Загоризонтный радар ( OTH ), иногда называемый загоризонтным радаром ( BTH ), представляет собой тип радиолокационной системы, способной обнаруживать цели на очень больших расстояниях, обычно от сотен до тысяч километров, за пределами радиолокационного горизонта , что позволяет это предел расстояния для обычного радара. Несколько радиолокационных систем OTH были развернуты начиная с 1950-х и 1960-х годов как часть радиолокационных систем раннего предупреждения, но в целом их заменили бортовые системы раннего предупреждения . В последнее время радары OTH возвращаются, поскольку необходимость точного слежения на большом расстоянии стала менее важной после окончания Холодной войны , а менее дорогие радары наземного базирования снова рассматриваются для таких задач, как морская разведка и борьба с наркотиками.
Частоты радиоволн , используемых большинством радаров в виде микроволн , распространяются по прямым линиям. Обычно это ограничивает дальность обнаружения радиолокационных систем объектами на их горизонте (обычно называемыми «прямой видимостью», поскольку самолет должен быть хотя бы теоретически виден человеку в месте расположения и высоте передатчика радара) из-за кривизны земли. Например, радар, установленный на мачте высотой 10 м (33 фута), имеет дальность действия до горизонта около 13 километров (8,1 мили) с учетом эффектов атмосферной рефракции. Если цель находится над поверхностью, эта дальность будет соответственно увеличена, поэтому цель высотой 10 м (33 фута) может быть обнаружена тем же радаром на расстоянии 26 км (16 миль). Размещение антенны на высокой горе может несколько увеличить дальность действия; но в целом нецелесообразно создавать радиолокационные системы с дальностью прямой видимости, превышающей несколько сотен километров. [1]
Радары OTH используют различные методы, чтобы видеть за пределами этого предела. Чаще всего используются два метода; коротковолновые системы, которые преломляют свои сигналы от ионосферы для обнаружения на очень большом расстоянии, [1] и системы поверхностных волн , которые используют низкочастотные радиоволны [2] , которые из-за дифракции следуют за кривизной Земли, чтобы выйти за пределы горизонт. Эти системы достигают дальности обнаружения порядка ста километров от небольших обычных радиолокационных установок. Они могут сканировать ряд высоких частот с помощью чирпового передатчика .
Наиболее распространенный тип радара OTH использует пространственное или «пропускное» распространение, при котором коротковолновые радиоволны преломляются от ионизированного слоя атмосферы, ионосферы , и возвращаются на Землю на некотором расстоянии. Небольшое количество этого сигнала будет рассеиваться от желаемых целей обратно в небо, снова преломляться от ионосферы и возвращаться к приемной антенне по тому же пути. Только один диапазон частот регулярно демонстрирует такое поведение: высокочастотная (ВЧ) или коротковолновая часть спектра от 3 до 30 МГц. Лучшая частота для использования зависит от условий атмосферы и цикла солнечных пятен . По этим причинам системы, использующие небесные волны, обычно используют мониторинг приема сигналов обратного рассеяния в реальном времени для непрерывной регулировки частоты передаваемого сигнала. [1]
Разрешение любого радара зависит от ширины луча и дальности до цели. Например; радар с шириной луча 1 градус и целью на расстоянии 120 км (75 миль) покажет цель шириной 2 км (1,2 мили). Для создания луча в 1 градус на наиболее распространенных частотах требуется антенна шириной 1,5 км (0,93 мили). Из-за физики процесса рефракции фактическая точность еще ниже: предлагается разрешение по дальности порядка 20–40 километров (12–25 миль) и точность пеленга от 2 до 4 километров (1,2–2,5 мили). Даже точность в 2 км полезна только для раннего предупреждения, а не для огня оружия. [1]
Другая проблема заключается в том, что процесс рефракции сильно зависит от угла между сигналом и ионосферой и обычно ограничивается примерно 2–4 градусами от местного горизонта. Для создания луча под таким углом обычно требуются огромные антенные решетки и земля с высокой отражающей способностью на пути передачи сигнала, что часто усиливается за счет установки матов из проволочной сетки, простирающихся на целых 3 километра (1,9 мили) перед антенной. [1] Таким образом, системы OTH очень дороги в строительстве и по существу неподвижны.
Учитывая потери при каждом преломлении, этот сигнал «обратного рассеяния» чрезвычайно мал, что является одной из причин, почему радары OTH не были практичны до 1960-х годов, когда впервые были разработаны чрезвычайно малошумящие усилители. Поскольку сигнал, преломленный от земли или моря, будет очень большим по сравнению с сигналом, преломленным от «цели», необходимо использовать некоторую систему, чтобы отличать цели от фонового шума. Самый простой способ сделать это — использовать эффект Доплера , который использует сдвиг частоты, создаваемый движущимися объектами, для измерения их скорости. Благодаря фильтрации всего сигнала обратного рассеяния, близкого к исходной передаваемой частоте, движущиеся цели становятся видимыми. С помощью этого процесса можно увидеть даже небольшое движение со скоростью всего 1,5 узла (2,8 км/ч). [1]
Эта базовая концепция используется почти во всех современных радарах, но в случае систем OTH она становится значительно сложнее из-за аналогичных эффектов, вызванных движением ионосферы. Большинство систем использовали второй передатчик, вещающий прямо в ионосферу, чтобы измерять ее движение и корректировать сигналы основного радара в режиме реального времени. Для этого потребовалось использование компьютеров — еще одна причина, по которой системы OTH не стали по-настоящему практичными до 1960-х годов, с появлением твердотельных высокопроизводительных систем. [1]
Второй тип радара OTH использует гораздо более низкие частоты в длинноволновых диапазонах. Радиоволны на этих частотах могут дифрагировать вокруг препятствий и следовать по изогнутому контуру Земли, уходя за горизонт. Эхо, отраженное от цели, возвращается к местоположению передатчика по тому же пути. Эти наземные волны имеют самый большой радиус действия над морем. Как и в случае с ионосферными высокочастотными системами, принимаемый сигнал от этих систем наземных волн очень слаб и требует чрезвычайно чувствительной электроники. Поскольку эти сигналы распространяются близко к поверхности, а более низкие частоты обеспечивают более низкое разрешение, низкочастотные системы обычно используются для отслеживания кораблей, а не самолетов. Однако использование бистатических методов и компьютерной обработки может обеспечить более высокое разрешение и используется начиная с 1990-х годов.
Помехи на радаре могут ухудшить способность OTH обнаруживать цели. [3] [4] Такие помехи могут быть вызваны атмосферными явлениями, такими как возмущения в ионосфере , вызванные геомагнитными бурями или другими явлениями космической погоды . Это явление особенно проявляется вблизи геомагнитных полюсов , где действие солнечного ветра на магнитосферу Земли вызывает конвекцию в ионосферной плазме . [3]
Известно, что инженеры Советского Союза в 1949 году разработали, по-видимому, первую действующую систему OTH, получившую название «Вейер». Однако в западных источниках имеется мало информации об этой системе, а подробности ее работы неизвестны. Известно, что никаких дальнейших исследований советскими коллективами не проводилось вплоть до 1960-70-х годов. [5]
Большая часть ранних исследований эффективных систем OTH проводилась под руководством доктора Уильяма Дж. Талера в Исследовательской лаборатории ВМС США (NRL). Работа получила название «Проект Типи» (от «Проект Талера»). Их первая экспериментальная система MUSIC ( множественное хранение, интеграция и корреляция ) вступила в эксплуатацию в 1955 году и смогла обнаружить запуски ракет на расстоянии 600 миль (970 км) на мысе Канаверал и ядерные взрывы в Неваде на расстоянии 1700 миль (2700 км). . [6] Значительно улучшенная система, испытательный стенд для оперативного радара, была построена в 1961 году под названием MADRE ( Радарное оборудование с магнитным барабаном ) в Чесапикском заливе . Он обнаруживал самолеты на расстоянии до 3000 километров (1900 миль), используя всего 50 кВт энергии вещания. [5] [Н 1]
Как следует из названия, обе системы NRL основывались на сравнении возвращенных сигналов, хранящихся на магнитных барабанах . Пытаясь убрать помехи с дисплеев радаров, многие радиолокационные системы позднего и послевоенного периода добавляли акустическую линию задержки , которая сохраняла полученный сигнал ровно на то время, которое необходимо для прибытия следующего сигнального импульса. Путем добавления вновь поступившего сигнала к инвертированной версии сигналов, хранящихся в линии задержки, выходной сигнал включал в себя только изменения от одного импульса к другому. Это удалило все статические отражения, такие как близлежащие холмы или другие объекты, оставив только движущиеся объекты, такие как самолеты. Эта базовая концепция могла бы работать и для радара дальнего действия, но имела проблему, заключающуюся в том, что линия задержки должна быть механически подогнана к частоте повторения импульсов радара или PRF. Для использования на больших дистанциях PRF запускался очень долго, и его намеренно изменили, чтобы в поле зрения были видны разные дальности. Для этой роли линия задержки не годилась, а недавно представленный магнитный барабан представлял собой удобную и легко управляемую систему переменной задержки.
Еще одна первая коротковолновая система OTH была построена в Австралии в начале 1960-х годов. Он состоял из нескольких антенн, расположенных на расстоянии четырех длин волн друг от друга, что позволяло системе использовать формирование луча с фазовым сдвигом для управления направлением чувствительности и настройки ее для покрытия Сингапура, Калькутты и Великобритании. Эта система потребляла 25 миль (40 км) электрического кабеля в антенной решетке. [6]
Более недавним дополнением является оперативная радиолокационная сеть Джиндали, разработанная Министерством обороны Австралии в 1998 году и завершенная в 2000 году. Она находится в ведении подразделения радиолокационного наблюдения № 1 Королевских ВВС Австралии . Jindalee — это мультистатическая радиолокационная система (с несколькими приемниками), использующая OTH-B, что позволяет ей иметь как большую дальность действия, так и возможности защиты от скрытности . Официальная дальность его действия составляет 3000 километров (1900 миль), но в 1997 году прототип смог обнаружить запуски ракет Китаем [ 7] на расстоянии более 5500 километров (3400 миль).
Джиндали использует мощность 560 кВт по сравнению с 1 МВт американской OTH-B, но предлагает гораздо больший радиус действия, чем система США 1980-х годов, благодаря значительно улучшенной электронике и обработке сигналов. [8]
Радар OTH 0100 способен контролировать суда на расстоянии более 200 морских миль (370 км; 230 миль) от берега, что превышает прямую видимость обычных радаров. [9]
Канада изучает возможность использования высокочастотного радара поверхностных волн (HFSWR) для наблюдения за 200-мильной исключительной экономической зоной (ИЭЗ) уже более 30 лет. Исследования были начаты в 1984 году с перепрофилирования выведенного из эксплуатации навигационного маяка ЛОРАН-А для проведения экспериментов по отслеживанию самолетов, судов и айсбергов. [10] Исследования продолжались в течение следующего десятилетия, и в 1999 году Канада установила две системы SWR503 HFSWR на мысе Рейс и мысе Бонависта, Ньюфаундленд. [11] Объекты прошли технологическую оценку в 2000 году, а затем были модернизированы и оценены в рабочем состоянии в 2002 году. [12] Ниже приводится цитата из оперативной оценки (OPEVAL), проведенной в октябре 2002 года Министерством национальной обороны Канады: [13] « HFSWR является полезным дополнением к системе распознавания морской картины (RMP). Из всех оцененных источников данных это был единственный датчик, предлагающий обновление информации практически в реальном времени. Он обеспечивал частые отчеты и в целом демонстрировал надежное отслеживание надводных целей в своей зоне действия. Когда система HFSWR была объединена с другими источниками данных, возник синергетический эффект, который улучшил общее качество RMP. Кроме того, из анализа потенциального вклада в сценарии планирования сил, связанные с наблюдением, было очевидно, что RMP выиграет от добавления HFSWR в качестве нового источника данных». За международными продажами радара SWR503 последовала установка операционных систем в Азии (2008 г.) и Европе (2009 г.). [14] В 2007 году работа канадских систем была остановлена из-за опасений по поводу возможности вредных помех первичным пользователям спектра. [15] В 2010 году уникальная способность HFSWR обеспечивать недорогое наблюдение за ИЭЗ привела к переоценке технологии и последующей разработке системы HFSWR 3-го поколения, основанной на принципе обнаружения и обнаружения. адаптировать технологию, которая позволила работать на нераспределенной основе без помех за счет использования динамического управления спектром. Дополнительные разработки включали улучшенную дальность полета, лучшую точность позиционирования, уменьшение количества ложных траекторий и более раннее начало отслеживания. [16] В июне 2019 года компания MAEROSPACE получила глобальную лицензию на разработку, производство и международный маркетинг канадской системы HFSWR и ее производных. [17]
Сообщается, что в Китае эксплуатируется ряд радаров OTH-B и OTH-SW. [18] Однако передача данных с этих радаров создает серьезные помехи другим международным лицензированным пользователям. [19] [20]
На Google Maps можно найти один комплект китайских радаров OTH-B с передатчиком и приемником.
Франция разработала радар OTH под названием NOSTRADAMUS в 1990-х годах [21] (NOSTRADAMUS означает «Новая загоризонтная декаметрическая система, применяющая методы студии» (французский: nouveau système transhorizon décamétrique appliquant les méthodes utilisées en studio ).) В марте 1999 года было объявлено о создании OTH-радара NOSTRADAMUS. обнаружить два самолета Northrop B-2 Spirit, летевших в Косово. Он поступил на вооружение французской армии в 2005 году и все еще находится в разработке. Он основан на звездообразном антенном поле, используемом для излучения и приема (моностатическом), и может обнаруживать самолеты на расстоянии более 3000 километров (1900 миль) по дуге в 360 градусов. Используемый диапазон частот от 6 до 30 МГц.
Официально запущенный в 2009 году французский исследовательский проект STRADIVARIUS разработал новый загоризонтный радар (высокочастотный радар поверхностных волн – HFSWR), способный контролировать морское движение на расстоянии до 200 морских миль (370 км; 230 миль) от берега. Демонстрационная площадка [22] работает с января 2015 года на французском средиземноморском побережье и демонстрирует круглосуточные возможности системы, которая сейчас предлагается на продажу компанией DIGINEXT.
Индия разработала множество радаров дальнего и ближнего действия. Хотя в настоящее время у него нет действующего загоризонтного радара, индийский радар слежения дальнего действия Swordfish , часть системы противоракетной обороны Индии, имеет максимальную дальность действия 800 километров (500 миль), и в настоящее время модернизируется до 1500 километров (930 миль). . [23] [24]
LRDE DRDO работает над прототипом радара OTH . Работы по проектированию системы уже завершены, и ожидается, что прототип OTH будет реализован к концу 2021 года. Прототип будет иметь два разных типа решеток и сам будет определять лучшую частоту для отслеживания объектов. Ожидается, что после успешных испытаний существующей системы Индия разработает большой радар OTH на основе той же конструкции. [25] [26]
Иран работает над радаром OTH под названием Sepehr с дальностью действия 3000 километров (1900 миль). [27] В настоящее время он действует. [28]
Начиная с 1950-х годов, Советский Союз также изучал системы OTH. Первой экспериментальной моделью, судя по всему, стал « Вейер» («Ручной веер»), построенный в 1949 году. Следующим серьезным советским проектом стала «Дуга» , построенная под Николаевом на побережье Черного моря недалеко от Одессы . Направленная на восток, «Дуга» впервые побежала 7 ноября 1971 года и успешно использовалась для отслеживания пусков ракет с Дальнего Востока и Тихого океана до полигона на Новой Земле .
За этим последовала первая действующая система «Дуга-1» , известная на западе как Steel Yard , которая впервые вышла в эфир в 1976 году. Построенная за пределами Гомеля, недалеко от Чернобыля , она была нацелена на север и охватывала континентальную часть США. [ нужна цитация ] Его громкие и повторяющиеся импульсы в середине коротковолновых радиодиапазонов привели к тому, что операторы радиолюбителей (любителей) стали называть его «Русский дятел». Советский Союз в конечном итоге изменил используемые ими частоты, даже не признав, что они были источником, в основном из-за помех некоторым системам дальней связи «воздух-земля», используемым коммерческими авиалайнерами. [ нужна цитата ] Вторая система была создана недалеко от Комсомольска-на-Амуре на Дальнем Востоке России, также охватывая континентальную часть Соединенных Штатов и Аляску. [ нужна цитата ]
В начале 2014 года Россия анонсировала новую систему под названием «Контейнер» , которая должна была преодолеть расстояние более 3000 км. [29]
«Подсолнух» («Подсолнух») [30] — прибрежно-горизонтная коротковолновая радиолокационная станция ближнего действия. Предназначен для обнаружения надводных и воздушных целей на расстоянии до 450 километров (280 миль). Предназначен для использования в береговых надводных и воздушных системах управления в пределах 200-мильной (320-км) экономической зоны. [31] «Подсолнух» позволяет операторам автоматически и одновременно обнаруживать, сопровождать и классифицировать до 300 морских и 100 воздушных объектов за радиогоризонтом, а также передавать их координаты системам прицеливания и вооружения кораблей и систем ПВО. РЛС прошла государственные испытания в 2008 году. Дежурят три станции — в Охотском , Японском и Каспийском морях .
Первой по-настоящему оперативной разработкой стала англо-американская система, известная как Cobra Mist , строительство которой началось в конце 1960-х годов. Cobra Mist использовала огромный передатчик мощностью 10 МВт и могла обнаруживать самолеты над западной частью Советского Союза со своего места в Саффолке . Однако, когда в 1972 году началось тестирование системы, неожиданный источник шума сделал ее практически непригодной для использования. Источник шума так и не был установлен, и в 1973 году это место было заброшено. [32]
Другие ранние системы Великобритании и США той же эпохи включают:
Римская лаборатория ВВС США добилась первого полного успеха со своим AN/FPS-118 OTH-B . [35] Прототип с передатчиком мощностью 1 МВт и отдельным приемником был установлен в штате Мэн , обеспечивая покрытие в радиусе 60 градусов на расстоянии от 900 до 3300 километров (от 560 до 2050 миль). Затем был построен постоянный передающий комплекс на московской АФС , приемный комплекс на базе ВВС Колумбия-Фолс и оперативный центр между ними в Бангоре, штат Мэн . Зона покрытия может быть расширена за счет дополнительных приемников, обеспечивая полное покрытие по дуге в 180 градусов (каждая часть в 60 градусов известна как «сектор»).
GE Aerospace получила контракт на разработку, расширив существующую систему восточного побережья двумя дополнительными секторами, а также построив еще одну трехсекторную систему на западном побережье, двухсекторную систему на Аляске и односекторную систему, обращенную на юг. В 1992 году ВВС заключили контракт на расширение зоны действия на 15 градусов по часовой стрелке на южном из трех секторов восточного побережья, чтобы иметь возможность прикрывать юго-восточную границу США. Кроме того, дальность полета была увеличена до 3000 миль (4800 км) при пересечении экватора. Он работал 40 часов в неделю в случайное время. Данные радара были переданы в Центр C3I таможни и береговой охраны США в Майами; Оперативный центр Объединенной оперативной группы 4 , Ки-Уэст; Операционный центр Южного командования США , Ки-Уэст; и Южный командный оперативный центр США, Панама. [35]
Центральная радиолокационная система загоризонтного рассеяния
В то время как четыре запланированные системы OTH-B создадут зону наблюдения вокруг восточного, западного и южного периметра Северной Америки. Центральная радиолокационная система (CRS) была необходима для полного покрытия периметра южных подступов к Северной Америке. Также необходимо было охватить прибрежные районы океана, не охваченные системами OTH-B Восточного и Западного побережья. [36]
CRS будет состоять из четырех секторов, каждый из которых будет охватывать дугу 60 градусов, с общей дугой покрытия 240 градусов над западными, юго-западными, юго-восточными и восточными подходами к Северной Америке, включая Мексиканский залив, территорию Мексики. и Тихий океан к западу и югу от Мексики. CRS также будет охватывать прибрежные районы вдоль восточного и западного побережий Северной Америки, которые не охвачены ECRS и WCRS, поскольку система OTH-B работает только на расстоянии более 500 морских миль от приемных антенн. Таким образом, CRS завершит охват этих территорий, перекрывая зоны наблюдения ECRS и WCRS. [37]
С окончанием «холодной войны» влияния двух сенаторов от штата Мэн оказалось недостаточно для спасения операции, и Аляска и южные участки были отменены, два уже завершенных западных сектора и восточные были отключены и помещаются в «теплое хранилище», что позволяет при необходимости использовать их снова. [38] К 2002 году объекты западного побережья были переведены в статус «холодных хранилищ», а это означает, что смотритель выполнял лишь минимальное техническое обслуживание.
Было начато исследование возможности демонтажа объектов. После периода общественного мнения и экологических исследований в июле 2005 года боевое командование ВВС США опубликовало «Окончательную экологическую оценку удаления оборудования с загоризонтного радара обратного рассеяния - объекты на западном побережье». [39] Было принято окончательное решение удалить все радиолокационное оборудование с передатчика сектора западного побережья на базе ВВС Кристмас-Вэлли за пределами Кристмас-Вэлли, штат Орегон , и с приемной площадки возле Тулелейка, Калифорния . Эти работы были завершены к июлю 2007 года сносом и удалением антенных решеток, при этом здания, заборы и инженерная инфраструктура на каждом объекте остались нетронутыми. [40]
В 2018 году началась разработка высокочастотного тактического многоцелевого радара за горизонтом (TACMOR), технологического прототипа для расширения воздушной и морской осведомленности в западной части Тихого океана . [41] В 2022 году было согласовано строительство радиолокационной станции TACMOR на Палау , которая, как ожидается, будет введена в эксплуатацию в 2026 году. [42] [43]
ВМС США создали собственную систему AN/TPS-71 ROTHR ( Перемещаемый загоризонтный радар ), которая охватывает клиновидную зону под углом 64 градуса на дальностях от 500 до 1600 морских миль (от 925 до 3000 км). . Первоначально ROTHR предназначался для наблюдения за движением кораблей и самолетов над Тихим океаном и, таким образом, позволял скоординировать движения флота задолго до начала боя. В 1991 году прототип системы ROTHR был установлен на изолированном алеутском острове Амчитка , Аляска, для мониторинга восточного побережья России. Он использовался до 1993 года, а позже оборудование было вывезено на хранение. Первые производственные системы были установлены на испытательном полигоне в Вирджинии для приемочных испытаний, но затем были переведены на противодействие незаконной торговле наркотиками , охватывающей Центральную Америку и Карибский бассейн . Второй производственный ROTHR был позже создан в Техасе, охватывая многие из тех же районов Карибского бассейна, но также обеспечивая покрытие Тихого океана вплоть до юга Колумбии . Он также занимается борьбой с незаконным оборотом наркотиков. Третья и последняя производственная система была установлена в Пуэрто-Рико, расширив антинаркотический надзор за экватор и в глубь Южной Америки. [ нужна цитата ]
Другое распространенное применение загоризонтного радара использует поверхностные волны, также известные как земные волны. Земные волны обеспечивают метод распространения средневолнового AM-вещания на частотах ниже 1,6 МГц и других передач на более низких частотах. Распространение земной волны дает быстро затухающий сигнал на увеличении расстояния над землей, и многие такие радиовещательные станции имеют ограниченный радиус действия. Однако морская вода с ее высокой проводимостью поддерживает земные волны на расстояниях до 100 километров (62 миль) и более. Этот тип радара, OTH на поверхностных волнах, используется для наблюдения и чаще всего работает в диапазоне от 4 до 20 МГц. Более низкие частоты имеют лучшее распространение, но худшее отражение радаров от небольших целей, поэтому обычно существует оптимальная частота, которая зависит от типа цели.
Другой подход к загоризонтному радару заключается в использовании ползущих волн или электромагнитных поверхностных волн на гораздо более низких частотах. Ползучие волны — это рассеяние в задней части объекта из-за дифракции , которая, например, является причиной того, что оба уха могут слышать звук с одной стороны головы, и именно поэтому на ранних этапах развития связи и радиовещания. В роли радара рассматриваемые ползучие волны дифрагируют вокруг Земли, хотя обработка возвращенного сигнала затруднена. Разработка таких систем стала практичной в конце 1980-х годов из-за быстро растущей доступной вычислительной мощности. Такие системы известны как OTH-SW , что означает «Поверхностная волна» .
Первая развернутая система OTH-SW, судя по всему, была советской системой, предназначенной для наблюдения за движением в Японском море . Новая система недавно использовалась для наблюдения за прибрежными районами в Канаде и в настоящее время предлагается для продажи компанией Maerospace. [44] Австралия также развернула высокочастотный радар на поверхностных волнах. [45]
В 1997 году прототип системы JORN продемонстрировал способность обнаруживать и контролировать запуски ракет китайцами у берегов Тайваня и передавать эту информацию командующим ВМС США.
