Terrain-following radar (TFR) — это военная аэрокосмическая технология, которая позволяет очень низколетящему самолету автоматически поддерживать относительно постоянную высоту над уровнем земли и, следовательно, затруднять обнаружение радаром противника. Иногда это называют полетом с приземлением или приземлением . Термин «приземление на земле» также может применяться, но чаще используется в отношении низколетящих военных вертолетов , которые обычно не используют радар с приземлением. [1]
Системы TFR работают, сканируя луч радара вертикально перед самолетом и сравнивая дальность и угол отражений радара с предварительно вычисленной идеальной кривой маневрирования. Сравнивая расстояние между местностью и идеальной кривой, система вычисляет маневр, который заставит самолет пролететь над местностью на заранее выбранное расстояние, часто порядка 100 метров (330 футов). Использование TFR позволяет самолету автоматически следовать рельефу местности на очень низких высотах и высоких скоростях.
Радары, отслеживающие рельеф местности, отличаются от радаров , избегающих рельефа с похожим звучанием ; системы избегания рельефа сканируют горизонтально, чтобы создать отображение, похожее на карту, которое затем использует навигатор для построения маршрута, избегающего более высоких рельефных объектов. Эти два метода часто объединяются в одной радиолокационной системе: навигатор использует режим избегания рельефа местности, чтобы выбрать идеальный маршрут через более низкие рельефные объекты, такие как долины, а затем переключается в режим TFR, который затем пролетает над этим маршрутом на минимальной высоте.
Концепция была первоначально разработана в Корнеллской авиационной лаборатории в 1950-х годах. Впервые она была построена в серийном виде, начиная с 1959 года компанией Ferranti для использования с самолетом TSR-2 , впервые поднявшись на испытательном стенде English Electric Canberra в 1962 году. [2] [3] Хотя проект TSR-2 был в конечном итоге заброшен, концепция широко использовалась в 1960-х и 70-х годах в ударных самолетах и истребителях-перехватчиках , включая General Dynamics F-111 , Panavia Tornado и Sukhoi Su-24 «Fencer». Более широкое внедрение технологий малозаметных самолетов в 1990-х годах привело к сокращению полетов на малых высотах как решения проблемы избегания зенитного оружия , и эта техника больше не является распространенной. Большинство самолетов этого класса с тех пор были сняты с вооружения, хотя Su-24 и Tornado по-прежнему используются в некоторых количествах.
Система работает, передавая радиолокационный сигнал карандашного луча в направлении области земли перед самолетом, в то время как радар сканирует вверх и вниз. [4] Сигнал посылается в виде серии коротких импульсов, и отражения этих импульсов от земли производят очень мощные возвратные сигналы. Время, необходимое импульсу для перемещения к местности и от нее, дает измерение дальности до местности перед самолетом. [5] Угол относительно самолета возвращается датчиком на вертикальном карданном подвесе, который возвращает калиброванное напряжение. [6]
В то же время, когда радар посылает импульсы, генератор функций вырабатывает изменяющееся напряжение, представляющее собой предпочтительную кривую маневрирования. По форме она похожа на трамплин для прыжков с трамплина , плоский под самолетом, а затем изгибающийся вверх перед ним. Кривая представляет собой путь, по которому самолет летел бы, если бы он маневрировал с постоянной силой перегрузки , в то время как плоская область под самолетом простирается вперед на небольшое расстояние, представляя расстояние, которое самолет проходит по прямой линии до начала этого маневра из-за запаздывания управления. Результирующая составная кривая смещается на выбранное пилотом желаемое расстояние зазора. [6]
Синхронизация импульсов намного быстрее, чем вертикальное сканирование, поэтому для любого импульса угол фиксируется. Когда посылается импульс, запускается генератор функций. Когда наблюдается возврат, система суммирует выходной сигнал генератора в этот момент с выходным сигналом датчика угла на радаре. Результирующее напряжение представляет собой угол между фактическим и предпочтительным местоположением. Если напряжение положительное, это означает, что местность лежит выше кривой, отрицательное — ниже. [7] Эта разница известна как угловая ошибка .
Для управления самолетом серия этих измерений выполняется в течение периода одного полного вертикального сканирования на некоторое максимальное расстояние порядка 10 километров (6,2 мили). Записывается максимальное положительное или минимальное отрицательное значение угловой ошибки во время сканирования. Это напряжение является представлением изменения угла тангажа, с которым самолет должен лететь, чтобы удерживать себя на желаемой высоте просвета над местностью, маневрируя при выбранном коэффициенте нагрузки. [6] Это может быть введено в автопилот или отображено на дисплее пилота на лобовом стекле . Этот процесс создает непрерывно вычисляемый путь, который поднимается и опускается над местностью с постоянной маневренной нагрузкой. [5]
Одна из проблем этого простого алгоритма заключается в том, что рассчитанный путь будет поддерживать самолет в положительном тангаже при приближении к вершине холма. Это приводит к тому, что самолет пролетает над вершиной, все еще поднимаясь, и проходит некоторое время, прежде чем он снова начинает снижаться в долину за ней. Этот эффект был известен как «раздувание». Чтобы решить эту проблему, в реальных единицах измерения был применен дополнительный термин, который заставлял самолет подниматься быстрее при больших смещениях. Это приводило к тому, что самолет достигал желаемой высоты зазора раньше, чем обычно, и, таким образом, выравнивался до достижения вершины. [7]
Поскольку радар видит только объекты в пределах прямой видимости, он не может видеть холмы за другими холмами. Чтобы предотвратить ныряние самолета в долину только для того, чтобы потребовалось резкое подтягивание, отрицательный предел G был, как правило, низким, порядка половины G. Системы также имели проблемы над водой, где луч радара имел тенденцию рассеиваться вперед и возвращал мало сигнала на самолет, за исключением сильных волнений на море . В таких условиях система возвращалась к постоянному клиренсу с использованием радиовысотомера . [ 7]
Избегание рельефа обычно работает относительно; то есть абсолютные высоты объектов не важны. В некоторых случаях желательно предоставить абсолютное число, чтобы указать величину просвета или его отсутствие. Высота вершины любого конкретного объекта относительно самолета затем может быть рассчитана через h = H - R sin φ , где H - высота над землей, измеренная радиовысотомером, φ - угол, а R - дальность, измеренная радаром, причем h - результирующая высота объекта над текущей траекторией полета. [8] Тогда просвет между самолетом и местностью равен H - h . [9]
Концепция TFR берет свое начало в исследованиях, проведенных в Корнеллской авиационной лаборатории для отдела авиационных систем ВВС США . [7] Это привело к разработке системы, известной как «Autoflite». [10]
Ранние радары, установленные на самолетах, использовали конические сканирующие системы с шириной луча порядка четырех градусов. Когда луч достигает земли, часть сигнала рассеивается обратно к самолету, позволяя ему измерять расстояние до земли перед ним. При взгляде вниз под углом ближняя и дальняя стороны кругового луча радара растягивались в эллипс на земле. Возврат от этой модели создавал «отметку», которая была аналогично растянута на дисплее радара и недостаточно точна для избегания рельефа местности. [9] Однако она была достаточно точна, чтобы создавать низкоразрешающее отображение карты земли под самолетом, что привело к разработке радара H2S во время войны . [11]
Чтобы обеспечить точность, необходимую для отслеживания рельефа местности, системы TFR должны быть основаны на концепции моноимпульсного радара . Метод моноимпульса создает луч той же ширины, что и традиционная конструкция, но добавляет дополнительную информацию в радиосигнал, часто используя поляризацию , что приводит к двум отдельным сигналам, отправляемым в немного разных направлениях, перекрываясь в центре. Когда сигналы принимаются, приемник использует эту дополнительную информацию, чтобы снова разделить сигналы. Когда эти сигналы ориентированы вертикально, сигнал от нижнего луча попадает на землю ближе к самолету, создавая размазанную точку, как в случае с более ранними радарами, в то время как верхний луч создает похожую точку, но расположенную на немного большем расстоянии. Две точки перекрываются, создавая вытянутый эллипс. [12]
Ключевой особенностью моноимпульсной техники является то, что сигналы накладываются очень специфическим образом; если инвертировать один из сигналов, а затем суммировать их, результатом будет выходное напряжение, которое выглядит как синусоида . Точная середина луча находится там, где напряжение пересекает ноль. Это приводит к измерению, которое точно совпадает со средней линией сигнала и легко идентифицируется с помощью простой электроники. Затем диапазон можно точно определить, засекая точный момент, когда происходит переход через ноль. Обычно достигается точность порядка метра для измерений объектов, находящихся на расстоянии в километры. [9]
Отчеты Корнелла были подхвачены в Великобритании, где они легли в основу новой концепции нового ударного самолета , который в конечном итоге появился как BAC TSR-2 . Проект TSR-2 был официально начат с выпуском GOR.339 в 1955 году и быстро остановился на использовании TFR для обеспечения требуемых низкоуровневых характеристик. Королевское авиационное учреждение построило симулятор системы, используя дискретную электронику, которая заполнила комнату. [7]
В этот же период Королевские ВВС представили свой новейший самолет-перехватчик , English Electric Lightning . Lightning был оснащен первым в мире бортовым моноимпульсным радаром, системой AIRPASS, разработанной Ferranti в Эдинбурге . В случае Lightning моноимпульсный сигнал использовался для точного измерения горизонтального угла, чтобы позволить компьютеру AIRPASS построить эффективный курс перехвата на большом расстоянии. Для использования TFR все, что нужно было изменить, это то, что антенна будет вращаться так, чтобы она измеряла вертикальный угол вместо горизонтального. [12]
Неудивительно, что Ferranti выиграл контракт на радарный компонент где-то в 1957 или 58 году. [13] Вскоре после начала проекта, в 1959 году, руководитель проекта Гас Скотт уехал в Hughes Microcircuits в соседнем Гленротесе , и команду взяли на себя Грег Стюарт и Дик Старлинг. Первоначальная система была построена из излишков AI.23B AIRPASS, [14] и могла быть установлена на прицепе и буксируема Land Rover для тестирования. [15] Существенной проблемой является то, что количество возвращаемого сигнала сильно варьируется в зависимости от рельефа местности; вертикальные стены здания создают частичный угловой куб , который возвращает сигнал, который примерно в 10 миллионов раз сильнее сигнала от песка или сухой земли. Для работы с быстро меняющимися сигналами была разработана автоматическая регулировка усиления с диапазоном 100 дБ. [9]
Ширина луча радара была достаточно мала, чтобы объекты по обе стороны от траектории полета самолета могли представлять потенциальную опасность, если самолет унесло вбок или он начал разворот близко к объекту. Чтобы избежать этого, радар сканировал по О-образной схеме, сканируя вертикально от 8 градусов над траекторией полета до 12 градусов под ней, при этом перемещаясь на несколько градусов влево и вправо от траектории полета. [12] Кроме того, система считывала скорости поворота с приборов и перемещала схему сканирования дальше влево или вправо, чтобы измерить рельеф местности, где самолет будет находиться в будущем. [9]
Испытания системы проводились с использованием существующего DC-3 Dakota компании Ferranti Test Flight и, начиная с зимы 1961/62 года, English Electric Canberra . Испытательный самолет оснащался камерами, направленными в разные стороны, в том числе камерами, направленными на приборы самолета и дисплеи радаров. Это позволило провести тщательное обследование системы на земле после полета. Каждый полет возвращал данные для полетов протяженностью около 100 миль, и было выполнено более 250 таких полетов. Ранние испытания показали случайный шум в измерениях, который делал измерения бесполезными. В конечном итоге это было связано с автоматической регулировкой усиления, использующей очень высокий коэффициент усиления в верхней части схемы сканирования, где местность обычно находилась на больших расстояниях и требовала наибольшего усиления. Это имело побочный эффект в виде создания ложных отражений в боковых лепестках антенны , которые усиливались до точки, вызывающей помехи. Проблема была решена путем перехода от О-образной схемы к U-образной, и увеличения усиления только при сканировании вверх, чтобы предотвратить его повторную настройку на высокое усиление при движении вниз и, таким образом, избежать появления низкорасположенных рельефов в боковых лепестках с высоким усилением. [6]
Достижения в области электроники в ходе разработки позволили сделать оригинальную электронику на электронных лампах более транзисторной , что позволило создать гораздо меньшую систему в целом. [12] [a] По мере дальнейшего развития системы ее переместили на Blackburn Buccaneer для более скоростных испытаний. Испытания проводились в RAF Turnhouse в аэропорту Эдинбурга , недалеко от места разработки радара Ferranti в городе. [9]
Во время испытаний радар не был подключен к системе автопилота самолета, и все управление было ручным. Кривая была выбрана для создания максимальной нагрузки в половину G. [b] Путь полета был указан точкой на дисплее AIRPASS . Пилот следовал вычисленному пути, наклоняя самолет до тех пор, пока индикатор вектора скорости самолета, небольшое кольцо, не оказался в центре точки. В ходе испытаний пилоты очень быстро стали уверены в системе и с удовольствием летали на ней при минимальной настройке зазора даже в плохую погоду. [9]
По мере того, как пилоты знакомились с системой, инженеры постоянно уменьшали выбранный зазор вниз, пока система не продемонстрировала свою способность безопасно и плавно работать при среднем зазоре всего в 30 метров (98 футов). Это было проверено на пересеченной местности, включая горные хребты, слепые долины и даже скальные обрывы. Также было обнаружено, что она способна управлять искусственными объектами, такими как телевизионные антенны в Кэрн-О'Маунт и передающая станция Кирк-о'Шоттс , мосты через реку Форт и воздушные линии электропередач . [5]
Несмотря на раннее начало работы Корнелла, по причинам, которые не были хорошо зафиксированы, дальнейшее развитие в США на некоторое время прекратилось с концепцией в полузавершенном виде. Это резко изменилось после инцидента с U-2 в 1960 году , что привело к быстрому переходу от высотного полета над СССР к низковысотному подходу «проникающего» [10] . В краткосрочной перспективе было введено несколько радаров избегания рельефа местности для различных самолетов. Первым настоящим TFR в США был Texas Instruments AN/APQ-101, который вывел компанию в лидеры рынка TFR на многие годы. В начале 1960-х годов они разработали системы TFR для версии RF-4C самолета Phantom II , армейского Grumman OV-1 Mohawk и усовершенствованную систему AN/APQ-110 для самолета General Dynamics F-111 [16] .
По разным причинам проект TSR-2 был отменен в 1965 году в пользу покупки F-111, платформы схожей концепции, основанной на схожем радаре. В отличие от конструкции Ферранти, APQ-110 предлагал несколько дополнительных элементов управления, включая настройку качества езды для «жесткого», «мягкого» и «среднего», которая изменяла силу G расчетного профиля спуска кривой с 0,25 до 1 G, при этом всегда допуская максимальный подтягивающий момент 3 G. Он также включал второй набор электроники для обеспечения горячего резервирования в случае отказа основного блока и отказоустойчивые режимы, которые выполняли подтягивающий момент 3 G в случае различных сбоев системы.
В конечном итоге F-111 столкнулся с задержками и перерасходом средств, как и TSR-2. После изучения нескольких концепций, RAF в конечном итоге решили использовать Buccaneer. Хотя эта платформа была тщательно протестирована с радаром Ferranti, эта потенциальная модернизация не была выбрана для обслуживания. Недовольство таким положением дел привело RAF к началу обсуждений с французскими коллегами и появлению BAC /Dassault AFVG , самолета, очень похожего на F-111. После успешных первоначальных переговоров Великобритания отказалась от своих вариантов по F-111K. Вскоре после этого Марсель Дассо начал активно подрывать проект, от которого французы в конечном итоге отказались в 1967 году. [17]
В следующем году правительство Великобритании начало переговоры с более широким кругом стран, что в конечном итоге привело к Panavia Tornado . Texas Instruments использовала свой опыт работы с F-111 TFR, чтобы выиграть контракт на радар для Tornado IDS.
Terrain follow radar в основном используется военными ударными самолетами для обеспечения полета на очень малых высотах (иногда ниже 100 футов/30 метров) и высоких скоростях. Поскольку для обнаружения радаров противника и перехвата зенитными системами требуется прямая видимость цели, полет на небольшой высоте и на высокой скорости сокращает время, в течение которого самолет уязвим для обнаружения, до минимума, скрывая самолет за рельефом местности, насколько это возможно. Это известно как маскировка рельефа местности .
Однако, радиолокационные излучения могут быть обнаружены вражескими системами ПВО с относительной легкостью, если нет прикрывающей местности, что позволяет нацелить самолет. Использование радара слежения за рельефом местности, таким образом, является компромиссом между повышенной выживаемостью из-за маскировки рельефа и легкостью, с которой самолет может быть нацелен, если он замечен.
Даже автоматизированная система имеет ограничения, и все самолеты с радаром, отслеживающим рельеф местности, имеют ограничения по тому, как низко и быстро они могут летать. Такие факторы, как время отклика системы, ограничения по перегрузкам самолета и погода, могут ограничивать самолет. Поскольку радар не может определить, что находится за пределами непосредственной местности, траектория полета может также страдать от «раздувания» над острыми хребтами рельефа, где высота становится неоправданно большой. Кроме того, препятствия, такие как радиоантенны и опоры линий электропередач, могут быть обнаружены радаром поздно и представлять опасность столкновения.
На самолетах с более чем одним экипажем радар обычно используется штурманом, и это позволяет пилоту сосредоточиться на других аспектах полета, помимо чрезвычайно интенсивной задачи полета на малой высоте. Большинство самолетов также позволяют пилоту выбирать «жесткость» полета с помощью переключателя в кабине, чтобы выбирать между тем, насколько близко самолет пытается держаться к земле, и силами, прикладываемыми к пилоту.
Некоторые самолеты, такие как Tornado IDS, имеют два отдельных радара, причем меньший используется для отслеживания рельефа местности. Однако более современные самолеты, такие как Rafale с фазированными радарами, имеют одну антенну, которую можно использовать для обзора вперед и на землю, управляя лучами с помощью электроники.
Радар слежения за рельефом местности иногда используется гражданскими самолетами, которые составляют карту местности и хотят поддерживать постоянную высоту над ней.
Военные вертолеты также могут иметь радар слежения за рельефом местности. Благодаря более низкой скорости и высокой маневренности вертолеты обычно способны летать ниже, чем самолеты с фиксированным крылом.
Теперь доступны системы, которые крепятся к коммерческим БПЛА, позволяя перевозить георадар или датчики магнитометрии для подповерхностного обследования. Это используется для поиска неразорвавшихся боеприпасов и в археологии. [18]
Альтернатив использованию радара слежения за рельефом местности для высокоскоростного полета на малой высоте очень мало. TERPROM , система навигации с привязкой к рельефу местности, обеспечивает ограниченную, но пассивную функциональность слежения за рельефом местности.