Использование пеленгаторов для обнаружения передатчиков пультов управления БВС

Эффективным методом противодействия беспилотным воздушным судам является нейтрализация их оператора – это равносильно уничтожению значительного количества аппаратов. В статье рассказывается о том, как его найти при помощи радиопеленгаторов для обнаружения передатчика пульта управления, а также о типах пеленгаторов, которые можно задействовать для этой цели.

В настоящее время все меры по отражению налетов БВС сводятся к поражению летательных аппаратов; таким образом, мы боремся с последствиями атак, не устраняя саму причину данной угрозы. Если мы нейтрализуем оператора БВС, тем самым мы устраним и угрозу от самого БВС. По оценкам экспертов, ликвидация оператора БВС равноценна поражению 30 аппаратов в воздухе.

Для ликвидации оператора БВС его надо обнаружить. Обнаружить его возможно по радиоизлучению пульта управления БВС. Традиционно для определения направления на радиоизлучающий объект использовались радиопеленгаторы. Наибольшее распространение получили следующие их типы:

1. Амплитудные пеленгаторы.
2. Двухканальные автоматические пеленгаторы (Ватсона-Ватта, Эдкока).
3. Фазовые пеленгаторы.
4. Доплеровский и квазидоплеровский пеленгаторы.
5. Корреляционные интерферометры-пеленгаторы.

SNR – соотношение "сигнал/шум"

Амплитудные пеленгаторы. Метод определения максимума излучения

Амплитудные пеленгаторы часто работают по методу определения максимума излучения от передатчика, получаемого с направленной антенны. Достоинством метода определения максимума является относительно малое влияние шумов на точность пеленгования, так как в направлении максимума диаграммы направленности принимается максимально возможная энергия пеленгуемого сигнала.

Недостатком метода является невысокая точность пеленгаторов из-за малой кривизны диаграммы направленности вблизи максимума, поэтому точность определения угла невысока и не превышает одной пятой ширины диаграммы направленности антенны (см. рис. 1).

Рис. 1. Типовая диаграмма направленности антенны типа "волновой канал" (пеленгование по максимуму излучения передатчика) [1]

Пеленгование по минимуму излучения передатчика

Иногда работают от противного и пеленгуют по минимуму сигнала. Такой минимум получают при использовании пары антенн с узкой диаграммой направленности. Так как при этом минимум результирующей диаграммы направленности получается довольно острый, удается повысить точность пеленгования по сравнению с методом максимума до одной десятой ширины диаграммы направленности антенны (см. рис. 2).

Рис. 2. Принцип пеленгования по минимуму излучения передатчика

Недостаток системы пеленгования по минимуму излучения передатчика – снижение точности пеленгования при низких отношениях "сигнал/шум" за счет дополнительного уменьшения сигнала минимумом диаграммы направленности антенн.

Способ пеленгования равносигнальным методом

Способ пеленгования равносигнальным методом – попытка увеличить точность пеленгования при получении компромиссного усиления антенн. Он реализуется также с помощью двух направленных антенн. Истинным направлением на источник излучения считается то, которое лежит между двумя максимумами диаграмм двух антенн, при этом уровни сигналов на выходе обеих антенн равны (см. рис. 3).

Рис. 3. Принцип пеленгования равносигнальным методом

Двухканальный пеленгатор Ватсона-Ватта

Антенная система такого пеленгатора представляет собой две неподвижные взаимно перпендикулярные рамки (см. рис. 4 справа). Диаграмма направленности такой антенной системы показана на рис. 4 слева. Схема такого пеленгатора известна давно. Именно таким пеленгатором запеленговали радистку Кэт в фильме "Семнадцать мгновений весны".

Рис. 4. Принцип работы пеленгатора Ватсона-Ватта

Сигналы от источника радиоизлучения, наводимые в рамках, определяются выражениями:

Сигналы с выхода каждой рамки поступают на идентичные по параметрам приемные каналы, где они фильтруются, усиливаются и преобразуются на промежуточную частоту.

Для того чтобы устранить неоднозначность пеленга, применяется дополнительная ненаправленная антенна, сигнал с которой фазируется таким образом, чтобы он находился в фазе (или противофазе) с сигналом первой рамки, когда источник радиоизлучения находится строго на севере [2].

Пеленгатор Эдкока

Другим известным амплитудным пеленгатором является пеленгатор Эдкока (см. рис. 5).

Рис. 5. Принцип работы пеленгатора Эдкока [3]

Информацию о направлении на источник излучения получают, используя амплитудные уравнения двух ортогональных узкобазисных ориентированных по сторонам света пеленгационных пар антенн амплитуды разностных ЭДС, которые можно представить в виде:

где E_ЗВ, – амплитуды разностных ЭДС в антенных "запад – восток" и "север – юг";

Е_max = 4Ebπ / λ – максимальное значение амплитуд разностных ЭДС;

Е – амплитуда ЭДС в антенном элементе, b – половина базы антенной системы, θ, β – азимут и угол места на источник излучения.

Из выражений (3) и (4) получают:

Фазовые пеленгаторы

Структура простейшего фазового пеленгатора представлена на рис. 6.

Рис. 6. Структурная схема простейшего фазового пеленгатора: П – приемные устройства с ограничителем амплитуд принимаемых сигналов, Ф – фазометр [3]

Рис. 7. Физический принцип работы фазового пеленгатора (показана задержка сигнала, поступающего на разнесенные антенны) [3]

Задержка сигнала, поступающего на антенну A1, относительно сигнала, поступающего на антенну А2 (см. рис. 7), выражается формулой 

где τ_з – задержка сигнала, с – скорость распространения радиоволн, α_x – угол прихода волны, отсчитанный относительно оси х, на которой расположены фазовые центры антенн A1, A2, l – расстояние между антеннами.

Фазовый сдвиг сигналов, соответствующий задержке τ_з, определяется формулой 

где Ф – фазовый сдвиг в радианах, λ – длина волны.

Из выражения (8) следует, что

Таблица 1. Зависимости пороговых значений SNR (соотношения "сигнал/шум") от апертуры (расстояния между вибраторами) 8-элементной круговой антенной решетки [8]

Доплеровский и квазидоплеровский пеленгаторы

Доплеровский пеленгатор является разновидностью фазового пеленгатора. Принцип действия такого пеленгатора основан на эффекте Доплера, возникающем при круговом вращении приемной антенны. Относительное (взаимное) перемещение приемника и передатчика приводит к изменению частоты (фазы) принимаемых колебаний.

В этом случае частота принимаемых колебаний меняется и отличается от частоты передатчика.

В реальных устройствах вместо вращающихся антенн применяют системы расположенных по окружности неподвижных антенн, которые каким-либо способом поочередно с частотой Ω подключаются ко входу приемника. Данный пеленгатор получил название квазидоплеровского пеленгатора. Принцип его работы показан на рис. 8, 9.

Рис. 8. Физический принцип работы квазидоплеровского пеленгатора [4]

Рис. 9. Структурная схема квазидоплеровского пеленгатора [5]

Корреляционные интерферометры-пеленгаторы

Корреляционные интерферометры-пеленгаторы анализируют амплитуду и фазу сигнала на элементах антенной решетки, после чего проводится совместная корреляционная обработка принятых сигналов. В таких устройствах возможно раздельное пеленгование сигнала и помехи в совмещенном канале и выделение сигнала на фоне когерентных помех. В них применяются так называемые алгоритмы множественной классификации сигнала (MUSIC), многоуровневые методы оценки максимального правдоподобия (MLE), а также алгоритмы сверхразрешения (SR-DF).

Эти методы обработки сигналов также основаны на предварительных данных о характеристиках пеленгуемого сигнала.

Такие пеленгаторы более совершенные по сравнению с фазовыми, но за это приходится расплачиваться усложненными методами обработки сигнала, что приводит к росту их стоимости.
В качестве примера подобного пеленгатора можно привести стационарный пеленгатор АРКСП, который имеет следующие среднеквадратичные ошибки пеленгования: 1,5–20 МГц (литера-КВ), 20–1000 МГц (литера-1) – 2 град., 1 000–3 000 МГц (литера-2) – 2 град., 3 000–8 000 МГц (литера-3) – 3 град. [6].

Как для фазовых, так и для корреляционных интерферометров-пеленгаторов существуют общие правила:

• чем больше антенных вибраторов используется в пеленгаторе, тем точнее он берет пеленг на излучение (см. рис. 10);
• точность пеленгации зависит от соотношения "сигнал/шум" на входе пеленгационных антенн (см. рис. 11). Из этих зависимостей можно сделать вывод, что для большинства пеленгационных систем пороговое соотношение "сигнал/шум" не должно быть ниже 10 дБ.

Рис. 10. Пеленгатор с большим количеством вибраторов [7]

Рис. 11. Графики зависимостей среднеквадратичной ошибки (СКО) оценок углов прихода полезного сигнала от SNR для 8-элементной антенной решетки при направлениях на источник θ = 0 град. [8]

Но если на шум в эфире и мощность пеленгуемого передатчика мы повлиять не можем, то мы можем сократить расстояние до источника излучения, поместив пеленгатор на БВС.

Пример такого подхода представлен на рис. 12.

Рис. 12. Общий вид БВС "Торус", оснащенного фазовым пеленгатором [9]

Размещение пеленгатора на БВС обеспечит прямую радиовидимость между пеленгатором и передатчиком, причем БВС самолетного типа может находиться над своей территорией, прикрытый своими комплексами ПВО. Так, при высоте полета БВС 5 тыс. м и высоте подвеса передающей антенны 1,5 м (без учета экранировки трассы передачи радиосигнала зданиями и высокостоящими предметами) дальность прямой радиовидимости составит 256 км. Разумеется, что пеленгация с такого расстояния возможна только от мощных радиопередатчиков.

Основные характеристики БВС "Торус":

• диапазон пеленгуемых частот от 1 до 18 ГГц;
• точность пеленгации до 1 град. в диапазоне до 4 ГГц и до 0,5 град. В диапазоне до 18 ГГц в зоне обзора до 180 град. [7].

Определимся с границами неопределенности по площади при пеленгации радиоизлучающих средств на местности (см. рис. 13) (при этом на двухмерной плоскости нам, конечно, надо минимум два пеленгатора).

Рис. 13. Схема определения района нахождения передатчика при пеленгации

Исходные данные:

• дальность до объекта 10 км;
• точность пеленгации 6 град. (будем реалистами).

Для простоты расчетов будем считать зону неопределенности квадратной. Тогда сторона квадрата L = 2·10 000·tg 3° = 1 048 м.

Найти передатчик на площади 1 кв. км достаточно проблематично, следовательно туда надо направить квадрокоптер с простейшим пеленгатором. При дистанции до цели 500 м площадь неопределенности будет определяться квадратом со стороной 50 м, а значит, оператор будет определен визуально с помощью телекамер/тепловизора или будет определено здание/сооружение, откуда он ведет передачу.

Исходя из вероятности потери такого дронапеленгатора, он должен быть максимально дешевым по исполнению. При этом он должен перекрывать диапазон пеленгации (минимум) от 20 МГц до 6 ГГц (желательно до 8 ГГц).

Исходя из этого, рациональней всего использовать простейший амплитудный пеленгатор с логопериодической антенной. Как пример можно рассмотреть логопериодическая антенну SLPA-0060L (см. рис. 14).

Рис. 14. Логопериодическая антенна SLPA-0060L [10]

ТТХ логопериодической антенны SLPA-0060L:

• диапазон рабочих частот 0,1–6 ГГц;
• коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот 2–6 дБ;
• габаритные размеры 1 330 x 970 x 135 мм;
• масса 1,5 кг.

Поскольку УКВ-антенны в нижнем диапазоне пеленгации громоздки, для пеленгации в этом частотном диапазоне применим пеленгатор Эдкока с четырьмя штыревыми антеннами.

Примечание. Если, исходя из стоимостных и весовых характеристик, возможна иная реализация пеленгатора на базе квадрокоптера (доплеровский пеленгатор или корреляционные интерферометр-пеленгатор), то надо отдать предпочтение им, поскольку они обладают лучшими техническими характеристиками.

Как пример реализации такого пеленгатора на базе логопериодической антенны можно привести БВС-пеленгатор от компании "Курсир" (см. рис. 15).

Рис. 15. БВС-пеленгатор от компании "Курсир" [11]

Выводы

Необходимо сосредоточиться на нейтрализации оператора БВС, используя пеленгаторы радиоизлучения для обнаружения передатчика пульта управления БВС.

Наибольшее распространение получили следующие типы пеленгаторов: амплитудные пеленгаторы, двухканальные пеленгаторы (Ватсона-Ватта, Эдкока), фазовые пеленгаторы, доплеровский и квазидоплеровский пеленгаторы, корреляционные интерферометры-пеленгаторы.

Наиболее простыми и дешевыми являются амплитудные пеленгаторы, наиболее совершенными – корреляционные интерферометры-пеленгаторы.

Для поиска передатчика пульта управления БВС необходимо использовать все типы пеленгаторов: стационарные (фазовые, доплеровские, корреляционные), пеленгаторы, размещенные на БВС самолетной аэродинамической схемы, БВС-пеленгаторы доразведки радиоизлучения на базе квадрокоптеров.

БВС доразведки на базе квадрокоптеров должны быть как можно дешевле в исполнении, даже в ущерб техническим характеристикам пеленгаторов, поскольку они являются расходным материалом.

Стационарные пеленгаторы (носимые, быстроразворачивыемые, с возможностью выноса пеленгационных антен от оператора на дистанцию не менее 300 м), как и БВС доразведки на базе квадрокоптеров, должны находиться в подразделениях на вооружении взвода, поскольку точность пеленгации прямо пропорциональна дистанции до передатчика противника. Кроме того, такой подход ускорит оперативность получения информации о противнике в низовом звене. Это решение не исключает, а подчеркивает необходимость иметь высококачественные пеленгаторы и в вышестоящих подразделениях.

Список использованных материалов

1. https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1746187260&tld=ru&lang=ru&name=rehb_lekcija_2.pdf&text=амплитудные%20пеленгаторы&url=https%3A%2F%2Fkarte.ucoz.ru%2FDistsiplini_MAQ%2Fproekt_sr_razv%2Frus%2Fdop_mat%2Frehb_lekcija_2.pdf&lr=213&mime=pdf&l10n=ru&sign=31406a3d9837db77db1fb254de2116c2&keyno=0&serpParams=tm%3D1746187260%26tld%3Dru%26lang%3Dru%26name%3Drehb_lekcija_2.pdf%26text%3D%25D0%25B0%25D0%25BC%25D0%25BF%25D0%25BB%25D0%25B8%25D1%2582%25D1%2583%25D0%25B4%25D0%25BD%25D1%258B%25D0%25B5%2B%25D0%25BF%25D0%25B5%25D0%25BB%25D0%25B5%25D0%25BD%25D0%25B3%25D0%25B0%25D1%2582%25D0%25BE%25D1%2580%25D1%258B%26url%3Dhttps%253A%2F%2Fkarte.ucoz.ru%2FDistsiplini_MAQ%2Fproekt_sr_razv%2Frus%2Fdop_mat%2Frehb_lekcija_2.pdf%26lr%3D213%26mime%3Dpdf%26l10n%3Dru%26sign%3D31406a3d9837db77db1fb254de2116c2%26keyno%3D0
2. https://avatars.mds.yandex.net/i?id=b263d2edd380986f45a384a9ea7cc64f_l-4837951-images-thumbs&n=13
3. https://www.radioscanner.ru/uploader/2010/strukt_ddf.jpg
4. https://myruler.ru/stacionarnyy-pelengator-span-lang-en-us-quot-span-ark-sp-artikul-s-artikul-sn-span-lang-en-us-quot-span-br-nbsp-obsluzhivaemyy-i-neobsluzhivaemyy/
5. https://userscontent2.emaze.com/images/e7665027-1c57-4979-8757-bb5001ced473/259a8da5e57a9924ae67ef7f702146f7.jpg
6. Сергеев В.А. Статистический анализ алгоритмов обработки сигналов в системах высокоточной пеленгации и локализации источников излучения". Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, диссертация.
7. https://cyberleninka.ru/article/n/sintez-malogabaritnogo-fazovogo-pelengatora-aviatsionnogo-bazirovaniya/viewer

Иллюстрации предоставлены автором.