Меры электронного противодействия БПЛА

Выбор оптимальной схемы размещения генераторов помех

БПЛА – беспилотные летательные аппараты могут приносить людям огромную пользу, быть интересным развлечением, а могут и представлять большую опасность, причем как при военных действиях, так и в мирной жизни. Специалисты ищут способы борьбы с беспилотниками – в данной статье рассказывается о некоторых методах радиоэлектронной борьбы с БПЛА.

В настоящее время разнообразные по классу БПЛА (см. табл. 1 "Классификация БПЛА") представляют значительную угрозу безопасности общества. Конечно, эффективные меры противодействия им будут найдены и внедрены, но в настоящее время ситуация далека от идеала.

Таблица 1. Классификация БПЛА [2]

Угрозы БПЛА и меры противодействия им

В данной статье мы будем говорить о БПЛА в классе "малые БПЛА" (см. табл. 2).

Таблица 2. Малые БПЛА [2]

Дело в том, что более крупные БПЛА по своему принципу обнаружения и по используемым средствам противодействия (в первую очередь это средства ПВО) непринципиально отличаются от средств обнаружения и поражения традиционных летательных аппаратов. А вот малые БПЛА создают значительные трудности для противодействия им.

Малые БПЛА характеризуются ничтожной ЭПР в первую очередь из-за небольших размеров и широкого применения в их конструкции пластика. Они также имеют незначительную тепловую, акустическую и оптическую сигнатуры.

Даже при их обнаружении вопрос поражения или противодействия им стоит очень остро. Существующие средства ПВО не были рассчитаны на поражения данных объектов. Часто стоимость зенитной ракеты в несколько раз (а то и в десятки раз) превышает стоимость поражаемого БПЛА, а средства наведения и конструкции взрывателей не рассчитывались на поражение столь малоразмерных и низкоскоростных целей. Применение тактики "роя" (когда объект охраны или комплекс ПВО атакуют одновременно множество БПЛА с одного или разных направлений) приводит к истощению боезапаса и прорыва БПЛА к объекту атаки.

Другая проблема – использование низковысотного профиля полета, в этом случае радиогоризонт определяет дальность обнаружения цели. Как и для любой цели ПВО, для противодействия БПЛА нужно их обнаружить и уничтожить физически и/или вывести из строя их каналы управления, навигации, наблюдения или функционирования.

Средства обнаружения

Для обнаружения беспилотников используются:

• системы радиопеленгации/радиомониторинга излучения БПЛА (комплексы РТР);
• РЛС (в первую очередь активные РЛС);
• комплексы оптико-электронного наблюдения;
• системы шумопеленгации.

Средства подавления и уничтожения

Основными средствами подавления и уничтожения БПЛА являются:

• кинетическое поражение цели осколками зенитного снаряда или зенитной ракеты;
• перехват БПЛА дроном-истребителем;
• разрушение корпуса БПЛА лазерным излучением;
• поражение электроники БПЛА мощным микроволновым излучением;
• поражение электроники БПЛА электромагнитным импульсом взрывного генератора;
• средства радиоэлектронного подавления.

Размер статьи не позволяет подробно останавливаться на каждом способе обнаружения подавления и уничтожения БПЛА, поэтому рассмотрим наиболее значимый по критерию эффективности способ борьбы – средства радиоэлектронного подавления. Дело в том, что остальные методы подавления и уничтожения БПЛА требуют дорогостоящего специализированного оборудования и малоприспособлены для работы в городских условиях.

Говоря о РЭБ, следует отметить, что различные виды помех работают с разной эффективностью против БПЛА.

В общем виде основные типы помех можно разделить на:

• шумовые/псевдошумовые, или заградительные помехи;
• свипирующие помехи, (при этом генератор качающейся частоты осуществляет циклическую перестройку частоты от F1 до F2);
• структурные помехи, искажающие структуру сигналов управления и навигации БПЛА.

С точки зрения энергетической эффективности выгодно использовать структурные помехи [1], но они требуют знания свойств и частот подавляемых сигналов.

Необходимо учесть, что противник постоянно совершенствует средства связи и управления БПЛА за счет:

• применения адаптивных активных решеток БПЛА (в первую очередь для приема сигналов от глобальных навигационных систем);
• шифрования сигналов;
• ухода от стандартных частот передачи;
• применения шумоподобных сигналов (ШПС) и сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ, или FHSS – англ. Frequency-Hopping Spread Spectrum). Поэтому структурные помехи будут эффективными только против:
  – стандартных глобальных навигационных систем: GPS (L1 – 1575,42 МГц/L2 – 1227,6 МГц/L5 – 1176,45 МГц), ГЛОНАСС (L1 – 1602 МГц/L2 – 1246 МГц), BeiDou (B1 – 1561,098 МГц/B2 – 1207,14 МГц/B3 – 1268,52 МГц), Galileo (E1 – 1575,42МГц/E6–1278,75МГц/E5–1191,79МГц);
  – типовых каналов сотовой связи: CDMA800 (850-894 МГц), GSM900 (890–915, 935–960 МГц), GSM1800 (1710–1880 МГц), 3G (2110–2170 МГц), 4G (725–770, 780–960, 925–960 МГц; 1,7–2,2, 2,5–2,7 ГГц), Wi-Fi (2,4–2,5, 4,9–6,425 ГГц);
  – каналов спутниковых систем связи "Инмарсат" (1518–1660,5 МГц), "Иридиум" (1616– 1626,5 МГц), Starlink;
  – безлицензионных каналов связи диапазона 433 МГц; 868–916 МГц.

То есть структурные помехи оптимально подавляют каналы связи и навигации с заведомо известными параметрами, (как по частотам, так и по структуре подавляемого канала).

Генераторы помех с перестройкой частоты рационально использовать против:

• средств радиосвязи диапазона УКВ;
• средств авиационной радиосвязи;
• иных нестандартных каналов связи управления и навигации БПЛА.

При этом средствами радиотехнической разведки (РТР) данные каналы должны быть вскрыты в режиме реального времени и переданы на подавление средствам РЭБ.

Если средства РТР не смогли их вскрыть, то генераторы помех с перестройкой частоты должны перейти в режим свипирования. Непраздным остается вопрос периода перестройки свипирующего генератора, то есть как быстро производить перестройку частоты генератора.

Чем больше будет находиться частота излучения свипирующего генератора на канале систем связи и управления БПЛА, тем больше вероятность его подавления, но слишком большое время перестройки генератора может привести к тому, что системы управления и навигации могут успеть восстановить свою работоспособность за период перестройки генератора помех. Например, срыв каналов видеонаблюдения БПЛА с периодичностью 10 с. практически не влияет на качество управления БПЛА. Аналогично за это время контроллеры глобальных систем навигации смогут восстановить возможность определять свои координаты.

Поэтому логично выбрать период перестройки частоты около 1 с. При таком периоде перестройки частоты контроллеры глобальных систем навигации не смогут войти в режим синхронизации приема данных от спутников, а оператор БПЛА не сможет управлять аппаратом по камере видеонаблюдения.

Следует отметить, что все современные системы РЭБ используют генераторы помех с перестройкой частоты под управлением системы РТР, поскольку наблюдается тенденция использования в средствах связи и наблюдения БПЛА нестандартных частот.

Рис. 1. Модулирующий сигнал со спектром "белого" шума [4]

Шумовые заградительные помехи наименее эффективны с энергетической точки зрения при подавлении БПЛА, но несомненным достоинством данного типа помех является их универсальность при применении. Причем под шумовой заградительной помехой следует понимать не только помеху с модулирующим сигналом типа "белого" шума (см. рис. 1), но и модулирующий сигнал типа псевдослучайной последовательности (ПСП) (см. рис. 2). Эффективность помехи, модулируемой ПСП, выше, чем "белым" шумом [4].

Рис. 2. Модулирующий сигнал типа псевдослучайной последовательности (ПСП) [4]

Поэтому все виды перечисленных выше генераторов помех необходимо использовать для повышения вероятности успешного противодействия БПЛА.
Если говорить о мощности генераторов помех (речь идет о стационарных комплексах), то для любого канала подавления (или диапазона частот) она не должна быть меньше 100 Вт [2].

Таким образом, с учетом всех каналов подавления (15 и более каналов) выходная мощность средств РЭБ должна находиться в диапазоне 2 кВт.

Выбор оптимальной схемы размещения генераторов помех

Применение средств РЭБ против БПЛА, при нахождении объекта в среде гражданской инфраструктуры, накладывает ограничение по излучающей мощности, что, в свою очередь, делает нетривиальной задачей организацию подавления средств связи и управления БПЛА.

Следует отметить, что уровень сигнала РЭБ убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Это фундаментальное свойство радиосигналов невозможно обойти.

Для подтверждения этого тезиса можно обратиться к формуле Введенского (1), дающей зависимость напряженность поля от расстояния.

к – поправочный коэффициент, учитывающий среду распространения, лежит в пределах 0,2–0,4. Не вникая в детали формулы, можно констатировать, что Е ~ 1/r² (поэтому формулу Введенского жаргонно называют квадратичной формулой).

Если взять мощность передатчика помех за единицу, то зависимость от расстояния будет соответствовать графику, приведенному на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость мощности помех генератора от расстояния

Следует отметить быстрый спад амплитуды напряженности поля от расстояния, что делает увеличение мощности передатчика помех нерациональным способом решения проблемы подавление БПЛА.

Гораздо более рациональным решением является использование нескольких относительно маломощных генераторов, разнесенных в пространстве, с антеннами круговой направленности (см. рис. 4).

Рис. 4. Схема использования нескольких генераторов для создания равномерного уровня сигнала подавления (расположение генераторов в горизонтальной плоскости)."Синий" – генератор помех расположен непосредственно на объекте охраны, "зеленый" – на удалении 3,5 км

На рис. 5 показана суперпозиция полей от двух последовательно расположенных генераторов помех (генератор помех № 1 + генератор помех № 2).

Рис. 5. Зависимость мощности двух генераторов помех от расстояния. Синяя линия – генератор помех расположен непосредственно на объекте охраны, зеленая линия – на удалении 3,5 км, красная линия – сумма полей двух генераторов

Проанализируем график суммы полей двух генераторов (см. рис. 6).

Рис. 6. Сумма мощности полей двух генераторов в зависимости от расстояния

При подлете БПЛА к месту установки генератора № 2 происходит срыв синхронизации сигналов связи и навигации БПЛА, при этом напряженность поля, создаваемая генератором мешающего сигнала, максимальна, что значительно повышает вероятность подавления. Далее уровень напряженности поля мешающего сигнала падает, но при срыве синхронизации необходимо гораздо большее соотношение "сигнал/шум" в канале связи для восстановления работоспособности, поэтому на этом участке тоже будет обеспечено уверенное подавление. Затем напряженность поля мешающего сигнала опять начинает возрастать.

Оптимальная схема размещения генераторов РЭБ вокруг охраняемого объекта, с учетом всего изложенного, приведена на рис. 7.

Рис. 7. Оптимальная схема размещения генераторов РЭБ вокруг охраняемого объекта

Примечание к рисунку. Разумеется, это идеализация и не всегда возможно такое равномерное размещение генераторов РЭБ вокруг охраняемого объекта, аналогично на рисунках 6–5 не учитывается отражение радиосигнала от подстилающей поверхности, высокостоящих зданий, суперпозиция всех работающих генераторов (поскольку вклад удаленных генераторов в общую суперпозицию поля значительно меньше, чем от ближайшего генератора).
Данные рисунки демонстрируют только общий подход к решению проблемы создания максимально удаленного и равномерного поля радиопомех для каналов связи и управления БПЛА.

Наибольшие проблемы при подавлении БПЛА создают дроны самолетного типа.

При подлете к цели атаки такой БПЛА переходит в пологое пикирование, поэтому подавление управления не прервет атаки, а только снизит точность попадания боеприпаса.

БПЛА самолетного типа имеют аэродинамическое качество в диапазоне от 10 до 20, то есть в более благоприятном варианте, с высоты 1 км, такой БПЛА даже без работающих двигателей сможет планировать на расстояние в 10 км.

Все это требует увеличения дальности уверенного подавления таких БПЛА и применения многорубежного расположения средств РЭБ.

В заключение хотелось бы отметить, что оборудование передачи данных с БПЛА постоянно совершенствуются, используются более современные стандарты и протоколы передачи, нетрадиционные и более высокочастотные диапазоны связи.

Так, в проекте Института электроники и связи Украинской академии наук по созданию системы передачи данных на базе высотного БПЛА предполагается использовать OFDM-модуляцию стандарта DVB-S в диапазоне частот 11,7–12,5 ГГц.

Американская компания Aeronix предлагает модемные решения для двусторонней связи с БПЛА в стандарте IEEE 802.16–2004 (режим WirelessMAN OFDM) в диапазонах 5,725–5,825 и 4,5–4,8 ГГц, а в перспективном плане развития беспилотных авиационных систем США планируется использовать радиосредства в частотном диапазоне 225–400 МГц [5].

В спутниковой системе Starlink предполагается использовать Ку-диапазон (10,7–12,7 и 14–14,5 ГГц) и Ка-диапазон (17,8–19,3 и 27,5–30 ГГц). Ку-диапазон используется для передачи сигнала от ИСЗ на абонентский терминал, Ка-диапазон (18/30 ГГц) – для передачи информации от наземного телепорта на ИСЗ. Из вышесказанного следует, что средства РЭБ должны иметь модульную унифицированную конструкцию, позволяющую оперативно наращивать каналы подавления путем добавления новых модулей к уже имеющимся на объекте. Только так можно оперативно обеспечивать нейтрализацию вновь появляющихся угроз.

Выводы

1. Малые и легкие БПЛА создают значительные трудности для противодействия им.
2. Наиболее эффективным способом борьбы с данными БПЛА является РЭБ.
3. Для повышения вероятности успешного противодействия БПЛА необходимо использовать все виды помех.
4. Для эффективного подавления БПЛА мощность генераторов помех для каждого канала подавления не должна быть меньше 100 Вт.
5. Быстрый спад амплитуды напряженности поля от расстояния делает увеличение мощности передатчика помех нерациональным способом решения проблемы подавления БПЛА.
6. Необходима многорубежная защита охраняемого объекта (не менее двух рубежей).
7. Средства РЭБ должны иметь модульную унифицированную конструкцию, позволяющую оперативно наращивать каналы подавления.
8. Устройства борьбы с БПЛА должны быть комплексными, как минимум должна быть радиотехническая станция обнаружения БПЛА и генераторы РЭБ (в том числе способные оперативно изменить рабочую частоту подавления).
9. В составе полноценного комплекса противодействия БПЛА, кроме РТР и РЭБ, должны еще входить РЛС, оптико-электронный комплекс обнаружения и сопровождения БПЛА, тепловизор, камера и/или пеленгатор УФ-диапазона.

Список литературы

1. Макаренко С. И. Анализ средств и способов противодействия беспилотным летательным аппаратам //Системы управления, связи и безопасности. 2020. № 2.
2. Макаренко С. И. Противодействие беспилотным летательным аппаратам" (монография): "Наукоемкие технологии", OOO “Корпорация "Интел Групп". 2020.
3. Николаев В.А., Прошутинский Д.А. Технические средства обнаружения и противодействия малым беспилотным воздушным судам при защите объектов ТЭК // Системы безопасности. 2023. № 1.
4. Нгуен В.Х., Фан Н.З., Фам Х.Х. Эффективность воздействий помех системе глобальной навигации GPS// Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). 2020. № 2.
5. Слюсар В. Радиолинии связи с БПЛА Примеры реализации // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2010. № 5.
6. https://vk.com/wall-82220566_24930

Термины и определения

АФАР – активная фазированная антенная решетка.
БПЛА – беспилотный летательный аппарат.
УФ – ультрафиолетовое излучение.
ПВО – противовоздушная оборона.
ППРЧ – псевдослучайная перестройка рабочей частоты.
ПСП – псевдослучайная последовательность.
РЛС – радиолокационная станция.
РТР – радиотехническая разведка.
РЭБ – радиоэлектронная борьба.
Свип-генератор – генератор электромагнитных колебаний качающейся частоты (от англ. sweep – размах, непрестанное движение).
ШПС – шумоподобный сигнал, (сигнал, у которого произведение ширины спектра на длительность Т много больше единицы. Это произведение называется базой сигнала).
ЭПР – эффективная площадь рассеивания.
OFDM (англ. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов).
DVB (англ. Digital Video Broadcasting – цифровое видеовещание) – семейство стандартов цифрового телевидения, разработанных международным консорциумом DVB Project.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" № 5/2023

Все статьи журнала "Системы безопасности"
доступны для скачивания в iMag >>

Фото: ru.freepik.com