Радар слежения за ландшафтом - Terrain-following radar

Не путать с ТЕРКОМ.
ТСР-2 XR220 в музее Королевских ВВС в Косфорде, 2002 г. Ферранти разработал первый радар слежения за рельефом местности специально для TSR-2.

Радар слежения за ландшафтом (СКР) военный аэрокосмический технология, которая позволяет летать очень низко самолет для автоматического поддержания относительно постоянной высоты над уровнем земли и, следовательно, затруднения обнаружения с помощью радаров противника. Иногда его называют прижиматься к земле или же окружение местности полет. Период, термин бездельничанье полет также может применяться, но чаще используется в отношении низколетящих военных вертолеты, которые обычно не используют радар для отслеживания местности.

Системы TFR работают путем сканирования луча радара по вертикали перед самолетом и сравнения дальности и угла отражений радара с предварительно рассчитанной идеальной кривой маневрирования. Вычисляя расстояние между местностью и идеальным поворотом, система вычисляет маневр, который заставит летательный аппарат покинуть местность на заранее выбранное расстояние, часто порядка 100 метров (330 футов). Следование TRF позволяет самолету автоматически следовать за местностью на очень низких уровнях и высокой скорости.

Радиолокационные станции слежения за местностью отличаются от аналогичных по звучанию. избегание местности радары; Системы предотвращения столкновения с землей сканируют по горизонтали, создавая изображение, подобное карте, которое затем использует навигатор для прокладки маршрута, избегающего более высоких участков местности. Эти два метода часто комбинируются в одной радиолокационной системе, навигатор использует режим избегания местности, чтобы выбрать идеальный маршрут через особенности местности на более низкой высоте, такие как долины, а затем переключается в режим TFR, который затем пролетает по этому маршруту на минимальной высоте.

Первоначально концепция была разработана в Корнельская авиационная лаборатория в 1950-е гг. Впервые серийно он был построен в 1959 г. Ферранти для использования с ТСР-2 самолет, впервые летевший в Английский Electric Canberra в 1962 г.[1][2] Хотя от проекта TSR-2 в конечном итоге отказались, эта концепция получила широкое распространение в 1960-х и 1970-х годах. ударный самолет и интердикторы, в том числе General Dynamics F-111, Панавиа Торнадо и Сухой Су-24 «Фехтовальщик». Более широкое внедрение самолет-невидимка технологии в 1990-х годах привели к сокращению полетов на малых высотах в качестве решения проблемы предотвращения зенитное оружие и техника больше не распространена. Большинство самолетов этого класса с тех пор списано, хотя Су-24 все еще используется.

Технологии

Система работает, передавая карандашный луч радар сигнал к земле перед самолетом, в то время как радар сканирует вверх и вниз.[3] Отражения радара обрабатываются, чтобы произвести серию измерений дальности / угла местности перед самолетом.[4]

Предпочтительная кривая маневрирования рассчитывается компьютером наведения. Это похоже на лыжный трамплин пандус, плоский под самолетом, а затем изгибающийся вверх перед ним. Кривая представляет собой траекторию, по которой самолет должен был бы маневрировать с постоянной скоростью. перегрузка, в то время как плоская область под самолетом простирается вперед на небольшое расстояние, чтобы представить расстояние, на которое самолет движется по прямой перед началом этого маневра из-за задержки в управлении. Результирующая составная кривая поворачивается так, что плоская область под самолетом всегда параллельна его вектору текущей скорости,[4] и смещается вниз на желаемое расстояние, выбранное пилотом.[5]

Когда радар сканирует вверх и вниз, он излучает серию радарных импульсов. Каждый из них возвращает значение диапазона, вплоть до некоторого максимального значения, обычно порядка 10 километров (6,2 мили). Угол относительно самолета возвращается датчиком на вертикальном подвесе, который возвращает калиброванное напряжение. В то же время генератор функций кодирование кривой маневрирования отправляет измеренный диапазон и генерирует второе напряжение, представляющее точку на кривой в этом диапазоне. Разница между этими двумя напряжениями представляет собой угол между изображением радара и предпочтительным местоположением. Если результирующее напряжение положительное, это означает, что местность лежит выше кривой, отрицательное - ниже.[6]

Для управления летательным аппаратом проводится серия этих измерений в течение одного полного вертикального сканирования, и регистрируется максимальное положительное значение или минимальное отрицательное значение. Это напряжение представляет собой изменение угла тангажа, под которым самолет должен лететь, чтобы удерживать себя на желаемой высоте над землей при маневрировании с выбранным коэффициентом нагрузки.[5] Это можно передать в автопилот или отображается на пилотской хедз-ап дисплей. Этот процесс создает постоянно вычисляемую траекторию, которая поднимается и опускается над землей с постоянной маневренной нагрузкой.[4]

Одна из проблем этого простого алгоритма состоит в том, что расчетная траектория будет удерживать самолет в положительном по тангажу, когда он приближается к гребню холма. Это приводит к тому, что самолет пролетает над пиком, продолжая набирать высоту, и ему требуется некоторое время, прежде чем он снова начнет спускаться в долину. Этот эффект был известен как «раздувание». Чтобы решить эту проблему, у реальных юнитов был дополнительный термин, который применялся к большим перепадам высот, из-за которых траектория поднималась быстрее при больших смещениях. Это привело к тому, что самолет достиг желаемой высоты раньше, чем обычно, и, таким образом, выровнялся до достижения пика.[6]

Поскольку радар видит объекты только в пределах 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 скорости вращения обычно был низким, порядка половины скорости вращения. У систем также были проблемы над водой, где сигнал имел тенденцию рассеиваться вперед и возвращал на самолет слабый сигнал, за исключением высоких состояния моря. В таких условиях система не сможет вернуться к постоянному зазору, используя радиовысотомер.[6]

Избегание рельефа обычно работает относительным образом, абсолютные высоты объектов не требуются. В некоторых случаях желательно предоставить абсолютное число, чтобы указать размер зазора или его отсутствие. Затем можно рассчитать высоту вершины любой конкретной детали относительно самолета. h = H - R sin φ, где H - высота над землей, измеренная радиовысотомером, φ - угол, а R - дальность, измеренная радаром, где h - результирующая высота объекта над текущей траекторией полета.[7] Расстояние между самолетом и землей тогда составляет Ч - ч.

История

Начальная работа в Корнелле

История концепции СКР восходит к исследованиям, проведенным в Корнельская авиационная лаборатория для Подразделение авиационных систем ВВС США.[6] Это привело к разработке системы, известной как Autoflite.[8]

Рано Радиолокаторы воздушного перехвата использовал коническое сканирование системы с шириной луча порядка четырех градусов. Когда луч падает на землю, часть сигнала рассеивается обратно в сторону летательного аппарата, позволяя ему измерить расстояние до земли перед ним. При взгляде вниз под углом ближняя и дальняя стороны кругового луча радара были растянуты в форме эллипса на земле. Возврат этого паттерна произвел «всплеск», который аналогичным образом распространился на радарный дисплей и недостаточно точный для избегания местности.[9] Однако он был достаточно точным, чтобы отображать землю под самолетом в виде карты с низким разрешением, что привело к разработке военного времени. H2S радар.[10]

Для обеспечения точности, необходимой для отслеживания местности, системы СКР должны основываться на моноимпульсный радар концепция. Моноимпульсный метод создает луч той же ширины, что и традиционный дизайн, но добавляет дополнительную информацию в радиосигнал, часто используя поляризация, что приводит к тому, что два отдельных сигнала возвращаются в приемник под немного разными углами, которые перекрываются в центре луча, или "визирном направлении". Когда эти сигналы ориентированы вертикально, сигнал от нижнего луча падает на землю ближе к летательному аппарату, создавая расширенную метку, как в случае с более ранними радарами, в то время как верхний луч дает аналогичную метку, но расположенную на немного большем расстоянии. . Две точки перекрываются посередине.[11]

Ключевой особенностью метода моноимпульсов является то, что сигналы перекрываются очень специфическим образом; если вы инвертируете один из сигналов и затем просуммируете их, результатом будет выходное напряжение, которое выглядит примерно как синусоидальная волна. Точная середина луча - это то место, где напряжение пересекает ноль. Это приводит к измерению, которое точно совмещается со средней линией сигнала и легко идентифицируется с помощью простой электроники. Затем диапазон может быть точно определен путем определения точного момента перехода через ноль.[9]

Развитие в Великобритании

Отчеты Корнелла были подхвачены в Великобритании, где они легли в основу зарождающейся концепции нового ударный самолет, который в конечном итоге станет BAC TSR-2. Проект TSR-2 был официально запущен с выпуском GOR.339 в 1955 году и быстро остановился на использовании TFR для обеспечения требуемых низкоуровневых характеристик. В Royal Aircraft Establishment построил симулятор системы, используя дискретную электронику, которая заполнила комнату.[6]

В этот же период королевские воздушные силы представлял свои новейшие самолет-перехватчик, то Английский Electric Lightning. Lightning был оснащен первым в мире бортовым моноимпульсным радаром. АЭРОПАСС система, разработанная Ферранти в Эдинбург. В случае Lightning моноимпульсный сигнал использовался для точного измерения горизонтального угла, чтобы позволить компьютеру AIRPASS построить эффективный курс перехвата на большом расстоянии. Для использования TFR все, что нужно было изменить, - это повернуть антенну так, чтобы она измеряла вертикальный угол, а не горизонтальный.[11]

Неудивительно, что Ферранти выиграл контракт на радиолокационный компонент где-то в 1957 или 58 году.[12] Вскоре после начала проекта, в 1959 году, руководитель проекта Гас Скотт уехал в Hughes Microcircuits, расположенный неподалеку. Гленротес, и команда была принята Грегом Стюартом и Диком Старлингом. Первоначальная система была построена из излишка AI.23B AIRPASS,[13] и может быть установлен на прицеп и буксирован Land Rover для тестирования.[14] Существенная проблема заключается в том, что количество возвращаемого сигнала сильно зависит от местности; вертикальные стены здания создают частичную 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, автоматическая регулировка усиления с диапазоном 100 дБ.[9]

Радар измеряет только относительные углы по отношению к стабилизированной линии визирования, поэтому радиовысотомер используется для создания ссылки для расчета фактических высот.[9] Ширина луча радара была достаточно мала, чтобы объекты по обе стороны от траектории полета самолета могли представлять потенциальную опасность, если самолет унес в сторону или начал разворот близко к объекту. Чтобы избежать этого, радар сканировал по O-образной схеме, сканировал по вертикали от 8 градусов по траектории полета до 12 градусов под ней, перемещаясь на несколько градусов влево и вправо от траектории полета. Сканирование корректировалось как по крену, так и по тангажу с помощью авиационных приборов.[11] Кроме того, система считывала скорость поворота с приборов и перемещала схему сканирования дальше влево или вправо, чтобы измерить местность, на которой в будущем будет находиться самолет.[9]

Испытания системы проводились с использованием существующей испытательной системы Ferranti Test Flight. DC-3 Дакота а начиная с зимы 1961/62 г. Английский Electric Canberra. На испытательном самолете были камеры, смотрящие в разных направлениях, в том числе некоторые смотрели на приборы самолета и дисплеи радаров, так что результаты летных испытаний можно было тщательно изучить на земле. Каждый полет возвращал около 100 миль данных, и было выполнено более 250 таких рейсов. Ранние тесты показали случайный шум в измерениях, что сделало измерения бесполезными. В конечном итоге это было связано с автоматической регулировкой усиления с использованием очень высокого усиления в верхней части диаграммы сканирования, где местность обычно находилась на больших расстояниях и требовала максимального усиления. Это имело побочный эффект в виде ложных отражений в антенне. боковые доли усиливаются до такой степени, что вызывают помехи. Это было решено путем перехода от O-образного шаблона к U-образному, и позволяя увеличивать усиление только при сканировании вверх, чтобы предотвратить его повторную настройку на высокое усиление при движении вниз.[5]

Достижения в области электроники во время разработки позволили оригинальной вакуумная труба электроника будет все больше транзисторный, создавая в целом гораздо меньшую систему.[11][а] По мере дальнейшего развития система была перемещена в Блэкберн Буканьер для высокоскоростного тестирования. Испытания проводились с RAF Turnhouse на Эдинбург аэропорт, недалеко от места разработки радаров Ферранти в городе.[9]

Во время испытаний радар не был подключен к системе автопилота самолета, и все управление было ручным. Кривая была выбрана таким образом, чтобы получить половину максимальной нагрузки. Путь к полету обозначен точкой в ​​AIRPASS. хедз-ап дисплей. Пилот двигался по рассчитанной траектории до тех пор, пока индикатор вектора скорости самолета, маленькое кольцо, не оказался в центре точки. На испытаниях пилоты очень быстро стали уверены в системе и были счастливы летать на ней с минимальным клиренсом даже в плохую погоду.[9]

По мере того, как пилоты знакомились с системой, инженеры постоянно уменьшали выбранный зазор до тех пор, пока он не продемонстрировал свою способность безопасно и плавно работать на расстоянии в среднем всего 30 метров (98 футов). Это было проверено на пересеченной местности, включая горные хребты, слепые долины и даже скалы. Также было обнаружено, что он управляет свойствами искусственных объектов, таких как телевизионные антенны в Каирн О'Монт и Передающая станция Kirk o 'Shotts, мосты через River Forth, и воздушные линии электропередачи.[4]

Разработка в США

Несмотря на раннее начало работы Корнелла, по причинам, которые не очень хорошо описаны, дальнейшее развитие в США на время закончилось концепцией в полузаконченной форме. Это резко изменилось после Инцидент с U-2 в 1960 году, что привело к быстрому переходу от высотных полетов над СССР на маловысотный заход "пенетратора".[8] В краткосрочной перспективе был внедрен ряд радаров для предотвращения столкновения с рельефом местности для различных самолетов. Первым настоящим СКР в США был Инструменты Техаса AN / APQ-101, благодаря которому компания на долгие годы стала лидером рынка СКР. В начале 1960-х они разработали системы СКР для версии RF-4C. Фантом II, армия Грумман ОВ-1 Ирокез, а продвинутый AN / APQ-110 система для General Dynamics F-111.[15]

По ряду причин проект TSR-2 был отменен в 1965 году в пользу покупки F-111, платформы аналогичной концепции, основанной на аналогичной РЛС. В отличие от конструкции Ферранти, APQ-110 предлагал несколько дополнительных элементов управления, в том числе настройку качества езды для «жесткого», «мягкого» и «среднего», что изменяло силу gee для профиля спуска рассчитанной кривой с 0,25 до 1 gee, в то время как всегда позволяет подтягиваться максимум 3 gee. Он также включал в себя второй комплект электроники для обеспечения горячего резервирования в случае отказа основного блока и отказоустойчивые режимы, которые выполняли подтягивание на 3 гб в случае различных сбоев системы.

Распространять

В конечном итоге F-111 столкнулся с задержками и перерасходом средств, мало чем отличаясь от TSR-2. Изучив несколько концепций, RAF в конечном итоге решила использовать Buccaneer. Хотя эта платформа была тщательно протестирована с радаром Ferranti, это возможное обновление не было выбрано для обслуживания. Недовольство таким положением дел привело к тому, что ВВС США начали переговоры со своими французскими коллегами и к появлению BAC / Dassault AFVG, самолет очень похож на F-111. После успешных первоначальных переговоров Великобритания отказалась от опционов на F-111K. Вскоре после этого Марсель Дассо начал активно подрывать проект, от которого французы в конце концов отказались в 1967 году.[16]

В следующем году правительство Великобритании начало переговоры с более широким кругом стран, что в конечном итоге привело к Панавиа Торнадо. Ферранти использовал свой опыт с TSR-2, чтобы выиграть контракт на радар и для Tornado.

Использование в ударной авиации

Преимущества и недостатки

Радиолокатор слежения за ландшафтом в основном используется военными ударными самолетами для обеспечения полета на очень малых высотах (иногда ниже 100 футов / 30 метров) и высоких скоростях. Поскольку обнаружение РЛС радарами противника и перехват РЛС зенитный Системы требуют прямой видимости цели, летят низко над землей и на высокой скорости сокращают время, в течение которого самолет становится уязвимым для обнаружения, до минимума, скрывая его за землей, насколько это возможно. Это известно как маскировка местности.

Тем не менее, излучение радаров может быть относительно легко обнаружено зенитными системами противника, когда нет прикрытия местности, что позволяет летать в качестве цели. Таким образом, использование радара слежения за местностью является компромиссом между повышенной живучестью из-за маскировки местности и легкостью, с которой самолет может быть выбран, если его заметят.

Даже автоматизированная система имеет ограничения, и все самолеты с радиолокаторами отслеживания местности имеют ограничения на то, насколько низко и быстро они могут летать. Такие факторы, как время отклика системы, ограничения по перегрузкам самолета и погода, могут все это ограничивать. Поскольку радар не может определить, что находится за пределами непосредственной местности, траектория полета также может страдать от «взлета» над острыми гребнями местности, где высота становится излишне высокой. Более того, такие препятствия, как радиоантенны и опоры электроснабжения, могут быть обнаружены радаром с опозданием и представляют 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 сложной задачи самого низколетящего полета. Большинство самолетов позволяют пилоту также выбирать «жесткость» езды с помощью переключателя в кабине, чтобы выбирать между тем, насколько близко самолет пытается удержаться близко к земле, и силами, действующими на пилота.

Некоторые самолеты, такие как Торнадо IDS иметь два отдельных радара, один меньшего размера используется для отслеживания местности. Однако более современные самолеты, такие как Рафаль с фазированная решетка радары имеют единственную антенну, которую можно использовать для просмотра вперед и на землю с помощью электронного управления лучом.

В F-111C работает СКР

Другое использование

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

Военные вертолеты также могут иметь радар для отслеживания местности. Из-за своей более низкой скорости и высокой маневренности вертолеты обычно могут летать ниже самолетов с неподвижным крылом.

Альтернативы

Существует очень мало альтернатив использованию радара, отслеживающего рельеф местности, для высокоскоростного полета на малой высоте. ТЕРПРОМ, навигационная система с привязкой к местности предоставляет ограниченные, но пассивные функции отслеживания местности.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ См. Изображения на стр. 13. Система примерно в два раза меньше оригинального блока AIRPASS.[11].

Рекомендации

Цитаты

  1. ^ Старлинг и Стюарт, 1971.
  2. ^ Блейн 2011.
  3. ^ Третий 2015 С. 224, 225.
  4. ^ а б c d Следующий.
  5. ^ а б c Блейн 2011 С. 7-8.
  6. ^ а б c d е Блейн 2011, п. 3.
  7. ^ Третий 2015, п. 225.
  8. ^ а б Мейсон и Худ 1964, п. 10.
  9. ^ а б c d е ж грамм Старлинг и Стюарт, 1971, п. 14.
  10. ^ Ловелл, Бернард (1991). Эхо войны: история радара H2S. CRC Press. ISBN  0-85274-317-3.
  11. ^ а б c d е Старлинг и Стюарт, 1971, п. 13.
  12. ^ Блейн 2011, п. 2.
  13. ^ Блейн 2011, с. 2, 3.
  14. ^ Блейн 2011, п. 6.
  15. ^ Мейсон и Худ 1964, п. 11.
  16. ^ Вуд, Дерек (1986). Проект отменен: катастрофа, связанная с британскими проектами брошенных самолетов. Джейн. ISBN  0-7106-0441-6.

Библиография

внешняя ссылка