Антенные решетки, синтезированные по широкополосному сигналу, для средств связи беспилотных авиационных комплексов

В настоящее время наблюдается большой интерес к беспилотной летательной технике практически во всех развитых странах. Благодаря революционному развитию ряда технических направлений в последнее десятилетие беспилотные летательные аппараты (БЛА) или дистанционно-пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА) представляются эффективными для решения широкого спектра как военных, так и гражданских задач, многие из которых можно охарактеризовать тремя определениями — монотонные, «грязные» и опасные. Прежде всего речь идет о задачах, где применение беспилотной летательной техники более перспективно по сравнению с пилотом на борту, а именно, тогда когда требуется: а) длительное и монотонное выполнение функций (к примеру, поиск и наблюдение) б) мониторинг объектов, нахождение возле которых опасно для человеческого организма (к примеру, районы радиационных аварий) в) боевые вылеты в районы, хорошо защищенные средствами ПВО, в которых существует высокий риск потери летательного аппарата.

Существует перспектива применения БЛА и в тех областях, где отсутствие пилота на борту позволяет сделать летательный аппарат более компактным и дешевым.

По оценкам американских экспертов, сегодня активно занимаются проблемами создания ДПЛА около 45 стран. Среди них США, Израиль, Иран, Швеция, Бельгия, Италия, Франция, Великобритания, Германия, Австралия и др. развитые и даже развивающиеся страны.

Наиболее интенсивное развитие беспилотной летательной техники наблюдается в США, где затрачивается 73% от расходов на разработку и производство БЛА, осуществляемых во всем мире. [1,2] В ближайшие годы финансирование военных программ развития БЛА в США планируется увеличить почти на порядок, так что к 2010 г оно будет составлять ежегодно около $ 3 млрд. 3].

Совершенно очевидно, что наряду с сугубо военными разработками в области БЛА появятся также средства и технологии двойного назначения. Американская авиационная индустрия, испытывающая кризис в результате падения спроса на пассажирские самолеты, уже сейчас активно изучает области возможного расширения спроса в гражданской сфере на беспилотную технику и делает настойчивые попытки изменить законодательство для того, чтобы устранить бюрократические препятствия к ее широкому внедрению в народном хозяйстве[4]. К наиболее перспективным направлениям можно отнести использование БЛА в транспортной и сельскохозяйственной авиации, для связи, охраны объектов, регулирования транспортных потоков в крупных городах и т. п.

Однако особенно активно в последнее время все же говорят о боевой беспилотной авиации (ББА). В книге [5] приведен ретроспективный анализ функциональных концепций беспилотной боевой авиации.

Как видно из рисунка, в функциональном плане вся предыстория развития беспилотной боевой авиации ориентирована на решение ударных (в том числе ударно-разведывательных) задач. Единственными разработками беспилотных истребителей, отмеченными на рис.В.1 индексами 3, 4 и 5, являются соответственно:

3-робототехнический миниатюризированный ББС-истребитель одноразового применения RAAC, концепция которого была выдвинута ВВС США в 1990 г;

4-миниатюризированный ББС-истребитель MALI, разрабатывавшийся фирмой Нортроп Грумман в начале 90-х годов как реализация концепции ББС RAAC;

5-малоразмерный ББС-истребитель «Архангел» разработки английской фирмы Авпро, специализирующейся на проектных исследованиях по перспективным системам вооружения.

Стадия I Стадия II.

N разр

8 -46.

4 -h 2 — многоразовые ББЛА — одноразовые ББЛА.

Ударные и разведывательные ББЛА 7 щ 8.

2 — ББЛА — истребители.

N разр у[] 9 4.

Рис. В.1. Ретроспективный анализ функциональных концепций беспилотной боевой авиации.

Что же касается ББЛА ударного назначения, то весьма устойчивую линию развития подобных боевых средств в предыдущие годы представляла разработка беспилотных летательных аппаратов одноразового применения, во многом идентичных авиационным крылатым ракетам. Помимо уже рассмотренной под индексом 1 разработки ударного варианта БЛА BQM-34 к этой категории ББЛА относятся следующие разработки, представленные на рис. В.1 индексами 6−13:

6-робототехнический БЛА-камикадзе «Брэйв-200» разработки фирмы.

Боинг;

7-робототехнический БЛА-камикадзе «Брэйв-3000» разработки фирмы Боинг;

8-робототехнический БЛА-камикадзе «Ларк» разработки израильской фирмы IAI;

9-робототехнический БЛА-камикадзе «Вампир» разработки английской фирмы Шорт;

10-робототехнический БЛА-камикадзе «Харли» разработки израильской фирмы IAI;

11-робототехнический БЛА-камикадзе 'Тайфун" разработки германской фирмы Атлас;

12 — БЛА BQM-53 (новая модификация ударного варианта БЛА BQM-34) в варианте постановщика помех средствам ПВО противника, предложенный фирмой Нортроп Грумман для использования вместо-самолета-РЭБ «Праулер» ;

13-БЛА BQM-34 с ударным вооружением в виде ракет «Хелфайр» .

В этой же работе [5] предложена обобщенная классификация летальных аппаратов ББЛА и говорится о том, что несмотря на то, что история беспилотных и дистанционно пилотируемых летательных аппаратов насчитывает уже не одно десятилетие и богата методическими разработками, такой вопрос как классификация летательных аппаратов беспилотной боевой авиации представляет определенную методическую новизну. Это связано с тем, что ББЛА являются не какими-то новыми вариантами БЛА и ДПЛА, а представляют собой скорее «производную» от летательных аппаратов боевой тактической авиации, полученную с использованием технологий, принятых в создании комплексов ДПЛА и БЛА.

Имеющиеся обобщенные классификации летательных аппаратов беспилотной боевой авиации являются недостаточными для того, чтобы отразить то многообразие ЛА, которое необходимо иметь в виду при рассмотрении беспилотной боевой авиации. С другой стороны, подробные классификации являются избыточными и малонаглядными при использовании для характеристики возможных вариантов ББЛА.

В связи с этим представляют интерес новые подходы к классификации летательных аппаратов беспилотной боевой авиации, предлагаемые американскими разработчиками этого вида авиационной техники. Так, специалисты фирмы Боинг считают, что применительно к беспилотной боевой авиации использовавшиеся до настоящего времени понятия разведывательных беспилотных летательных аппаратов и боевых беспилотных летательных аппаратов должны быть заменены чем-то иным, поскольку сегодня очевидно, что первые из этих ЛА — слишком маломаневренные, а вторые — слишком узкоспециализированные летательные аппараты. Функциональное слияние этих двух типов летательных аппаратов, фактически имеющее сегодня место, должно повлечь за собой и определенное изменение в категорировании беспилотных летательных' аппаратов.

По мнению М. Хэйнца, возглавляющего в отделении «Фантом Уоркс» фирмы Боинг работы по перспективным боевым комплексам, два показателя — сложность выполняемого задания и вероятность боевого противодействия противника — являются теми параметрами, которые в наибольшей степени подходят для определения класса беспилотных боевых летательных аппаратов.

Применительно к целям проводимого исследования подходит использование некоторой промежуточной (по отношению к упомянутым выше) классификации летательных аппаратов беспилотной авиации, основанной на приведенном мнении американских специалистов и различающей функциональную и технологическую сторону классификации. Первая из них учитывает специфику задач и условия их выполнения, характеризующие место ББЛА среди летательных аппаратов беспилотной боевой авиации. Вторая сторона определяет специфические технологии, заимствованные беспилотной боевой авиацией из области беспилотных боевых авиационных систем. Вариант получаемой на основе такого подхода классификации, используемый в данной работе, представлен в табл. 1. Для большей наглядности значками «+» в этой матрице смежности отмечены наиболее вероятные для реализации на практике сочетания признаков классификации ББЛА.

Подчеркнем, что функционально принятая классификация не отождествляет однозначно ББЛА с авиационным средством летального поражения противника. В рамках беспилотной авиации ББЛА может выполнять широкий круг задач, в частности, авиационную разведку в боевых условиях и нелетальное воздействие на противника. Примером последнего является радиоэлектронная борьба, а в перспективе и применение специального высокоэнергетического оружия для вывода из строя электронных систем противника.

Отметим также, что варианты ББС, принятые для конкретизации функциональной стороны классификации, приведены в табл. В.1 в порядке возрастания сложности выполняемых ими задач и сложности условий их применения. Аналогично порядок вариантов ББС, характеризующих технологическую сторону классификации, отражает возрастание сложности эксплуатации ББС и следует возрастанию их размерности.

Табл.В.1.

Функциональная сторона классификации Технологическая сторона классификации.

Вариант, А Вариант В Вариант С.

Запуск ББЛА с авиационного носителя Запуск ббла с наземной или корабельной установки Аэродромное и палубное базирование ББЛА.

Вариант 6 ББС-истребители многоразового применения +.

Вариант 5 ББС-истребители одноразового применения +.

Вариант 4 Ударные ББС одноразового применения +.

Вариант 3 Ударные ББС и ББВ многоразового применения +* + +*.

Вариант 2 Разведывательно-ударные ББС и ББВ многоразового применения +* + +*.

Вариант 1 Разведывательные ББС и ББВ многоразового применения +* +.

— только для ВВС.

Также в работе [5] отмечается, что информационная сторона занимает особое место в общей концепции беспилотной боевой авиации. Наиболее наглядно это проявилось в программе J-UCAS, проводимой агентством DARPA, где информационная составляющая беспилотной боевой авиации была выделена в самостоятельную систему, получившую обозначение COS (Common Operating System — единая операционная система). По словам М. Фрэнсиса, возглавляющего работы по беспилотной авиации в DARPA, «COS — это все, что находится за пределами авиационного носителя, и все, что обеспечивает объединение беспилотных носителей в единое целое» .

В меньшей степени обособление информационной стороны общей концепции беспилотной боевой авиации проявляется в европейской практике. Однако и здесь нельзя не отметить, что фирма Дассо, например, взяв на себя роль общего руководителя работ по ББС тактической категории, в качестве непосредственной части своих работ оставила за собой лишь создание ББС как авиационного носителя оружия, передав вопросы информационной интеграции отдельных ББС в единую систему своему основному партнеру по работе — фирме EADS.

Общим положением для всех существующих концепций по рассматриваемому вопросу является взгляд на применение беспилотной боевой авиации «как на формирование некоторой информации, ее передачу и обработку с целью реализации определенных боевых действий».

Очевидно, что независимо от способов применения и выполняемых задач пилотируемые и беспилотные самолеты наиболее эффективны тогда, когда они функционируют в рамках единой информационной сети. В такой сети пилотируемые самолеты могут являться узлами с управляющими функциями, в которых члены экипажа пилотируемых самолетов будут принимать решение о действиях ББС во всех ситуациях, где потребуется участие человека.

К х 5 ?1 ш>

Рис. В.2. Информационная концепция беспилотной боевой авиации с комплексными пунктами управления различного базирования. 1-бортовые системы приема и обработки информации- 2- сеть оперативного обмена информацией между ББС- 3 — внешние источники информации самолеты радиолокации п радиотехнической разведки- 4 — внешние ретрансляторы (высотные БЛА, спутники связи) — 5 — операторские пункты управления ББС (наземные, морские и воздушные) — 6 — многоканальные линии связи.

Как это показано на рис. В.2, самые первые представления по данному вопросу выделяли в информационной системе, определяющей возможности боевого функционирования ББС, следующие компоненты, относящиеся к узлам сети и связям между ними:

• информационная сеть оперативного обмена информацией между ББС;

• высокопроизводительные линии двухканальной связи находящихся в воздухе летательных аппаратов с операторскими пунктами;

• источники информации (самолеты радиолокации дальнего наблюдения (РЛДН), самолеты радиолокационного наблюдения и прокладки (РЛНП));

• операторские пункты управления (включая соответствующее вычислительное и интерфейсное оборудование) наземного, морского и воздушного базирования;

• бортовые системы ББС, обеспечивающие получение информации (как внешней информации о боевой, обстановке, так и командной информации от оператора ББС), ее передачу, хранение и обработку (в том числе принятие решений с использованием бортовых управляющих программ).

В разделе Информационно-сетевая интеграция беспилотной боевой авиации работы [5] говорится о том, что технологии, предназначенные’для реализации помехозащищенных и высокопроизводительных каналов обмена информацией между ББС и пунктами управления, не являются спецификой развития именно беспилотной боевой авиации. Они связаны с развитием боевой авиации вообще, и их применение началось еще до текущего этапа создания беспилотной боевой авиации. Точнее, это относится к одной из двух технологий, о которых в данном случае может идти речь, а именно, к технологии единой системы распределения тактической информации (технологии ЕСРТИ).

Ее использование уже опробовано в практике применения боевой авиации, в связи с чем можно говорить о расширении ее использования на беспилотную боевую авиацию. В перспективе определенную альтернативу ей может составить технология глобальной информационной сети (технология сети «Интернет»). Хотя ее развитие и уступает развитию технологии ЕСРТИ, она может стать основной информационно-сетевой технологией управления авиацией вообще и беспилотной боевой авиацией, в частности.

Действительно, в настоящее время очень актуальна концепция единого информационного пространства обеспечения боевых действий. В работе [6−11] отмечается, что специалисты многих государств исследуют концепцию ведения боевых действий вооруженными силами (ВС) в едином информационном пространстве (ЕИП, Network Centric Warfare), отводя при этом значительную роль беспилотным летательным аппаратам (БДА). В настоящее время сектор БЛА развивается динамичнее других, чему способствует разработка высокочувствительных датчиков и высокоскоростных каналов передачи данных для них. С внедрением сетевых систем управления операциями и модернизацией авиационного разведывательного оборудования увеличивается количество НИОКР в этой области. Разработчикам систем авиаразведки сейчас предстоит решить задачи полного шифрования информации, строительства необходимой инфраструктуры, улучшения возможностей предупреждения об атаках противника.

В ходе изучения первых работ по концепции ЕИП зарубежные эксперты и аналитики поняли то, что БЛА будут играть все более и более важную роль в военных операциях недалекого будущего. Эти операции предусматривают использование разнообразных информационных платформ: разведывательных спутников, воздушных систем дальнего радиолокационного обнаружения и других средств сбора информации, объединенных в сети совместно с потребителями этой информациисамолетами в воздухе, силами на земле и кораблями в море.

В соответствии с данной концепцией, предусматривается внедрение в войска передовых информационных технологий (высокопроизводительных компьютеров, современного программного обеспечения, цифровых систем передачи данных) для объединения рассредоточенных в обширном боевом пространстве разнородных сил и средств (личный составорганы и пункты управления боевого обеспечениявооружение и военную технику наземного, воздушного и морского базирования) в формирования со сложной сетевой архитектурой — глобальные и локальные информационные сети.

Однако надо помнить, что работоспособность системы в целом и выполнение поставленных задач напрямую зависит от надежности функционирования линии радиосвязи. В Предложениях по созданию перспективных радиотехнических средствах для Вооруженных Сил РФ (статья в журнале «Национальная оборона», № 3, март 2007)[12], среди прочих выделены такие требования к радиотехническим средствам связи как:

— живучесть;

— скрытность работы, т. е. способность противодействовать видовой и радиоэлектронной разведке, так, чтобы свести к минимуму объем информации, получаемой противником о характеристиках РТС и местоположении активных элементов. Основные направления: снижение энергопотенциала передатчиков за счет структурной и информационной избыточности сигналов, расширение рабочей полосы частот — применение сверхширокополосных щумоподобных сигналов, использование парных когерентных излучателей, применение специальных режимов типа «мерцания или «фазового шума» и т. д.;

— распределенная (разнесенная, многопунктная) структура — новый подход к созданию военной техники. Распределенные в пространстве отдельные единицы РТС образуют единую систему (сеть), выполняющую в определенное время в зоне ответственности поставленную задачу;

— многофункциональность — способность решать широкий спектр задач за счет использования программно управляемых модулей РТС и их интерфейсного объединения в систему (сеть).

— и др.

В настоящее время одним из наиболее эффективных способов повышения помехоустойчивости и скрытности связи является использование сигналов сложной формы с оптимальной обработкой их на приемной стороне. К таким сигналам, в частности, относятся широкополосные или шумоподобные сигналы (ШПС)[13−14].

Для БЛА малых размеров, с ограниченной мощностью бортового передатчика, характерно то, что в ДН антенн, как и в других случаях расположения антенн на объектах сложной геометрической формы, имеют место провалы, причем достаточно глубокие [15−19].

Наличие глубоких интерференционных провалов в диаграммах направленности бортовых антенн является существенно ограничивающим фактором. Из-за наличия этих провалов приходиться либо допускать возможность перерывов в связи, либо идти на увеличение мощности передатчика, исходя из минимального значения коэффициента усиления бортовой антенны, соответствующего интерференционным провалам. В свою очередь, увеличение мощности радиопередатчика приводит к увеличению массы аппаратуры: как самого передатчика, так и бортовых источников электропитания. Альтернативой усилению мощности передатчика является использование для синтеза ДН антенн широкополосных сигналов с соответствующей обработкой на приемной стороне, что позволяет «сгладить» провалы ДН.

Идея использовать широкополосные сигналы для качественного улучшения характеристик антенн предложена относительно давно-., в 60-ые годы велись работы в данном направлении. Однако развитие антенной техники в этом направлении было ограничено, в том числе и отсутствием необходимой элементной базы и недостаточным развитием вычислительной техники. В настоящее время, в связи с бурным развитием вычислительной техники, открываются определенные перспективы использования ШПС в системах радиосвязи, для улучшения направленных свойств антенн, обеспечения скрытности радиоканала и повышения помехозащищенности.

Таким образом, на сегодняшний день, актуальной является задача совершенствования тактико-технических характеристик аппаратуры радиосвязи воздушного объекта с наземным пунктом. Перспективным для поставленной задачи является использование в системах радиосвязи широкополосных сигналов.

Целью работы является улучшение тактико-технических характеристик аппаратуры радиосвязи с беспилотным летательным аппаратом (БЛА).

Задача, решаемая в диссертации, состоит в разработке методов повышения энергетического потенциала и помехозащищенности линии связи с беспилотным летательным аппаратом, на основе использования антенных решеток, с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу. Решение задачи подразумевает решение более частных взаимосвязанных задач:

• анализа требований к электрическим характеристикам бортовых и наземных антенн, выработки критериев и оптимизации указанных требований;

• разработки методов синтезирования ДН малоэлементных бортовых антенных решеток средств связи, использующих широкополосные сигналы, в соответствии с выработанными требованиями и критериями;

• разработки метода формирования направленных свойств антенных решеток наземной аппаратуры связи, использующих широкополосные сигналы, и оптимизацию их в соответствии с выработанными критериями;

• проведения количественной оценки эффективности предлагаемых мер по улучшению показателей антенн радиосредств связи с БЛА;

• выработки предложений по практической реализации указанных методов и технических решений.

Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:

1. На основе проведенного анализа определены требования к характеристикам направленности бортовых и наземных антенн средств связи, исходя из условий конкретного применения БЛА. Разработаны методики определения оптимальных ДН.

2. Предложено использование в качестве бортовых антенн средств связи с широкополосными сигналами антенных решеток, с синтезированными ДН. Определены оптимальные значения весовых коэффициентов для случаев управляемых и неуправляемых ДН в режимах приема и передачи. Показана возможность повышения потенциала линии связи и ослабления влияния помех от соседних источников.

3. Предложено использование антенных решеток с синтезированными ДН в наземной аппаратуре средств связи с ШП сигналами. Предложено осуществлять синтезирование их диаграмм направленности при совместном выборе весовых коэффициентов пространственно-частотной обработки и спектрального состава используемых сигналов. Для этих условий показана возможность эффективной селекции излучений от нескольких источников, без ослабления приема полезного сигнала. Также показана возможность повышения потенциала связи.

4. На основании проведенного анализа получены количественные оценки для типичного числа излучателей, типичного числа используемых частотных каналов и размеров и форм БЛА среднего класса. Показано, что использование методов синтезирования ДН бортовых антенн позволяет повысить потенциал связи до 13 дБ для управляемых и до 13 дБ ослабить влияние интерференционных провалов для неуправляемых ДН. А также практически полностью исключить влияние помехи за счет антенного фактора. Использование техники синтезирования ДН антенн наземной аппаратуры позволяет для решеток из 6−12 излучателей и 6−12 частотных каналов повысить потенциал связи до 11 дБ, а также увеличить отношение сигнал/помеха до 18 дБ. Полученные зависимости могут использоваться как I рекомендации при проектировании средств связи с ШП сигналами.

5. Выработаны рекомендации по практическому осуществлению процедур оптимизации для бортовых антенн, с учетом влияния объекта установки, и наземных антенн, с учетом взаимной связи излучателей в решетке.