Sekundární a pasívní radary

Transkript

1 Sekundární a pasívní radary psedivy@retia.cz Radiové systémy ZS 2014/15 1/38

2 Obsah Sekundární radar Princip, základní vlastnosti a aplikace Výkonová bilance radarová rovnice SSR Vznik a normalizace Módy činnosti a používané Realizace klíčových bloků Související systémy (TCAS, ADS B) Pasívní radar Princip, a typy pasívních systémů Základní vlastnosti Používané signály Související vojenské aplikace ELINT/SIGINT, SEI 2/38

3 Sekundární radar Princip Příjem signálů vyslaných odpovídačem umístěným na cíli Základní vlastnosti Výrazně příznivější výkonová bilance (výkony ~ 1kW) Možnost frekvenčního oddělení dotazu a odpovědi Možnost přenosu informací Omezení činnosti na kooperující cíle Aplikace Aktivní majáky pro řízení lodního provozu SSR, sekundární přehledový radar pro řízení letového provozu IFF, vojenská identifikace vlastní cizí 3/38

4 Sekundární přehledový radar pro ATC Definován na 6. zasedání ICAO v Montrealu (1957) ICAO Annex 10 Frekvence Dotazu (uplink) 1030 MHz Odpovědi (downlink)1090 MHz Vertikální polarizace Dosah až 500 km Přenos informací Identifikace letu (mód 3/A) Barometrická výška (mód C) Obecná datová zpráva (mód S) 4/38

5 Radarová rovnice Dvojice vztahů pro vzestupný a sestupný spoj Vzestupná linka PVdotaz G dotaz f 2dotaz ϕ, ϑ F 2dotaz ϕ, ϑ λ 2 G odp f 2odp ϑ P Podp = MTL 4π 4 R2max L celk plošná hustota výkonu na odpovídači ef. apertura odp. Sestupný spoj P Pdotaz = P Vodpov G odpov f 2odpov ϑ 2 4 R max L celk λ 2 G dotaz f 2dotaz ϕ, ϑ F 2dotaz ϕ, ϑ MDL 4 pl. hust. výkonu na dotaz. Parametry odpovídače definovány normou efektivní apertura dotazovače MTL Minimum Triggable Level ( 71±3 dbm) Vysílaný výkon odpovídače větší než 21 dbw (pro velká letadla >15 kft nebo >175 kt) nebo 18.5 dbw (malá letadla) Parametry dotazovače navrhovány dle dosahu Zisk antény, MDL (Minimum Detection Level) Výkon dotazu omezen schopností příjmu odpovědi (řádově kw) 5/38

6 Určování polohy cíle Šikmá dálka Určena ze zpoždění odpovědi od vyslaného dotazu R= t p t v 3 μs c 2 Definované zpoždění odpovídače (3 μs, mezi náběžnými hranami P3 a prvního impulsu odpovědi) Rozlišovací schopnost (bez garblingu) Výška cíle c ΔR=T reply 2 V některých módech přenášena v odpovědi Používána důsledně barometrická výška Vyšší přesnost nezávislost na náklonu letadla Chyba výšky je systematická a společná všem letadlům 6/38

7 Určování azimutu cíle Využívá směrové vlastnosti antény Nelze využít hledání maxima (není zaručen konst. výkon vysílače) Využíván průsečík dvou anténních charakteristik Součtové Sigma a řídicí Omega (na úrovní 9 db) Zaručena symetrie Zvýšení strmosti charakteristiky zvýšení přesnosti Monopulsní anténní systém tři svazky Součtový a rozdílový pro určení polohy z každé přijaté odpovědi Řídicí pro potlačení dotazů a odpovědí postranními laloky Svazek hlavní antény Pohyb antény f( ) Potlačovací anténa Svazek potlačovací antény = 1 odpovědi /38

8 Antény SSR Realizace Ozařování zrcadla primárního radaru Anténní řady (velká vertikální apertura) Potlačení vícecestného šíření Lepší (vertikální) krytí prostoru Potlačení postranních laloků Pomocná charakteristika s úrovní nad postranními laloky hlavního svazku 0 N [db] Σ -10 Ω φ ELDIS, s.r.o. Monopuls Přidání dalšího svazku rozdílového Určení směru na cíl z každé odpovědi Vyšší přesnost 8/38

9 Antény SSR potlačení postranních laloků SLS Sidelobe Suppresion Potlačení dotazů postranními laloky Signál přijatý odpovídačem f( ) hlavní anténa Potlačovací anténa Potlačení odpovědí postranními laloky Je li amplituda signálu v hlavním svazku větší než v potlačovacím, zpracuje se Je li amplituda signálu v hlavním svazku menší než v potlačovacím, nezpracuje se signál přijat postranním lalokem 9/38

10 Módy činnosti Obsah komunikace je určen formátem dotazu módem ATC Mód 3/A číslo letu Mód B nepoužívá se Mód C barometrická výška Mód S selektivní, datová zpráva IFF Mód 1,2 jednoduchá identifikace (NATO) Mód 3 civilní číslo letu (NATO) Mód 4 kryptomód (NATO) Kremnyj, Parol (SSSR/Rusko) 10/38

11 Mód 3/A Číslo letu Některé kódy mají pevný význam 7700 nouze 7600 ztráta spojení P1 P3 t 0,8 s Potlačovací anténa P2 t 2 s 8 s 7500 nezákonné vměšování Odpověď 0,8 s Hlavní anténa 7777 testovací cíl 0,8 s P3 F1 C1 A1 C2 A2 C4 A4 F1,F2 bránovací pulsy dotaz 3 s B1 D1 B2 D2 B4 D4 F2 SPI Označení Oktalové číslo Přiřazuje Eurocontrol t 0,45 s 1,45 s 20,3 s F1 A1 C2 A2 B1 D1 B2 4,35 s B4 F2 Kódové slovo /38

12 Mód C Barometrická výška letadla Absolutní údaj necitlivý na členitost terénu a náklon letadla Systematické chyby způsobené variací tlaku kompenzovány nastavením výškoměru (platným pro rozsáhlou oblast) Zbytkové chyby společné pro všechny sledované objekty Údaj ve stovkách stop (hektofeets), 4 oktalové číslice 0,8 s Hlavní anténa dotaz P3 0,8 s F1 C1 A1 C2 A2 C4 A4 B1 D1 B2 D2 B4 D4 F2 Označení Oktalové číslo Přesnější než údaj radiovýškoměru P3 P1 3 s t 0,8 s t 0,45 s 1,45 s 20,3 s Potlačovací anténa P2 2 s F1 A1 C2 A2 B1 B2 B4 F2 Výška ft t 21 s 12/38

13 Mód S Selektivním s možností adresného dotazování Datová zpráva, zabezpečení kontrolním součtem Jedinečná identifikace odpovídače Squiter samovolná odpověď pro oznámení přítomnosti Adresný dotaz: Synchronizační reverzace fáze (180 ) 0,8 s 0,8 s Hlavní anténa 1,25 s P2 P1 0,25 s P6 0,5 s Potlačovací anténa 2 s 0,75 s 0,4 μs 1,5 s 56 nebo 112 bitů t P5 t 0,8 s 13/38

14 Mód S (pokračování) Všeobecný dotaz A/C/S 0,8 s Hlavní anténa 0,8 s 1,6 s 0,8 s P4 P3 P1 t 0,8 s Potlačovací anténa Odpověď P4 1,6 μs S-MOD odpovídač neodpoví a odešle krátkou S-MOD odpověď s 24 bit adresou P4 0,8 μs S-MOD odpovídač neodpoví P2 t 2 s Mod A: 8 s Mod C: 21 s 0,5 s (Všechny pulsy) 1 s 1 s 1 3,5 s Blok dat 56 nebo 128 bit t bit 4,5 s Preambule 8 s /38

15 Problémy při zpracování signálu FRUIT False Replies Unsynchronized In Time (odpovědi na dotazy jiných dotazovačů) Garbling překrývání dvou odpovědí délce odpovědi 20,3 μs (odpovídá 3,7 km) 1. odpověď 2. odpověď Přijatý signál Fantomy korektní odpověď složená z odpovědí několika odpovídačů F1 F2 F1 1. odpověď F2 2. odpověď 2x fantom 15/38

16 Blokové schéma dotazovače Polovodičové vysílače, monitorování odraženého výkonu Přepínání vysílače může být nahrazeno druhým vysílačem Dostupné tranzistory ~ 1kW/pouzdro Vf jednotka MO (1030 MHz) Anténa diagnostika Vysílač Potlačovací (kontrolní) svazek Přijímač SLS diagnostika Hlavní (součtový) svazek Hlavní přijímač Rozdílový svazek Rozdílový přijímač Ovládání Modulátor Potlačení postranních Dekodéry laloků odpovědí Kontrola amplitud Pro různé módy Monopulsní zpracování Extraktor cílů Hlášení o cíli MO (1090 MHz) Diagnostické zprávy Diagnostika (BITE) Úhlová informace 16/38

17 Transpondér SSR Blok elektroniky (přijímač, vysílač, zpracování) v avionics bay Ovládací skříňka v kokpitu Citlivost přijímače definován normou (nominálně 71 dbm) Vysílaný výkon definován normou 21 dbw Anténa s malým ziskem (všesměrová omnidirectional) Honeywell MST 67A S-mod transponder 17/38

18 Odvozené systémy TCAS (Traffic Advisory and Collision Avoidance System)/ACAS (Airborne Collision Avoidance System) Dotazovač na palubě (velkých dopravních) letadel Vyhodnocení polohy okolních letadel a rizika kolize Doporučení manévru Problém potlačení blízkých/vzdálených dotazů Vzdálené snížení výkonu, Blízké metoda šeptej křič druhý dotaz Potlačení blízkých odpovídačů první dotaz t 21 s 2 s 21 s 18/38

19 Odvozené systémy ADS B Automatic dependent surveillance brodcast Závislé sledování využití GPS Sdílení informací o své poloze a rychlosti GPS Mód S 1090 MHz 19/38

20 IFF identifikace vlastní cizí IFF NATO (módy označeny čísly) předávaná informace 1 dvoumístný pětibitový kód mise, volitelné pilotem 2 čtyřmístný oktalový kód jednotky (pro stíhačky nastavováno na zemi, pro transportní letadla nastavitelné za letu) 3 čtyřmístný oktalový identifikátor letu, shodné s civilním módem A 4 kryptokódovaný dotaz Ruské systémy identifikace NRZ (наземный радиозапросчик) Kremnyj Parol 20/38

21 Pasívní radar Princip Lokalizace cíle s využitím signálů cílem vysílaných Lokalizace cíle s využitím signálů jiného zdroje o cíl odražených Základní vlastnosti Velký dosah (jednocestný přenos signálu) Tichá činnost Relativní jednoduchost/ nízká cena (absence vysílače) Aplikace Řízení letového provozu (ATC) Řízení provozu na letištní ploše Vojenské Přehledové systémy, RWR, ELINT 21/38

22 Typy pasívních radarů Časoměrné TDOA Koherentní TFDOA Příjem signálů odražených o cíl Využití běžných signálů (TV/rádio/GSM) Problémy s dynamikou přímého/odraženého signálu Dlouhé časy integrace, velká výpočetní náročnost Time Frequency Difference of Arrival Směroměrné Interferometrické Watson Watt (DF) Se zpracováním signálu z anténní řady Delay & sum, ESPRIT, MUSIC 22/38

23 Používané signály Vlastnosti Šířka pásma (přesnost určení polohy) Trvání/doba pozorovatelnosti Vyzářený výkon (Vše)směrovost vyzařování Polarizace (potřebnost diverzitního anténního systému) Sekundární radary SIF TACAN Primární radary, palubní výškoměry Datové linky 23/38

24 TDOA Time Difference Of Arrival Určení polohy z (rozdílů) časů příchodu Pro 2D lokalizaci 3 měření (Průsečík hyperbol) t1 t2 t3 Pro 3D lokalizaci min. 4 měření (Průsečík rotačních hyperboloidů) Vlastnosti Nutnost současného příjmu signálu na několika stanovištích Nutnost časově stabilního propojení stanic Problémy s jednoznačným vzájemným přiřazením přijatých signálů Aplikace Přehledové systémy ATC Řízení provozu na letištní ploše (ASTS) 24/38

25 Princip lokalizace TDOA Zdroj signálu přijatého dvěma přijímači s jistým zpožděním leží na rotačním hyperboloidu (hyperbole) V místě přijímačů ohniska a b F1 e e F2 Pro určení 2D polohy možno hyperboloid nahradit hyperbolou Při známé výšce (např. v případě SSR módu C) Pokud je vzdálenost cíle podstatně větší než vzdálenost přijímačů Pro velké vzdálenosti cíle lze hyperbolu nahradit asymptotami (určení DOA) Zdroj signálu (cíl) leží v průsečíku hyperboloidů/hyperbol Pro určení 2D polohy jsou nutné 3 stanice, pro 3D 4 stanice Jedno nezávislé měření času příchodu eliminuje neznámý okamžik vyslání signálu 25/38

26 Přesnost TDOA Přesnost měření TDOA Přesnost měření rozdílů časů příchodu Vliv geometrie přijímačů/cíle Popis pomocí DOP σv(x,y,z)=σt VDOP(x,y,z) Přijímač, ohnisko hyperboly σh(x,y,z)=σt HDOP(x,y,z) t t R y [km] z [km] t 2R c) σv [m] b) 20 0 R a) 2 x [km] y [km] 26/38

27 Elipticko hyperbolická lokalizace Kombinované TDOA systémy s vysílačem pro ATC Aktivní systém s dotazovačem a několika přijímači Elipticko hyperbolická lokalizace cíle Využití známého času dotazu Zmenšení chyby určené polohy v radiálním směru Detail ilustrace vzniku chyby Elipsy (Dotazovač a přijímač 1) Hyperboly 13 Přijímač Dotazovač Cíl (zdroj signálu) 12 Cíl 1 Hyperboly Cíl Chyba hyperbolické lokalizace Chyba eliptické lokalizace 27/38

28 Měření rozdílů časů příchodů TDOA Pulsní signály Měření s použitím náběžných/sestupných hran Vzájemná korelace (např. Generalized Cross Correlation) Velmi náročné na výpočetní výkon, přenosové kapacity a časovou základnu CW signály Vyhodnocení vzájemné korelace, hledání maxima Převod na pulsní signál Pro šumový signál aplikací prahu Přesnost určení TDOA Šířka pásma Doba integrace SNR 28/38

29 TDOA radarová rovnice Jednocestné šíření Přijatý výkon klesá s druhou mocninou vzdálenosti Vztahy shodné se sekundárním radarem Vliv polarizačního nepřizpůsobení ztrát Polarizace přijímacího systému Náklon zdroje (u lineárních polarizací) Nutná současná rádiová viditelnost zdroje alespoň ze čtyř (3D), resp. tří (2D) přijímacích stanic Dosah (krytí prostoru) je nutné vyhodnocovat strojně pro konkrétní konfiguraci, anténní charakteristiku zdroje signálu a výkon vysílače pozorovaného zdroje signálu Dosahy obvykle poměrně velké 29/38

30 Blokové schéma TDOA systému Boční stanice 2 Přijímač signálů 2 mf (log) Vysílač mikrovlnného pojítka 2 Detektor LNA Selektor pulsů FM modul. Diagnostika přijímač MW pojítka 3 přijímač signálů 1 přijímač MW pojítka 2 přijímač MW pojítka 4 GPS Centrální procesorová stanice UPS Úprava signálů Přijímač GPS Měřicí jednotka Zobrazení Sledování cílů Komunikace Boční stanice s malou spotřebou, autonomní Přenos zesílených přijatých signálů a jejich parametrů Zpoždění pojítek známé, zahrnuto do výpočtu polohy Centrální stanice s přijímačem a pojítky 30/38

31 Vojenské aplikace Širokopásmové TDOA systémy Monitorování a lokalizace zdrojů signálu ELINT/SIGINT Identifikace vysílacích frekvencí, typu modulace (intrapulsní) a charakteru vysílání (interpulsní analýza) IFM, časový průběh okamžité frekvence STFT, kvadratické distribuce Vysílací periody, identifikace staggerování 31/38

32 Realizace pasívních systémů Antény Šířka pásma Polarizace Malá směrovost Přijímače Logaritmické s amplitudovým detektorem a IFM Lineární s vysokou dynamikou a digitálním přijímačem Pojítka mezi stanicemi Real time přenos zalimitovaného signálu doplněný datagramem Datový spoj 32/38

33 České vojenské systémy PRP 1 Kopáč (1961) 4 vozidla PV3S, max 6 cílů (reálně 2 3), pásma L (1 2 GHz), S (2 4), X (4 18) KRTP 81 RAMONA (vývoj od 1964, zavedena 1981) NATO označení Soft ball Pásmo 0,8 až 18 GHz Převozný 2D systém na 13 kontejnerech Anténní systém v kulovém radomu na stožáru (25 m) 33/38

34 České vojenské systémy KRTP 86 TAMARA Označení NATO Trash bin Mobilní 2D systém na 8 automobilech Tři anténní (TATRA 8x8),pět kontejnerových (Tatra 6x6) Pásmo 0,82 až 18 GHz Až 60 cílů (12 radarů, 48 IFF/SIF) Interpulsní analýza (PRI) Signály SIF, IFF, TACAN, radarové, rušiče VERA S/M Nové systémy stejného určení jako TAMARA Moderní součástky, menší rozměry,vyšší citlivost Možnost rozšíření pásma 34/38

35 Pasívní koherentní lokace Vyhodnocení signálu jiných zdrojů odražených o cíl Signály TV, FM radio, GSM Přímý signál referenční Problém s velkou dynamikou přímého a odraženého signálu Konstrukce anténního systému Problém s nízkými odstupy signál šum odraženého signálu Velké doby integrace Současné určení rozdílu časů příchodu a rozdílu dopplerovských frekvencí Bistatický odraz signálů Malá účinnost stealth konstrukcí 35/38

36 Pasívní koherentní lokace Určení zpoždění a fd přímého signálu nezávislého vysílače Transmitter of Opportunity a tohoto signálu odražného od cíle Dynamika signálu Výpočetní náročnost (funkce nejednoznačnosti) FM, DVB T, GSM Krytí velkých výšek (ozáření) Silent sentry Lockhead Martin do 150 NM, krytí elevace >60 kapacita >100 cílů [ products/silent sentry/index.html] 36/38

37 Interferometrické systémy (DOA) Určení směru příchodu i pro CW signály Využití fáze signálu přijímahého několika anténami Určení sklonu vlnoplochy Jednoznačnost vs. přesnost (citlivost) Systém BORAP Pro každé pásmo 3 antény Fázový rozdíl 1 L1~ L2~n Fázový rozdíl 2 2 L sin = 37/38

38 Radar Warning Receiver (RWR) Zařízení instalované na vojenských letadlech Detekce a identifikace ozáření radarem nebo ozařovači navedení raket (hrozeb, threats detection) Určení směru příchodu Přibližné určení vzdálenosti Ze známého výkonu identifikovaného radaru Krytí 360 Širokopásmový systém Anténa RWR Jas-39 Gripen Obvykle vícekanálový (po oktávách) Integrace do systému vlastní ochrany (ovládání rušičů) 38/38