Radar AN/APY-2 dla E-3 AWACS

Radary samolotowe można podzielić na dwie kategorie. Do jednej należą pokładowe radary służące wyłącznie załodze samolotu wojskowego w czasie wykonywania zadań bojowych, w szczególności w czasie przechwytywania celów i atakowania ich. Radary te noszą nazwę radarów kierowania ogniem, i do tej grupy należą np. omówione wcześniej radary samolotu F-16. Do drugiej grupy należą radary umieszczane na pokładach samolotów rozpoznawczych, z których informacja radiolokacyjna jest wysyłana na zewnątrz do bardziej ogólnego wykorzystania, np. przekazywana jest do naziemnych środków obrony powietrznej. Te samolotowe radary ostrzegawcze stanowią uzupełnienie (podkreślam! UZUPEŁNIENIE, nie zastąpienie) naziemnych systemów radarowych, których główną wadą jest ograniczenie zasięgu do granic horyzontu radiowego. Wyniesienie radaru na dużą wysokość znacznie oddala te granice. Najbardziej znanym reprezentantem tej grupy jest amerykański E-3 AWACS (Airborne Warning And Control System).

E-3

Northrop Grumman Electronic Sensors and Systems Sektor, produkuje radar obserwacyjny AN/APY-2, który jest instalowany w i na samolocie Boeing 707-320 odpowiednio zmodyfikowanym (jego wojskowa nazwa to E-3), z dużą dielektryczną osłoną o kształcie dysku na kadłubie, która mieści w sobie antenę radaru oraz inne, pomocnicze anteny. Nadajnik i odbiornik radaru, urządzenia komunikacyjne i inne systemy kierowania i dowodzenia są umieszczone wewnątrz samolotu.

Radar AN/APY-2 zapewnia pełną obserwację wysoko i nisko lecących statków powietrznych z dużej odległości. Jego przystosowanie do pracy nad morzem zapewnia obserwację poruszających się i stacjonarnych okrętów i statków. Samolot E-3 może działać we wszystkich warunkach meteorologicznych i nad każdym rodzajem terenu. System AWACS wykrywa i śledzi zarówno wrogie, jak również własne statki powietrzne nad ogromnym obszarem, liczącym ponad 300 000 km2. Nisko lecące cele, które mogą być nie wykryte przez radary naziemne, są wykrywane przez AWACS.

Impulsowo-dopplerowski radar AN/APY-2 o wysokiej częstotliwości powtarzania, z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów, może pracować w trybie look-down, co jest kluczową cechą systemu AWACS. Podstawową zaletą radaru jest zapewnienie lepszego odseparowania dopplerowskiego ech od celów ruchomych od ech pochodzących od powierzchni ziemi. Pozwalają na to wyrafinowane techniki przetwarzania sygnałów oraz zastosowanie anteny o ultra niskim poziomie listków bocznych (pierwsze listki boczne poniżej -40 dB). Radar patrzy w dół w kierunku ziemi, rozróżniając echa od jej powierzchni (zakłócenia pasywne) i od statków powietrznych „tulących się” do ziemi, aby uniknąć wykrycia przez radary naziemne. Dla wysokości lotu samolotu E-3 wynoszącej 9000 m, zasięg radaru w rodzaju pracy look-down do linii horyzontu wynosi około 400 km. Oprócz wykrywania samolotów i śmigłowców na niskim pułapie, a także celów nawodnych aż do linii horyzontu, radar AN/APY-2 wykrywa i obserwuje samoloty nad horyzontem w odległości do 520 km.

Istotną cechą systemu AWACS jest jego elastyczność i podatność na przyszłe modyfikacje na drodze udoskonalania oprogramowania. Wiele procesów przetwarzania sygnałów jest realizowanych nie w sposób sprzętowy, lecz programowy, więc mogą być one modyfikowane właśnie na drodze wymiany oprogramowania. Można to robić w czasie lotu, więc programy mogą być dopasowane na bieżąco tak, aby odpowiadać zmianom w sytuacji taktycznej.

Rodzaje pracy radaru

Możliwości radaru APY-2 są rozszerzone przez jego zdolność do działania w różnych rodzajach pracy (trybach, modach), w zależności od sytuacji taktycznej. Antena obraca się w azymucie i w każdym obrocie kąt 360° może być podzielony nawet na 24 sektory azymutalne (niektóre źródła mówią o 32 sektorach), a w każdym z tych sektorów radar może pracować w innym trybie. Dostępne są następujące rodzaje pracy:

  1. Pulse Doppler non-elevation mode. Praca impulsowo-dopplerowska przy wysokiej częstotliwości powtarzania bez pozyskiwania informacji o kącie elewacji wykrywanych celów. Służy do wykrywania celów powietrznych na tle ziemi (look-down mode).
  2. Pulse Doppler elevation scan mode. Podobny do poprzedniego ale z elektronicznym skanowaniem w kącie elewacji w celu dostarczania informacji o wysokości lotu obserwowanych celów.
  3. Beyond-the-horizon mode. Praca na kątach elewacji powyżej horyzontu, stosowana w czasie obserwacji celów na średnich i dużych wysokościach, znajdujących się nad linią horyzontu. Możliwe jest ich wykrywanie i obserwacja z bardzo dużych odległości. Ponieważ wiązka radaru skierowana jest powyżej horyzontu, nie występują odbicia terenowe i możliwe jest stosowanie niskiej częstotliwości powtarzania dla określania odległości i azymutu celów powietrznych.
  4. Passive scanning mode. Skanowanie pasywne – nadajnik radaru jest wyłączony, włączony jest odbiornik. Tryb ten jest stosowany dla pozyskiwania informacji o zakłóceniach aktywnych stosowanych przez przeciwnika (ECM – Electronic Counter Measure), w celu zlokalizowania źródeł zakłóceń.
  5. Maritime mode. Tryb morski, w którym stosowane są bardzo krótkie impulsy w celu uzyskania wysokiej rozróżnialności koniecznej dla wykrywania poruszających się i zakotwiczonych celów nawodnych.

Praca w wielu trybach i sektorowanie pozwala na skoncentrowanie maksimum potencjału radaru w sektorach, w których istnieje tego największa potrzeba. Tryb impulsowo-dopplerowski i tryb pracy nad horyzontem mogą być stosowane z przeplotem, podobnie jak tryb morski i impulsowo-dopplerowski bez skanowania w kącie elewacji.

Właściwości radaru w dziedzinie przeciw-przeciwdziałania elektronicznego

AN/APY-2, dzięki swoim właściwościom, zapewnia efektywne dowodzenie i kierowanie w warunkach występowania zakłóceń czynnych. Właściwości ECCM (Electronic Counter-Counter Measures), czyli przeciw-przeciwdziałania elektronicznego, takie jak niski poziom listków bocznych charakterystyki anteny i skuteczne eliminowanie ech pochodzących od metalizowanych pasków folii lub włókna szklanego zrzucanych z samolotów (ang: chaff), są integralnymi założeniami projektu radaru. Pozwala to efektywnie przeciwdziałać przeciwdziałaniu elektronicznemu stosowanemu przez przeciwnika.

W celu eliminowania zakłóceń biernych od ziemi oraz od stacjonarnych i wolno poruszających się obiektów odbieranych listkiem głównym charakterystyki anteny, stosuje się filtrowanie sygnałów echa. Inną dostępną metodą ECCM jest przełączanie na częstotliwości zapasowe, w przypadku zakłócenia radaru na aktualnej częstotliwości. Radar ma również możliwość określania względnego namiaru źródeł zakłóceń aktywnych. Mobilność samolotu E-3 pozwala mu prowadzić własną triangulację tych źródeł. Komputer wyświetla dane o pozycji źródeł zakłóceń na konsoli operatorskiej i oblicza parametry tras myśliwców wydzielonych do ich przechwycenia.

Mobilność E-3 pozwala również na stosowanie taktyki unikania lub osłabiania oddziaływania zakłóceń aktywnych na radar. E-3 może obniżyć pułap lotu poniżej horyzontu w stosunku do źródła zakłóceń, w ten sposób unikając odbioru energii przez nie emitowanej. Oczywiście taka taktyka powoduje pewien spadek pokrycia radiolokacyjnego dla celów nisko lecących, ale pozwala wykrywać cele nad linią horyzontu, bez osłabiającego wpływu zakłóceń.

Jednoczesne operowanie dwóch lub większej ilości samolotów E-3 rozszerza efektywność systemu AWACS przeciwko źródłom zakłóceń oraz innym celom. Korzystając ze środków radiowych, E-3 może przekazywać dane o sytuacji radiolokacyjnej do innych E-3 lub do stacji naziemnych, co zgodnie z zasadą „w jedności siła”, daje w efekcie bardziej pełny obraz sytuacji w rejonie działania zespołu.

Konstrukcja radaru

antena

Radar AN/APY-2 pracuje w paśmie S (ok. 3 GHz) i składa się z trzech głównych podsystemów: płaskiej anteny szczelinowej umieszczonej w dielektrycznej osłonie nad tylną częścią kadłuba samolotu, odbiorników i procesorów umieszczonych w centralnej części kadłuba i z nadajnika zainstalowanego w ładowni poniżej kabiny pasażerskiej. Całkowita masa radaru wynosi ponad 3700 kg.

W celu skutecznego eliminowania zakłóceń biernych od ziemi odbieranych listkiem głównym anteny, zastosowano ekstremalnie stabilną generację sygnałów sondujących przy użyciu oscylatorów krystalicznych i mikrofalowych lamp nadawczych oraz zaawansowane, cyfrowe techniki przetwarzania sygnałów echa. Analogowe sygnały echa są wcześniej przetwarzane do postaci binarnej w konwerterach analogowo – cyfrowych. Sterowanie radarem realizowane jest za pośrednictwem centralnego komputera.

Na doskonałe parametry radaru ogromny wpływ mają parametry anteny i jej osłony, widocznej obok. Na pierwszym planie autor zdjęć, mój serdeczny kolega kpt. Krzysztof Nowakowski, w tle "latający talerz". Antena typu szczelinowego jest płaską ścianą składającą się z 30 (niektóre źródła podają 28) wierszy, zbudowanych z poziomych falowodów z powycinanymi szczelinami promieniującymi. Dokładność rozmiarów szczelin i odstępów między nimi jest rzędu setnych części milimetra, a odchyłka liniowości pojedynczego wiersza wynosi nie więcej niż 0,65 mm na długości 7,3 metra, bowiem wymiary anteny to 7,3 m rozpiętości i 1,5 m wysokości. Antena obraca się razem z osłoną z prędkością 6 obrotów na minutę, zapewniając mechaniczne skanowanie przestrzeni w azymucie w zakresie 360°. Szerokość wiązki w azymucie wynosi 0,9°, a w elewacji 4,5°.

Dzięki dużej dokładności wykonania, antena charakteryzuje się bardzo niskim poziomem listków bocznych, co jest konieczne dla likwidowania zakłóceń biernych od ziemi odbieranych właśnie listkami bocznymi. Antenę projektowano i konstruowano przy zastosowaniu precyzyjnych technik komputerowych. Dielektryczna osłona radaru skonstruowana w zakładach Boeinga pozwala na zachowanie niskiego poziomu listków bocznych, gdy antena promieniuje przez osłonę. Niski poziom listków bocznych anteny uodparnia również radar na zakłócenia aktywne. Kierunkowa charakterystyka anteny przy odbiorze nie pozwala na odbiór zakłóceń listkami bocznymi, a jedynie listkiem głównym, gdy antena jest skierowana bezpośrednio w kierunku źródła zakłóceń, które mogą być łatwo namierzone i zlokalizowane.

MPC

Skanowanie w płaszczyźnie pionowej dla określenia wysokości lotu celów jest realizowane w sposób elektroniczny, przy użyciu precyzyjnych przesuwników fazy. Przesuwniki fazowe, elektronika nimi sterująca, ograniczniki mocy zabezpieczające stopnie wejściowe odbiorników oraz przedwzmacniacze są zainstalowane z tyłu anteny. Przesuwniki fazy znajdują się na jednym końcu anteny, a elektronika – na drugim, dla przeciwwagi i łatwego dostępu podczas obsługi technicznej.

Nadajnik radaru zabudowany jest w ośmiu hermetycznych kontenerach, umieszczonych w ładowni samolotu. Szyna umieszczona nad nimi pozwala na łatwy transport kontenerów i usuwanie ich przez dolny luk ładowni. Nadajnik jest zbudowany na bazie zaledwie dwóch lamp mikrofalowych, a mianowicie LFB i klistronu o dużej mocy. Wszystkie pozostałe układy nadajnika są półprzewodnikowe.

Odbiornik radaru i cyfrowy procesor sygnałowy są zainstalowane w jednej szafie w centralnej części kadłuba samolotu. Krytyczne obwody są zdublowane, podobnie jak mikrofalowy tor dużej mocy nadajnika. Jest to tzw. system gorącej rezerwy, zdolny w sposób automatyczny przejmować funkcję układów normalnie pracujących w przypadku ich uszkodzenia. Takie rozwiązanie zapewnia dużą niezawodność radaru.

RTCM

Specjalizowany komputer radaru i szybki procesor danych sterują radarem i monitorują wykonywane operacje, odfiltrowują sygnały użyteczne od zakłóceń biernych od ziemi, dokonują analizy częstotliwościowej sygnałów echa, korelują echa tak, ażeby określić rzeczywiste cele i generują wyjściowe meldunki o odległości, prędkości, azymucie i elewacji celów. Cyfrowa informacja radiolokacyjna jest przekazywana prawie w czasie rzeczywistym do centralnego procesora radaru i do wskaźników optycznych. Centralny procesor koreluje kolejne meldunki podczas kolejnych skanowań i generuje trasy celów. Dane nawigacyjne są dostarczane do komputera radaru dla umiejscowienia radaru w przestrzeni. Do kontroli obserwowanej sytuacji służy 9 wielofunkcyjnych konsol operatorskich MPC (Multipurpose Console) oraz dwie dodatkowe konsole RTCM (Radar Technician’s Maintenance Console) do nadzoru stanu technicznego radaru i transmisji danych.

E-3 AWACS wszedł do służby w US Air Force w 1978 roku, jest jednak ciągle modernizowany w ramach programu RSIP (Radar System Improvement Programme). Większa części tego programu jest poświęcona zwiększeniu czułości radaru dla wykrywania małych celów poprzez zastąpienie cyfrowego procesora dopplerowskiego i korelatora danych radiolokacyjnych RDC (Radar Data Correlator) nowszym SRC (Surveillance Radar Computer) oraz unowocześnieniem oprogramowania. AN/APY-3 jest również instalowany w samolocie Boeing 767. System AWACS zapewnia w czasie rzeczywistym ocenę działań wroga oraz wojsk własnych i sprzymierzonych. Z pomocą E-3 dowódcy mają dostępne informacje niezbędne do wykrywania, oceny i przeciwdziałaniu zagrożeniu.

Zapraszam do galerii zdjęć systemu AWACS.