Загоризонтный радар ( OTH ), иногда называемый радаром за горизонтом ( BTH ), представляет собой тип радиолокационной системы с возможностью обнаружения целей на очень больших расстояниях, как правило, от сотен до тысяч километров, за пределами радиолокационного горизонта , что является пределом расстояния для обычного радара. Несколько систем OTH-радалов были развернуты, начиная с 1950-х и 1960-х годов как часть систем раннего предупреждения , но воздушные системы раннего предупреждения, как правило, заменили их. Радары OTH в последнее время возвращаются, поскольку необходимость в точном отслеживании на большом расстоянии стала менее важной после окончания Холодной войны , и менее дорогие наземные радары снова рассматриваются для таких ролей, как морская разведка и борьба с наркотиками.
Частота радиоволн, используемых большинством радаров, в виде микроволн , распространяется по прямым линиям. Это обычно ограничивает дальность обнаружения радиолокационных систем объектами на их горизонте (обычно называемом «линией прямой видимости», поскольку самолет должен быть, по крайней мере, теоретически видим для человека в месте и на высоте передатчика радара) из-за кривизны Земли. Например, радар, установленный на вершине мачты высотой 10 м (33 фута), имеет дальность до горизонта около 13 километров (8,1 мили), учитывая эффекты 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; но, в целом, нецелесообразно строить радиолокационные системы с дальностью прямой видимости более нескольких сотен километров. [1]
Радары OTH используют различные методы, чтобы видеть за пределами этого предела. Наиболее часто используются два метода: коротковолновые системы, которые преломляют свои сигналы от ионосферы для очень дальнего обнаружения, [1] и системы поверхностных волн , которые используют низкочастотные радиоволны [2] , которые из-за дифракции следуют за кривизной Земли, чтобы достичь горизонта. Эти системы достигают дальности обнаружения порядка ста километров от небольших обычных радарных установок. Они могут сканировать ряд высоких частот, используя чирп-передатчик .
Наиболее распространенный тип OTH-радара использует распространение на небесной волне или «пропускание», при котором короткие радиоволны преломляются от ионизированного слоя в атмосфере, ионосфере , и возвращаются на Землю на некотором расстоянии. Небольшое количество этого сигнала будет рассеиваться от желаемых целей обратно к небу, снова преломляться от ионосферы и возвращаться к приемной антенне тем же путем. Только один диапазон частот регулярно демонстрирует такое поведение: высокочастотная (HF) или коротковолновая часть спектра от 3 до 30 МГц. Лучшая частота для использования зависит от состояния атмосферы и цикла солнечных пятен . По этим причинам системы, использующие небесные волны , обычно используют мониторинг в реальном времени приема отраженных сигналов для непрерывной регулировки частоты передаваемого сигнала. [1]
Разрешение любого радара зависит от ширины луча и дальности до цели. Например, радар с шириной луча в 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 самых распространенных частотах требуется антенна шириной 1,5 км (0,93 мили). Из-за физики процесса рефракции фактическая точность еще ниже, при этом предлагается разрешение по дальности порядка 20–40 км (12–25 миль) и точность пеленга от 2 до 4 км (1,2–2,5 мили). Даже точность в 2 км полезна только для раннего оповещения, а не для стрельбы из оружия. [1]
Другая проблема заключается в том, что процесс рефракции сильно зависит от угла между сигналом и ионосферой и обычно ограничен примерно 2–4 градусами от местного горизонта. Создание луча под таким углом обычно требует огромных антенных решеток и высокоотражающей поверхности вдоль пути, по которому посылается сигнал, часто улучшенной установкой проволочных сетчатых матов, простирающихся до 3 километров (1,9 мили) перед антенной. [1] Таким образом, системы OTH очень дороги в строительстве и по сути неподвижны.
Учитывая потери при каждой рефракции, этот сигнал «обратного рассеяния» чрезвычайно мал, что является одной из причин, по которой 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 для различения целей от фонового шума. Самый простой способ сделать это — использовать эффект Доплера , который использует сдвиг частоты, создаваемый движущимися объектами, для измерения их скорости. Отфильтровывая весь сигнал обратного рассеяния, близкий к исходной переданной частоте, движущиеся цели становятся видимыми. С помощью этого процесса можно увидеть даже небольшое движение, при скорости 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 схожих эффектов, вызванных движением ионосферы. Большинство систем использовали второй передатчик, передающий сигналы непосредственно в ионосферу, чтобы измерять ее движение и корректировать возвраты основного радара в реальном времени. Для этого требовалось 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 радаров OTH использует гораздо более низкие частоты, в длинноволновых диапазонах. Радиоволны на этих частотах могут дифрагировать вокруг препятствий и следовать за изгибающимся контуром Земли, перемещаясь за горизонт. Эхо, отраженное от цели, возвращается к местоположению передатчика по тому же пути. Эти земные волны имеют самый большой радиус действия над морем. Как и в случае с ионосферными высокочастотными системами, принимаемый сигнал от этих систем земных волн очень слабый 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 с 1990-х годов.
Помехи от радаров 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 космическими погодными явлениями. Это явление особенно заметно вблизи геомагнитных полюсов , где воздействие солнечного ветра на магнитосферу Земли создает конвекционные модели в ионосферной плазме . [3]
Известно, что инженеры в Советском Союзе разработали то, что, по-видимому, является первой действующей системой OTH в 1949 году, названной «Veyer». Однако в западных источниках мало информации об этой системе, и нет никаких подробностей о ее работе. Известно, что никаких дальнейших исследований советскими командами не проводилось до 1960-х и 1970-х годов. [5]
Большая часть ранних исследований эффективных систем OTH была проведена под руководством доктора Уильяма Дж. Талера в Военно-морской исследовательской лаборатории США (NRL). Работа была названа «Проект Типи» (от «Проект Талера»). Их первая экспериментальная система, MUSIC ( Multiple Storage, Integration, and Correlation ), была введена в эксплуатацию в 1955 году и была способна обнаруживать 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 действующего радара, была построена в 1961 году как MADRE ( Magnetic-Drum Radar Equipment ) в Чесапикском заливе . Она обнаруживала самолеты на расстоянии до 3000 километров (1900 миль), используя всего лишь 50 кВт энергии вещания. [5] [N 1]
Как следует из названий, обе системы NRL полагались на сравнение возвращенных сигналов, хранящихся на магнитных барабанах . В попытке удалить помехи с дисплеев радаров многие поздневоенные и послевоенные радарные системы добавляли акустическую линию задержки , которая сохраняла принятый сигнал ровно столько времени, сколько требовалось для поступления следующего импульса сигнала. Добавляя вновь поступивший сигнал к инвертированной версии сигналов, хранящихся в линии задержки, выходной сигнал включал только изменения от одного импульса к другому. Это удаляло любые статические отражения, такие как близлежащие холмы или другие объекты, оставляя только движущиеся объекты, такие как самолеты. Эта базовая концепция также работала бы для радаров дальнего действия, но имела проблему, заключающуюся в том, что линия задержки должна быть механически подобрана под частоту повторения импульсов радара, или PRF. Для использования на больших расстояниях PRF была очень длинной для начала и намеренно изменялась, чтобы в поле зрения попадали разные диапазоны. Для этой роли линия задержки не использовалась, а недавно представленный магнитный барабан обеспечивал удобную и легко управляемую систему переменной задержки.
Еще одна ранняя коротковолновая система OTH была построена в Австралии в начале 1960-х годов. Она состояла из нескольких антенн, расположенных на расстоянии четырех длин волн друг от друга, что позволяло системе использовать фазовое формирование луча 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 Jindalee, разработанная Министерством обороны Австралии в 1998 году и завершенная в 2000 году. Она эксплуатируется подразделением радиолокационного наблюдения № 1 Королевских австралийских военно-воздушных сил . Jindalee — это мультистатическая радиолокационная система (множественный приемник), использующая OTH-B, что позволяет ей иметь как большую дальность, так и возможности противодействия скрытности . Официальная дальность ее действия составляет 3000 километров (1900 миль), но в 1997 году прототип смог обнаружить запуски ракет Китаем [ 7] на расстоянии более 5500 километров (3400 миль).
Jindalee использует 560 кВт по сравнению с 1 МВт американской OTH-B, но при этом обеспечивает гораздо большую дальность связи, чем американская система 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 выходит за пределы прямой видимости обычных радаров. [9]
Канада изучает возможность использования высокочастотного поверхностно-волнового радара (HFSWR) для наблюдения за 200-мильной исключительной экономической зоной (ИЭЗ) уже более 30 лет. Исследования были начаты в 1984 году с повторного использования выведенного из эксплуатации навигационного маяка LORAN-A 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] В 2000 году объекты прошли технологическую оценку, а в 2002 году были модернизированы и прошли эксплуатационную оценку. [12] Ниже приводится цитата из оперативной оценки (OPEVAL) за октябрь 2002 года, проведенной канадским Министерством национальной обороны: [13] «HFSWR является полезным дополнением к распознанной морской картине (RMP). Из всех оцененных источников данных это был единственный датчик, предлагающий обновления информации в режиме, близком к реальному времени. Он обеспечивал частые отчеты и в целом демонстрировал надежное отслеживание надводных целей в своей зоне покрытия. 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, стало очевидно, что RMP выиграет от добавления HFSWR в качестве нового источника данных». Международные продажи радара SWR503 последовали за эксплуатационными системами, установленными в Азии (2008) и Европе (2009). [14] В 2007 году работа канадских систем была остановлена из-за опасений по поводу потенциального создания вредных помех для основных пользователей 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 (3rd Gen), основанной на принципе технологии распознавания и адаптации, которая позволяла работать на нераспределенной основе без помех с помощью динамического управления спектром. Дополнительные разработки включали улучшенные характеристики дальности, лучшую точность позиционирования и сокращение ложных треков и более раннее начало трека. [16] В июне 2019 года MAEROSPACE получила глобальную лицензию на проектирование, 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 сигналов с этих радаров создает много помех для других международных лицензированных пользователей. [19] [20]
Один из комплектов китайских радаров OTH-B можно найти на Картах Google по передатчику и приемнику.
Франция разработала радар OTH под названием NOSTRADAMUS в 1990-х годах [21] (NOSTRADAMUS означает New Transhorizon Decametric System Applying Studio Methods (фр. nouveau système transhorizon décamétrique appliquant les méthodes utilisées en studio )). В марте 1999 года сообщалось, что радар OTH NOSTRADAMUS обнаружил два Northrop B-2 Spirit, летевших в Косово. Он поступил на вооружение французской армии в 2005 году и все еще находится в стадии разработки. Он основан на звездообразном антенном поле, используемом для излучения и приема (моностатическом), и может обнаруживать самолеты на расстоянии более 3000 километров (1900 миль) в дуге 360 градусов. Используемый диапазон частот составляет от 6 до 30 МГц.
Официально запущенный в 2009 году, французский исследовательский проект STRADIVARIUS разработал новый загоризонтный радар (High Frequency Surface Wave Radar – HFSWR), способный контролировать морское движение на расстоянии до 200 морских миль (370 км; 230 миль) от берега. Демонстрационный участок [22] работает с января 2015 года на французском побережье Средиземного моря для демонстрации круглосуточных возможностей системы, которая теперь предлагается для продажи компанией DIGINEXT.
Индия разработала множество радаров дальнего и ближнего действия. Хотя в настоящее время у нее нет действующего загоризонтного радара, индийский радар дальнего слежения Swordfish , часть индийской системы противоракетной обороны , имеет максимальную дальность 800 километров (500 миль) и в настоящее время модернизируется до 1500 километров (930 миль). [23] [24]
LRDE DRDO работает над прототипом OTH - радара. Проектирование системы уже завершено, и прототип OTH, как ожидается, будет реализован к концу 2021 года. Прототип будет иметь два различных типа решеток и сам будет определять наилучшую частоту для отслеживания объектов. После успешных испытаний существующей системы Индия, как ожидается, разработает большой OTH-радар на основе той же конструкции. [25] [26]
Иран работает над внеполосным радаром под названием Sepehr , с заявленной дальностью действия 3000 километров (1900 миль). [27] В настоящее время он находится в рабочем состоянии. [28]
Начиная с 1950-х годов Советский Союз также изучал системы OTH. Первой экспериментальной моделью, по-видимому, был Veyer ( Hand Fan), который был построен в 1949 году. Следующим серьезным советским проектом была Duga , построенная недалеко от Николаева на побережье Черного моря недалеко от Одессы . Направленная на восток, Duga впервые была запущена 7 ноября 1971 года и успешно использовалась для отслеживания запусков ракет с Дальнего Востока и Тихого океана на испытательный полигон 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 направлена на север и охватывала континентальную часть Соединенных Штатов. [ необходима цитата ] Ее громкие и повторяющиеся импульсы в середине коротковолновых радиодиапазонов привели к тому, что радиолюбители прозвали ее «Русским Дятлом» . Советский Союз в конечном итоге изменил используемые ими частоты, даже не признавая, что они были источником, в основном из-за ее помех определенным дальним радиосвязям «воздух-земля», используемым коммерческими авиалайнерами. [ необходима цитата ] Вторая система была установлена около Комсомольска-на-Амуре на Дальнем Востоке России, также охватывая континентальную часть Соединенных Штатов и Аляску. [ необходима цитата ]
В начале 2014 года Россия анонсировала новую систему под названием «Контейнер» , которая должна была преодолеть расстояние более 3000 км. [29]
«Подсолнух» [30] — прибрежно-горизонтная коротковолновая станция радиолокационной станции ближнего действия. Предназначена для обнаружения надводных и воздушных целей на расстоянии до 450 километров (280 миль). Предназначена для использования в прибрежных системах управления надводными и воздушными целями в пределах 200-мильной (320 км) экономической зоны. [31] «Подсолнух» позволяет операторам в автоматическом режиме одновременно обнаруживать, сопровождать и классифицировать до 300 морских и 100 воздушных объектов за радиогоризонтом, выдавать их координаты системам целеуказания и вооружению кораблей и систем ПВО. В 2008 году РЛС прошла государственные испытания. Несут боевое дежурство три станции: в Охотском , Японском и Каспийском морях .
Первой по-настоящему действующей разработкой была 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 западным Советским Союзом со своего местоположения в Саффолке . Однако, когда в 1972 году началось тестирование системы, неожиданный источник шума сделал ее в значительной степени непригодной для использования. Источник шума так и не был идентифицирован, и объект был заброшен в 1973 году. [32]
Другие ранние британско-американские системы той же эпохи включают:
Лаборатория ВВС США в Риме добилась первого полного успеха с их AN/FPS-118 OTH-B . [35] Прототип с передатчиком мощностью 1 МВт и отдельным приемником был установлен в штате Мэн , обеспечивая покрытие в 60-градусной дуге на расстоянии от 900 до 3300 километров (от 560 до 2050 миль). Затем была построена постоянная передающая установка в Московской AFS , приемная установка на станции ВВС Колумбия-Фолс и оперативный центр между ними в Бангоре, штат Мэн . Покрытие можно было расширить с помощью дополнительных приемников, обеспечив полное покрытие в 180-градусной дуге (каждая 60-градусная часть 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 покрытия на 15 градусов по часовой стрелке на южном из трех секторов восточного побережья, чтобы иметь возможность покрывать юго-восточную границу США. Кроме того, дальность была увеличена до 3000 миль (4800 км), пересекая экватор. Это работало 40 часов в неделю в случайное время. Данные радара передавались в Центр C3I таможни/береговой охраны США, Майами; Операционный центр Объединенной оперативной группы 4 , Ки-Уэст; Операционный центр Южного командования США , Ки-Уэст; и Операционный центр Южного командования США, Панама. [35]
Центральная система загоризонтного радиолокационного рассеяния
В то время как четыре запланированные системы OTH-B должны были установить зону наблюдения вокруг восточного, западного и южного периметров Северной Америки. Центральная радиолокационная система (CRS) была необходима для завершения периметрального покрытия южных подходов к Северной Америке. Она также была необходима для покрытия прибрежных океанских зон, не охваченных системами OTH-B Восточного и Западного побережья. [36]
CRS будет состоять из четырех секторов, каждый из которых будет охватывать дугу в 60 градусов, для общей дуги покрытия в 240 градусов над западными, юго-западными, юго-восточными и восточным подходами к Северной Америке, включая Мексиканский залив, сухопутную территорию Мексики и Тихий океан к западу и югу от Мексики. CRS также будет охватывать прибрежные районы вдоль восточного и западного побережья Северной Америки, которые не охватываются ECRS и WCRS, поскольку система OTH-B функционирует только на расстоянии более 500 морских миль от приемных антенн. Таким образом, CRS будет полностью охватывать эти районы, перекрывая зоны наблюдения ECRS и WCRS. [37]
С окончанием Холодной войны влияние двух сенаторов от Мэна оказалось недостаточным для спасения операции, и участки на Аляске и южной стороне были отменены, два уже завершенных западных сектора и восточный были отключены и помещены в «теплое хранилище», что позволяло использовать их снова при необходимости. [38] К 2002 году объекты на западном побережье были понижены до статуса «холодного хранилища», что означало, что смотрителем выполнялось лишь минимальное техническое обслуживание.
Было начато исследование возможности удаления объектов. После периода общественного обсуждения и экологических исследований в июле 2005 года командование ВВС США опубликовало «Окончательную оценку воздействия на окружающую среду для удаления оборудования с радара обратного рассеяния за горизонтом — объекты на западном побережье». [39] Было принято окончательное решение удалить все радиолокационное оборудование с передающей площадки сектора западного побережья на станции ВВС Кристмас-Вэлли за пределами Кристмас-Вэлли, штат Орегон , и с ее приемной площадки около Тулелейка, штат Калифорния . Эта работа была завершена к июлю 2007 года сносом и удалением антенных решеток, оставив здания, заборы и коммунальную инфраструктуру на каждой площадке нетронутыми. [40]
В 2018 году началась разработка высокочастотного тактического многоцелевого загоризонтного радара (TACMOR), технологического прототипа для расширения воздушной и морской осведомленности над западной частью Тихого океана . [41] В 2022 году было согласовано строительство радиолокационной станции TACMOR в Палау , которая, как ожидается, будет введена в эксплуатацию в 2026 году. [42] [43]
Военно-морские силы США создали собственную систему, AN/TPS-71 ROTHR ( перемещаемый загоризонтный радар ), которая охватывает клиновидную область в 64 градуса на расстоянии от 500 до 1600 морских миль (от 925 до 3000 км). Первоначально ROTHR предназначалась для мониторинга движения кораблей и самолетов над Тихим океаном, что позволяло координировать движения флота задолго до начала боевых действий. В 1991 году прототип системы ROTHR был установлен на изолированном Алеутском острове Амчитка , Аляска, для мониторинга восточного побережья России. Она оставалась в эксплуатации до 1993 года, а затем оборудование было перемещено на хранение. Первые серийные системы были установлены на испытательном полигоне в Вирджинии для приемочных испытаний, но затем были переведены на противодействие незаконной торговле наркотиками , охватывая Центральную Америку и Карибский бассейн . Вторая производственная система ROTHR была позже установлена в Техасе, охватывая многие из тех же областей в Карибском море, но также обеспечивая покрытие над Тихим океаном на юг до Колумбии . Она также работает в роли борьбы с незаконным оборотом наркотиков. Третья и последняя производственная система была установлена в Пуэрто-Рико, расширяя антинаркотическое наблюдение за экватором, вглубь Южной Америки. [ необходима цитата ]
Другое распространенное применение загоризонтного радара использует поверхностные волны, также известные как земные волны. Земные волны обеспечивают метод распространения для средневолнового AM-вещания ниже 1,6 МГц и других передач на более низких частотах. Распространение земных волн дает быстро затухающий сигнал на увеличивающихся расстояниях над землей, и многие такие вещательные станции имеют ограниченный диапазон. Однако морская вода с ее высокой проводимостью поддерживает земные волны на расстоянии 100 километров (62 мили) и более. Этот тип радара, поверхностные волны OTH, используется для наблюдения и чаще всего работает в диапазоне от 4 до 20 МГц. Более низкие частоты имеют лучшее распространение, но худшее отражение радара от небольших целей, поэтому обычно существует оптимальная частота, которая зависит от типа цели.
Другой подход к загоризонтному радару заключается в использовании ползучих волн или электромагнитных поверхностных волн на гораздо более низких частотах. Ползучие волны — это рассеивание в задней части объекта из-за дифракции , что является причиной того, что оба уха могут слышать звук с одной стороны головы, например, и было тем, как была достигнута ранняя связь и вещательное радио. В роли радара ползучие волны, о которых идет речь, 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 Surface Wave .
Первая развернутая система OTH-SW, по-видимому, была советской системой, размещенной для наблюдения за движением в Японском море . Более новая система недавно использовалась для прибрежного наблюдения в Канаде и теперь предлагается для продажи компанией Maerospace, [44] Австралия также развернула высокочастотный радар поверхностной волны. [45]
В 1997 году прототип системы JORN продемонстрировал способность обнаруживать и контролировать запуски ракет китайцами у берегов Тайваня и передавать эту информацию командованию ВМС США.
