб.: Наукоемкие технологии, 2017. - 546 с.
10. Защита от БПЛА // Flectone. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://flectone.ru/zashitit-ot-bpla.html (дата обращения: 23.01.2024).
ANALYSIS OF UAVS AND THEIR DEMASKING FACTORS FOR DETECTION
MEANS
V.A. Koptev, Master's Degree
Moscow Technical University of Communications and Informatics (Russia, Moscow)
Abstract. The paper is dedicated to the analysis of unmanned aerial vehicles (UAVs) and their demasking factors, as well as their impact on the effectiveness of various detection means. The study examines key characteristics of UAVs that contribute to their detection, such as radar cross-section, optical and infrared emissions, and acoustic signatures. The conditions under which detection means are most effectively applied are analyzed, and a range of recommendations for improving UAV detection capabilities are provided.
Keywords: UAVs, demasking factors, detection means, effectiveness analysis, UAV counter-measures.
