CC BY
51
УДК 621.396.96
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-172-177
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОСТРОЕНИЯ РЛС НА БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ
Е.А. Макарецкий, К.Г. Корнеев
Рассмотрены проблемы создания радиолокационных систем на основе групп беспилотных летательных аппаратов. Проведен анализ возможностей создания когерентных и некогерентных многопозиционных РЛС, установлены достоинства и недостатки различных вариантов. Обоснован вывод о перспективности разработки некогерентных многопозиционных РЛС на основе роя БЛА.
Ключевые слова: радиолокационная система, беспилотный летательный аппарат, летательный аппапарт.
Одной из наиболее примечательных черт современного развития техники является быстрое внедрение интеллектуальных технологий в транспортные системы -наземные, надводные и подводные, воздушные. Наиболее ярко это проявляется в бурном развитии беспилотных летательных аппаратов (БЛА) [1,2], за короткое время прошедших путь от простейших демонстраторов, до сетецентрически организованных систем.
Развитие беспилотных летательных аппаратов широкой номенклатуры массы, габаритов, длительности полета и дальности действия является одним из приоритетных направлений мировой авиапромышленности [3,6]. В настоящее время БЛА находят широкое военное и гражданское применения, в том числе для разведки, патрулирования дорог и водных акваторий, мониторинга объектов промышленности и сельского хозяйства, контроля границ и др.
Характерной чертой развития БЛА является переход от использования одиночных аппаратов к групповому использованию, что позволяет существенно увеличить объём получаемой информации. При этом возможно получение новых функциональных возможностей по получению информации об окружающей обстановке.
Основными каналами получения информации БЛА являются оптический, теп-ловизионный и радиолокационный. Первые два типа каналов получили наибольшее распространение благодаря высокому разрешению и малым габаритам аппаратуры. Использование радиолокационного канала на БЛА сдерживается существенными ограничениями по массе аппаратуры и возможными габаритами антенн, определяющими угловое разрешение РЛС. По этим причинам в настоящее время на БЛА в основном используются РЛС с синтезированием апертуры [4]. В то же время, потенциально РЛС на БЛА позволяет улучшить такие характеристики систем радиолокационной разведки, как дальность, скрытность, возможность наблюдения целей с различных ракурсов и др.
Одним из перспективных направлений создания РЛС БЛА является создание нестационарных антенных решёток [5], представляющих собой группу БЛА, на каждом из которых установлен излучатель антенной решётки. Группа (рой) БЛА образуют активную фазированную антенную решётку (АФАР).
К несомненным достоинствам нестационарных АФАР, в которых каждый БЛА является носителем элемента антенной решётки, относятся [5]:
- качественное повышение мобильности формирования антенного полотна желаемых размеров и формы, что особенно важно для повышения живучести РЛС;
- увеличение дальности действия РЛС за счёт увеличения высоты подъёма антенны, укрупнения её размеров с использованием большего количества излучателей;
- управление уровнем боковых лепестков за счёт комбинации эквидистантного и неэквидистантного размещения излучателей в пространстве;
- возможность изменения топологии размещения излучателей в пространстве при смене рабочего диапазона волн РЛС;
- мобильное изменение зоны обзора РЛС как в горизонтальной плоскости (вплоть до круговой), так и в вертикальной.
В то же время, нестационарным антенным решёткам свойственны такие недостатки, как влияние траекторных нестабильностей носителей на такие параметры антенны, как коэффициент направленного действия, ширина диаграммы направленности, стабильность уровня боковых лепестков; ограничения по частотному диапазону используемых радиосигналов, зависящие от размеров БЛА и величины безаварийных интервалов между ними в процессе полёта.
При анализе перспектив построения радиолокационных систем необходимо провести анализ возможных вариантов их построения и оценить возможные характеристики.
Можно предложить следующие варианты реализации радиолокационной системы:
- однопозиционная;
- многопозиционная;
- распределённая.
Наземные РЛС разведки обычно создаются по однопозиционной схеме, при которой передатчик и приёмник пространственно расположены в одном месте. Такая схема также используется в авиационных РЛС и может применяться только на больших БЛА, которые обычно не используют тактику «роя» и не позволяет получить дополнительные преимущества.
Многопозиционные радиолокационные системы (МРЛС) [7] состоят из разнесённых в пространстве передающих и приёмных позиций, совместно ведущих радиолокационное наблюдение целей. Достоинствами МРЛС являются [7]:
- повышение общей энергетики системы при добавлении к однопозиционной РЛС любого числа передающих и (или) приемных позиций;
- высокоточное измерение пространственного положения цели;
- повышение разрешающей способности.
Особенностями МРЛС БЛА являются следующие факторы:
- направленность антенн БЛА не может быть большой, поскольку ограничивается размерами носителей, что приводит к снижению точности измерения угловых координат;
- обеспечение когерентного режима работы требует создания сложной системы синхронизации группы распределённых в пространстве подвижных РЛС.
Многопозиционная РЛС (МРЛС) может быть построена по различным схемам:
1. Одна передающая позиция и несколько когерентных приёмных позиций. Для БЛА РЛС это означает использование структуры роя БЛА с лидером, который является основным звеном системы (рис. 1).
Лидер является источником зондирующего сигнала, производит первичную обработку принимаемой информации и управление системой. Важной функцией лидера является обеспечение синхронизации радиолокационных сигналов в системе для обеспечения когерентного режима работы. Приёмные БЛА могут иметь меньшие размеры и содержать только приёмную аппаратуру, аппаратуру связи и навигации.
По принципу действия система представляет собой РЛС с отдельным передатчиком, формирующим зондирующий луч с шириной, равной заданному сектору обзора, и приёмной АФАР, размещённой на БЛА.
При работе подобной системы определение точной дальности до цели возможно непосредственно только лидером, поскольку пространственное расположение приёмных БЛА известно с погрешностью, зависящей от точности навигационной системы, что снижает когерентность сигналов и точность измерений. Кроме того, соотношение между расстояниями между приёмными позициями и длиной волны приводит к воз-
можности использования подобной системы только в длинноволновой части СВЧ диапазона (метровые или дециметровые волны), поскольку при меньших длинах волн в диаграмме направленности системы излучателей появляются побочные главные максимумы. Они могут быть подавлены при использовании принципов построения неэквидистантных антенных решёток, но динамический характер системы БЛА (смещение позиций в пространстве под действием внешних факторов) затрудняет использование этого метода.
Рис. 1. Структура многопозиционной РЛС БЛА с лидером
2. Все позиции системы осуществляют когерентную передачу и приём сигналов. В этом случае каждый БЛА должен иметь состав аппаратуры аналогичный лидеру в рассмотренном выше варианте системы. Достоинством является возможность получения энергетического выигрыша в системе (при условии обеспечения когерентности системы). Однако ему свойственны все недостатки рассмотренного выше варианта. Кроме того, подобная система предъявляет повышенные требования к величине полезного груза БЛА и отличается существенно большей стоимостью. При обработке информации в системе может сложиться ситуация, что для цели небольшой дальности не будут выполняться приближения дальней зоны и потребуется коррекция фазового фронта волны.
В принципе, оба рассмотренных варианта представляют собой разновидности нестационарных когерентных антенных решёток, рассмотренных в [5].
3. Многопозиционная некогерентная активная РЛС. Отказ от обеспечения когерентности РЛС позволяет устранить проблемы с многолучёвостью (или высоким уровнем боковых лепестков) антенной системы, снизить требования к точности позиционирования БЛА, упростить синхронизацию системы. Однако в этом случае теряется фазовая информация об угловых координатах цели. Выход может состоять в использовании высокочастотного диапазона СВЧ, что позволяет существенно сократить размеры антенной системы и обеспечить измерение угловых координат цели в каждой позиции.
Оценим возможности создания направленной антенны на БЛА. Поскольку для некогерентной системы нет ограничений по частоте сигнала, возможно использование, например Ка диапазона (приблизительная длина волны 8 мм). Размеры БЛА лёгкого и среднего классов (например, Ка-137, Орлан-10, Элерон-3, А-175 «Акула») составляют единицы метров. При использовании Ка диапазона антенна с шириной диаграммы направленности 1 угловой градус имеет размеры порядка 550...650 мм и может быть легко выполнена по полосковой технологии, имея минимальное аэродинамическое сопротивление и массу.
При достаточно большой базе (расстоянии между БЛА) возможно повышение точности измерения координат цели за счёт многопозиционного измерения. Так, для двухпозиционной системы с ненаправленными антеннами [7]:
где ад - среднеквадратическое отклонение (СКО) измерения угла; - СКО измерения дальности; Ь - расстояние между позициями; в - угол между направлением на цель и направлением на вторую позицию (рис. 2). Например, при расстоянии между позициями БЛА L=500 м и СКО измерения дальности а^ =5 м, СКО измерения угла составляет 0,8 градуса.
Из соотношения для ад следует, что при высокой точности измерения дальности (т. е. использовании широкополосных сигналов) и достаточно больших базах СКО ад может быть значительно меньше, чем при обычной однопозиционной пеленгации цели.
В общем случае если суммарное число измеряемых разнесенными позициями МРЛС «первичных координат» (дальностей, суммарных дальностей, пеленгов) каждой цели превышает минимально необходимое для определения её пространственного положения, то избыточные измерения используют для увеличения точности.
Структурная схема одной позиции некогерентной МРЛС не отличается от изображённой схемы лидера на рис. 1, но требования к отдельным блокам существенно упрощаются.
Объединение и обработка сигналов в МРЛС ведётся с выхода детектора отдельной РЛС и не требует передачи фазовой информации. Система синхронизации некогерентной БЛА выполняет функции временной синхронизации МРЛС и не требует фазовой синхронизации зондирующих сигналов, что снижает требования к каналу связи. От навигационной системы не требуется определение координат БЛА с точностью до Х/20 и выше (где X - длина волны излучения), достаточны погрешности составляю-
Рис. 2. Двухпозиционное измерение угловых координат цели
щие величины порядка Cr . Аналогично упрощается система управления БЛА, поскольку расстояния между отдельными БЛА достаточно велики и резко снижается вероятность их столкновения.
^руктура некогерентной MPЛC на БЛА позволяет обеспечить работу системы в различных режимах:
- режим многолучевого обзора в широком угловом диапазоне: при этом рой БЛА формирует веер совмещённых лучей, обеспечивающий наблюдение в заданном секторе;
- при обнаружении цели (целей) в результате перестроения роя БЛА направляются в одном или нескольких (разбиваясь на группы) направлениях.
Изменение направления на цель принципиально может быть реализовано и электронным методом, например при использовании многолучевых антенн AФAP на каждом БЛА.
Дополнительным достоинством некогерентной MPЛC на БЛА является устойчивость к активным помехам, поскольку отдельные PЛC могут работать на различных частотах и их одновременное подавление существенно сложнее.
Проведённый анализ позволяет сделать вывод о перспективности разработки некогерентных многопозиционных PЛC на основе роя БЛА, позволяющих существенно улучшить характеристики систем радиолокационной разведки.
Список литературы
1. Haijun Wang, Haitao Zhao, Jiao Zhang, Dongtang Ma, Jiaxun Li, and Jibo Wei. Survey on Unmanned Aerial Vehicle Networks: A Cyber Physical System Perspective. [Электронный ресурс]. URL: https://arxiv.org/pdf/1812.06821.pdf. (дата обращения: 10.12.2021).
2. Paul Gerin Fahlstrom, Thomas James Gleason. Introduction to UAV Systems. Fourth edition. A John Wiley & Sons, Ltd., Publication.2012. 287 р.
3. Дремлюга Г.П., Ески CA., Иванов Ю.Л., Лященко В.А. Беспилотные летательные аппараты. Cостояние и тенденции развития. Под общей редакцией д.т.н. ,проф. Иванова Ю.Л. M.: ЛА «Варяг», 2004. 176с.
4. Paul Gerin Fahlstrom, Thomas James Gleason. Introduction to UAV Systems. Fourth edition. A John Wiley & Sons, Ltd., Publication. 2012. 287 р.
5. Mеркулов В., Mиляков Д. Нестационарные антенные решётки на базе беспилотных летательных аппаратов. «За» и «Против»/ Pадиоэлектронные технологии, №2/2021 (29). C. 16 - 21.
6. Верба В. C. Анализ состояния и тенденций развития бортовых PЛC авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения //Журнал радиоэлектроники, № 11, 2012. [Электронный ресурс]. URL: https://jre.cplire.ru/alt/nov12/9/text.html. (дата обращения: 12.12.2021).
7. Черняк В.С Mногопозиционная радиолокация. M.: Pадио и связь. 1993.
416 с.
8. Беспилотные авиационные системы. [Электронный ресурс]. URL: https://kronshtadt.ru/production (дата обращения: 10.01.2022).
Макарецкий Евгений Александрович, д-р техн. наук, профессор, makaretsky@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Корнеев Константин Глебович, аспирант, kostya.korneev@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INVESTIGATION OF THE POSSIBILITIES OF BUILDING RADAR ON UNMANNED AERIAL VEHICLES
E.A. Makaretsky, K.G. Korneev
The problems of creating radar systems based on groups of unmanned aerial vehicles are considered. The analysis of the possibilities of creating coherent and incoherent multi-position radars is carried out, the advantages and disadvantages of various options are established. The conclusion about the prospects of developing incoherent multi-position radars based on a swarm of UAVS is substantiated.
Key words: radar system, unmanned aerial vehicle, aircraft apparatus.
Makaretskiy Eugene Alexandrovich, doctor of technical science, professor, makaretsky@ mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Korneev Konstantin Glebovich, postgraduate, kostya.korneev@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 531.57; 623.53
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-177-185
КОМБИНИРОВАННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВНУТРЕННЕЙ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ БАЛЛИСТИКИ АВИАЦИОННОГО АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ОРУЖИЯ
А.Б. Бабаджанов, И.А. Подкопаев, А.В. Подкопаев, В.И. Должиков
Представлена количественная модель идентификации внутрибаллистических параметров артиллерийского выстрела и имитации условий истечения пороховых газов (далее - газы) из канала малокалиберного артиллерийского ствола (далее - ствол). Осуществлена проверка адекватности, рассмотрен вариант практической реализации синтезированной модели.
Ключевые слова: температурное поле ствола, параметры состояния газов, характеристики и условия заряжания.
Одно из главных достижений современного периода среднего машиностроения состоит в том, что артиллерийская наука достигла такого уровня развития, который позволяет на основе всесторонне проверенных теорией методов и отработанных практикой методик разрабатывать и модернизировать скорострельные артиллерийские автоматы с высоким темпом стрельбы (максимальным для образцов авиационного артиллерийского оружия (ААО)), при сравнительно небольшом весе и габаритах. В настоящее время в условиях достижения апогея конструктивного совершенства известных образцов скорострельных пушек, основное внимание уделяется исследованиям режимов их огневой эксплуатации, в числе прочего представляющих важнейшие характеристики, определяющие количественные показатели результативности автоматических орудий [1-3].
Важные мероприятия обеспечения качества функционирования ААО, проводимые ведущими научными и научно-производственными организациями страны, несомненно, доставляют требуемый результат. Однако все известные научно-технические решения в предметной области не снимают проблему максимального использования конструктивных достоинств ААО. К существенным факторам, ограничивающим технические возможности ААО, относят термопластические нагрузки ствола.
177
