Automatyczne śledzenie celów powietrznych

W sytuacjach, w jakich może znaleźć się współczesny samolot lub śmigłowiec wojskowy, często konieczne jest śledzenie tras wykrytych celów bez przerywania przeszukiwania (skanowania) przestrzeni w poszukiwaniu nowych celów. W tym celu radary pokładowe operują w rodzaju pracy (ang. mod) zwanym „track while scan”, czyli śledzenie w czasie skanowania. W tym modzie wiązka antenowa okresowo przemieszcza się w pewnym określonym sektorze kątów azymutu i elewacji w poszukiwaniu celów, a położenie każdego wykrytego i wybranego celu jest śledzone na podstawie próbek jego odległości, prędkości promieniowej (dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości) i położenia kątowego, okresowo pobieranych w momentach, gdy wiązka antenowa przechodzi przez ten cel.

Track while scan pozwala załodze orientować się w potencjalnych zagrożeniach (situation awareness), dostarcza danych dla odpalania rakietowych pocisków kierowanych, jest szczególnie użyteczny przy odpalaniu wielu pocisków w krótkich odstępach czasu przeciw wielu szeroko odseparowanych od siebie celom. Niestety dokładność śledzenia jest niewystarczająca dla prowadzenia ognia z działek pokładowych, czy też np. w czasie podejścia do latającej cysterny w celu uzupełnienia paliwa w powietrzu. Takim operacjom dedykowany jest inny rodzaj pracy, w którym antena „wycelowana” jest w sposób ciągły w kierunku celu. Ten rodzaj pracy nosi nazwę śledzenia pojedynczego celu (ang. single target tracking).

Single target tracking (STT)

śledzenie wirującą wiązką

Aby utrzymać antenę skierowaną na pojedynczy cel, należy zapewnić radarowi zdolność „wyczuwania” kątowego błędu śledzenia. Można to zrealizować na kilka sposobów. Jeden z nich polega na wprowadzeniu ołówkowej, czyli o przekroju okrągłym, wąskiej wiązki antenowej w ruch obrotowy w taki sposób, że oś wiązki opisuje ostry stożek, którego kąt wierzchołkowy jest mniejszy od szerokości wiązki. Dzięki temu wirująca wiązka przecina się stale na stałym poziomie (około 0,7), przy czym punkt przecięcia wyznacza oś równosygnałową zwaną również osią wybierania stożkowego. W płaszczyźnie prostopadłej do tej osi powstaje okrąg kreślony przez oś wiązki. Jeżeli cel znajduje się dokładnie na osi równosygnałowej, czyli błąd śledzenia jest równy zero, jego położenie kątowe od osi wiązki w procesie jej wirowania nie zmienia się i amplitudy odbieranych impulsów echa od celu są jednakowe. Jeżeli natomiast cel zejdzie z osi równosygnałowej, to skanowanie stożkowe spowoduje różnice amplitud impulsów echa – będzie ono zmodulowane w amplitudzie. Różnica amplitud impulsów wskazywać będzie jak duży jest błąd śledzenia, a punkt, w którym amplituda echa osiąga minimum, wskaże kierunek błędu śledzenia.

lobing

Innym, nowocześniejszym sposobem jest sekwencyjne, szybkie przełączanie położenia wiązki w taki sposób, że oś wiązki znajduje na przemian z obu stron osi równosygnałowej (rysunek z prawej) w czasie odbioru. Technika ta nosi angielską nazwę „lobing”. Aby uniknąć błędów na skutek fluktuacji echa od impulsu do impulsu, niektóre współczesne radary potrafią kształtować dwa listki charakterystyki antenowej jednocześnie, co pozwala na określenie błędu śledzenia po odebraniu pojedynczego impulsu echa. Takie rozwiązanie nasi nazwę metody monoimpulsowej i można tu wyróżnić jej dwie odmiany. W pierwszej z nich zwanej amplitudową metodą monoimpulsową, antena kształtuje dwa wzajemnie odchylone, częściowo pokrywające się listki. W drugiej, zwanej fazową metodą monoimpulsową, obie połowy anteny formują dwa listki skierowane równolegle do siebie (rysunek poniżej). Jeśli pojawi się kątowy błąd śledzenia, odległości od celu do każdej z połówek anteny będą nieznacznie się różnić. Błąd śledzenia można w tym przypadku określić na podstawie różnicy faz sygnałów echa odbieranych przez dwie połowy anteny. Niezależnie od metody, znając kierunek i wielkość błędu śledzenia, można tak sterować anteną, aby zminimalizować błąd, a to oznacza, że antena będzie ciągle śledzić przemieszczający się cel. W trakcie tego procesu możliwy jest ciągły pomiar jego odległości, kierunku i prędkości promieniowej. Znając odległość do celu, jego prędkość promieniową, kierunek oraz tempo zmian położenia kątowego, można obliczyć prędkość i przyspieszenie celu.

metoda fazowa monoimpulsowa

Nie wszystkie radary mają możliwości automatycznego śledzenia. Tam, gdzie jest wymagana ta funkcja, oprócz opisanej zdolności śledzenia zmian kątowych położenia celu, należy także zapewnić radarowi zdolność śledzenia celu w odległości. Trzecim warunkiem jest zapewnienie operatorowi radaru możliwości ręcznego sterowania położeniem kątowym anteny do momentu zainicjowania procesu automatycznego śledzenia. Do tego celu służy manipulator (joystick), bardzo podobny to tych znanych graczom komputerowym, za pomocą którego operator przemieszcza marker (znacznik) po obszarze wskaźnika radaru i wskazuje nim cel w określonej odległości, a następnie wciskając przycisk, inicjuje proces automatycznego śledzenia.

We wskaźniku znajdują się układy odpowiedzialne za położenie markera oraz realizujące funkcję automatycznego śledzenia za zmianami odległości celu, sterując otwieraniem klucza elektronicznego zwanego bramką odległości w momencie bezpośrednio przed odebraniem sygnału echa od śledzonego celu i zamykające bramkę po odebraniu echa. W ten sposób cel jest w sposób odległościowy wyizolowywany spośród innych celów mających takie same lub zbliżone współrzędne kątowe.

Track while scan (TWS)

TWS

Track while scan jest kombinacją wykrywania i śledzenia celów. Radar okresowo skanuje prostokątny sektor przestrzeni wąską wiązką ołówkową w zadanych zakresach kątów azymutu i elewacji metodą wybierania liniowego. Gdy wykryje nowy cel, dostarcza operatorowi oraz systemowi TWS danych wynikłych z estymacji (czyli szacowanych wartości) odległości, prędkości promieniowej, kąta azymutu i kąta elewacji.

W procesie wykrywania celów, to operator jest tym nieszczęśnikiem (czyli odpowiada za wszelkie błędy), który musi podejmować decyzje, czy cele wykryte podczas ostatniego skanowania są tymi samymi, które zostały wykryte w poprzednich skanowaniach. W modzie TWS takie decyzje są generowane automatycznie. Algorytm podejmowania decyzji jest jednym z najbardziej złożonych w radarze. Bez wdawania się w złożone aspekty procesu śledzenia, powiem tylko, że jest on realizowany w pięciu krokach: wstępne przetwarzanie (preprocessing), korelacja, inicjowanie i kasowanie tras, filtrowanie oraz formowanie bramki śledzącej.

Różnica między STT, a TWS polega na tym, że w tym pierwszym sygnały błędu kąta wykorzystywane są w układach z pętlą sprzężenia zwrotnego do sterowania położeniem anteny tak, że ciągle podąża za celem. W systemie TWS takie układy nie istnieją. Dane o położeniu kątowym celów są przesyłane bezpośrednio do procesora danych. Inną istotną różnicą jest zdolność radaru z TWS do jednoczesnego śledzenia wielu celów jednocześnie, np. radar AN/APG-68 instalowany na samolocie F-16 może śledzić 10 celów, podczas gdy system STT jest w stanie śledzić tylko jeden cel. Przy porównywalnych mocach nadajników, energia potrzebna do oświetlania celów jest mniejsza w radarach TWS, ponieważ emitowana jest w pewnych sektorze kątowym i dzielona na wszystkie cele w nim śledzone, podczas gdy radar STT koncentruje energię na jednym celu. W przypadku myśliwców przechwytujących radar TWS jest bardzo przydatny, jeśli konieczne jest śledzenia wielu celów z dokładnością wystarczającą do odpalania rakietowych pocisków kierowanych, posiadających własne systemy samonaprowadzania na cel. Z drugiej strony, jeśli niezbędne jest bardzo dokładne śledzenie, lepszym rozwiązaniem jest STT.

Śledzenie fazowanym szykiem antenowym

Śledzenie celów płaską anteną fazowaną, jakkolwiek funkcjonalnie podobne do TWS, jest czymś innym (i z pewnością lepszym) niż TWS. Przewagą anteny fazowanej jest szybsze odświeżanie informacji o śledzonych celach, ponieważ w odróżnieniu od anteny z mechanicznym skanowaniem, jest bezinercyjna i może zmieniać kierunek wiązki w sposób niemal natychmiastowy, oświetlając nią kolejno wszystkie śledzone cele. Ograniczeniem jest tu jedynie deficyt czasu współdzielonego przez cele. Jeśli zaistnieje konieczność uaktualnienia danych o położeniu konkretnego celu, komputer sterujący radarem kieruje wiązkę w stronę jego oczekiwanego położenia. W ten sposób można śledzić jednocześnie wiele celów.