Γράφει ο Δρ. Θεόδωρος Κωστής*
αναδημοσιεύουμε από http://www.proelasi.com
Προσομοίωση ανίχνευσης εισερχόμενων αντιπλοϊκών πυραύλων σε χαμηλό ύψος πάνω από τη επιφάνεια της θάλασσας από ραντάρ σε μονάδα επιφανείας με δυνατότητα moving target indicator (Shipborne Moving Target Indicator Radar vs incoming Sea-Skimming Missile Mathematical Modelling and Simulation).
Περίληψη: Οι αντιπλοϊκοί πύραυλοι αποτελούν μια σημαντική απειλή για τις μονάδες επιφανείας ενός στόλου. Ο λόγος είναι ότι η τακτική προσέγγισης σε χαμηλό ύψος πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας (sea skimming) επιτρέπει στον πύραυλο να πλησιάσει τον στόχο του με λιγότερες πιθανότητες ανίχνευσης από το αντίπαλο ραντάρ. Αναλυτικά με αυτό τον τρόπο το ηλεκτρομαγνητικό ίχνος του πυραύλου αποκρύπτεται λόγω των παράλληλων ανεπιθύμητων επιστροφών από την επιφάνεια της θάλασσας (κλάτερ). Προκειμένου να αντιμετωπιστεί αυτός ο σοβαρός κίνδυνος, το ραντάρ του πλοίου χρησιμοποιεί την τεχνική του Moving Target Indicator (MTI) για να ανιχνεύσει και στη συνέχεια να εκκινήσει την ιχνηλάτηση της εισερχόμενης απειλής. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει μια σχετική προσομοίωση προκειμένου να εξεταστεί η αποτελεσματικότητα του MTI για ένα σενάριο όπου η ανίχνευση του αντιπλοϊκού πυραύλου προσπαθεί να ξεκινήσει από τον ραδιοηλεκτρικό ορίζοντα, μιας και αυτός ο τρόπος δίνει τον περισσότερο χρόνο αντίδρασης στην μονάδα επιφανείας. Τέλος, τα αποτελέσματα του προσομοιωτή μπορούν να θεωρηθούν χρήσιμα για τους σχεδιαστές ραντάρ και τους εκπαιδευτικούς στον τομέα των συστημάτων ραντάρ.
1. Εισαγωγή
Το Moving Target Indication (MTI) είναι το πρώτο βήμα ενός συστήματος ραντάρ για την περαιτέρω ιχνηλάτηση ενός στόχου. Ειδικότερα το MTI χρησιμοποιείται σε συστήματα ραντάρ πλοίων επιφανείας για να ανιχνεύει άλλα πλοία ή αντιπλοϊκούς πυραύλους. Συγκεκριμένα οι αντιπλοϊκοί πύραυλοι προσπαθούν να επωφεληθούν από τις ανεπιθύμητες επιστροφές της θάλασσας στο ραντάρ για να αποκρύψουν την παρουσία τους. Επεξηγηματικά επειδή το ραντάρ του πλοίου, που συνήθως βρίσκεται τοποθετημένο περίπου στα 40 μέτρα, πρέπει να στραφεί προς την επιφάνεια της θάλασσας για να ανιχνεύσει τον πύραυλο, οι επιστροφές που θα λάβει θα είναι η οπισθοσκέδαση από τον πύραυλο αλλά και από την επιφάνεια της θάλασσας.
Επομένως, μία από τις βασικές απαιτήσεις ενός συστήματος ραντάρ σε μονάδα επιφανείας είναι να μπορεί να ανιχνεύει την απειλή των αντιπλοϊκών πυραύλων εν μέσω του θαλάσσιου κλάτερ χρησιμοποιώντας είτε τεχνική MTI που χρησιμοποιεί χαμηλή συχνότητα επανάληψης παλμών (Low Pulse Repetition Frequency) είτε τεχνική Pulse-Doppler που χρησιμοποιεί υψηλή συχνότητα επανάληψης παλμών (High Pulse Repetition Frequency). Μια μεγάλη διαφορά μεταξύ των δύο τεχνικών είναι ότι η Pulse-Doppler μπορεί να μετρήσει και την ταχύτητα του στόχου, όμως η μέγιστη ασαφής απόσταση προς τον στόχο είναι μικρότερη λόγω του υψηλού PRF. Όμως σε εφαρμογή όπου μεγαλύτερη σημασία διαδραματίζει η ακριβής απόσταση του πυραύλου από το πλοίο για ευνόητους λόγους ορθής ιχνηλάτησης και ενεργοποίησης αντίμετρων, η τεχνική MTI είναι χρήσιμη.
Ωστόσο, η ανίχνευση του πυραύλου εν μέσω θαλάσσιου κλάτερ μπορεί να είναι ένα δύσκολο πρόβλημα καθώς η θάλασσα κινείται με πολύπλοκο και τυχαίο τρόπο. Επομένως, τα στατιστικά χαρακτηριστικά της θαλάσσιας συμπεριφοράς έχουν μεγάλη σημασία για την επιτυχή προσομοίωση της ανίχνευσης του πυραύλου, επειδή επηρεάζουν αρνητικά την πιθανότητα λανθασμένων ανιχνεύσεων. Επεξηγηματικά η αύξηση των λανθασμένων συναγερμών επηρεάζει αρνητικά τον λόγο σήματος προς κλάτερ (Signal to Clutter Ratio), άρα γενικότερα επηρεάζει την δυνατότητα ανίχνευσης του πύραυλου από το ραντάρ.
Το MTI χρησιμοποιείται σε πολλά συστήματα ραντάρ πλοίων, όπως στο AN/SPQ-9B που είναι τοποθετημένο στο αεροπλανοφόρο USS Nimitz (CVN-68). Αναλυτικά το AN/SPQ-9B είναι ένα X-Band, pulse-Doppler ραντάρ που σχεδιάστηκε ειδικά για το παράκτιο περιβάλλον. Σύμφωνα με τους κατασκευαστές του, το AN/SPQ-9B σαρώνει τον ορίζοντα ενώ παράλληλα εκτελεί αυτόματη ανίχνευση και παρακολούθηση εναέριων και στόχων επιφανείας, όπως αντιπλοϊκούς πυραύλους, άλλων απειλών στην επιφάνεια (πλοία, περισκόπια υποβρυχίων), και όλων των εναέριων απειλών σε χαμηλό υψόμετρο, όπως αεροσκάφη, μη-επανδρωμένα οχήματα και ελικόπτερα.
Σε αυτό το άρθρο χρησιμοποιούμε τη θεωρία του MTI για να κατασκευάσουμε έναν προσομοιωτή με ένα σενάριο που ενδιαφέρει αρκετά το Πολεμικό Ναυτικό. Αναλυτικά η προσομοίωση αναλαμβάνει να ερευνήσει το SCR για έναν αντιπλοϊκό πύραυλο που πλησιάζει ένα πλοίο πετώντας πολύ χαμηλά στην επιφάνεια της θάλασσας.
Γενικά οι προσομοιωτές είναι πολύ χρήσιμα εργαλεία για να αποκτηθεί η εκτίμηση μιας κατάστασης από κάθε μηχανικό σε πολλές επιστήμες, καθώς μπορούν να παραχθούν πολλά δεδομένα που μπορούν να καλύψουν πολλά σενάρια. Σε αυτή την περίπτωση, με έναν προσομοιωτή οι παράμετροι λειτουργίας, όπως το ύψος του ραντάρ και του αντιπλοϊκού πυραύλου από την επιφάνεια της θάλασσας, οι παράμετροι λειτουργίας του ραντάρ και οι στατιστικές τιμές του κλάτερ μπορούν να ρυθμιστούν εύκολα και να ληφθούν τα σχετικά αποτελέσματα.
2. Προσομοίωση Clutter-to-Noise Ratio (SCR)
2.1 Signal-to-Clutter Ratio
Πρώτα δηλώνουμε την εξίσωση ραντάρ για τον αντιπλοϊκό πύραυλο.
Έπειτα η εξίσωση ραντάρ για το κλάτερ είναι:
Διαιρώντας τις δύο παραπάνω εξισώσεις φθάνουμε στην μαθηματική έκφραση του λόγου SCR.
Επειδή ο πύραυλος πετάει πολύ κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας, θεωρούμε ότι η απόσταση LOS του ραντάρ προς τον πύραυλο και τη θάλασσα είναι όμοιες.
Επιπροσθέτως χρησιμοποιώντας την αναλυτική εξίσωση για το κλάτερ επιφανείας,
όπου:
έχουμε την τελική έκφραση του SCR:
2.2 Παράγοντας Βελτίωσης MTI ( Improvement Factor
Ο λόγος SCR μπορεί να αυξηθεί χρησιμοποιώντας τον Παράγοντα Βελτίωσης (Improvement Factor) του MTI.
ή πιο αναλυτικά
όπου σCpsd είναι η τυπική απόκλιση της φασματικής πυκνότητας ισχύος του θαλάσσιου κλάτερ σε Hertz, η οποία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την κατάσταση της θάλασσας. Σε αυτήν την προσομοίωση θα χρησιμοποιήσουμε ένα μοντέλο το οποίο περιγράφεται λεπτομερώς από τον Hannen και χρησιμοποιεί τις αστάθειες συχνότητας των ηλεκτρονικών του ραντάρ σi, έναν παράγοντα που καθορίζει το όριο της ταχύτητας του θαλάσσιου ντόπλερ σs και την αστάθεια συχνότητας που οφείλεται στην κεραία του ραντάρ σa.
Η ανίχνευση από την κεραία δημιουργεί εξάπλωση του φάσματος του ντόπλερ, λόγω της διαμόρφωσης πλάτους των εισερχόμενων σημάτων από το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας (antenna pattern).
Τώρα η συνολική φασματική πυκνότητα ισχύος ακαταστασίας σCpsd είναι ο γεωμετρικός μέσος όρος των προαναφερθέντων τριών παραγόντων.
3. Σενάριο Προσομοίωσης
Θεωρούμε έναν αντιπλοϊκό πύραυλο που πετά πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας στα 10 μέτρα, όπως φαίνεται από την κεραία του ραντάρ του πλοίου, η οποία είναι τοποθετημένη 40 μέτρα από την επιφάνεια της θάλασσας. Κατά συνέπεια, αυτό το σενάριο δίνει έναν ραδιοηλεκτρικό ορίζοντα περίπου 40 χιλιομέτρων. Σε αυτήν την απόσταση, ο χρόνος απόκρισης της αεράμυνας του πλοίου για ένα συμβατικό υποηχητικό αντιπλοϊκό πύραυλο που ταξιδεύει στα 0,9mach (340m/sec) είναι περίπου 117 δευτερόλεπτα ή 1,9 λεπτά.
Το ερώτημα στο προσομοιωτή είναι εάν σε αυτή την ιδανική απόσταση για το πλοίο το SCR είναι αρκετά μεγάλο για να υπάρξει η ανίχνευση του πυραύλου.
Σχήμα 2. Γεωμετρία σεναρίου.
Πίνακας 1. Παράμετροι προσομοίωσης
4. Αποτελέσματα
Σχήμα 3. Γραφική παράσταση αποτελεσμάτων
Πίνακας 2. Αποτελέσματα προσομοιωτή
5. Συμπεράσματα
Η πρόβλεψη της απόδοσης ενός συστήματος ραντάρ ήταν ανέκαθεν ένα πολύ σημαντικό μέρος της σχετικής διαδικασίας σχεδιασμού και ανάπτυξης. Η προσομοίωση που παρουσιάζεται σε αυτό το άρθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πολλών αποτελεσμάτων για πολλά διαφορετικά σενάρια που ενδιαφέρουν τον αμυντικό τομέα. Σε αυτή την περίπτωση αυτός ο προσομοιωτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της ρύθμισης ενός συστήματος ραντάρ προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη πιθανότητα ανίχνευσης των απειλών από αντιπλοϊκούς πύραυλους το συντομότερο δυνατό, ή ιδανικά στην απόσταση του ραδιοηλεκτρικού ορίζοντα.
Στο συγκεκριμένο σενάριο, που αρκετά στοιχεία της προσομοίωσης έφερναν αρκετή δυσκολία στην δυνατότητα ανίχνευσης του στόχου, είδαμε ότι ο αντιπλοϊκός πύραυλος άρχισε να διακρίνεται με μεγάλη πιθανότητα ανίχνευσης στα 21 Km. Αυτό είναι και το όριο ανίχνευσης ενός τέτοιου πυραύλου, αφού αφήνει χρόνο αντίδρασης περίπου στο ένα λεπτό.
Η εξήγηση αυτού του υπολογισμού απορρέει από τον πίνακα που συνδέει την πιθανότητα ανίχνευσης, την πιθανότητα λανθασμένων συναγερμών και τον σηματοθορυβικό λόγο, που σε αυτή την περίπτωση είναι το Signal-to-Clutter Ratio.
Πίνακας 3 Σηματοθορυβικός Λόγος για στόχους Swerling 3,4
Τώρα ένας πύραυλος μπορεί να θεωρηθεί ως ένας στόχος τύπου Swerling 3, δηλαδή ενώ υπάρχουν πολλοί όμοιοι σκεδαστές, ένας κυριαρχεί στην οπισθοσκέδαση προς το ραντάρ.
Με τα στοιχεία της συγκεκριμένης προσομοίωσης βλέπουμε ότι στην μέγιστη απόσταση του ραδιοηλεκτρικού ορίζοντα των 38Km, το SCR είναι +5.58dB. Με αναφορά στον πίνακα 3, βλέπουμε ότι αυτό το SCR αντιστοιχεί σε σχετικά χαμηλή πιθανότητα λανθασμένων συναγερμών 10E-11 για πιθανότητα ανίχνευσης στο 95%. Γι αυτό το λόγο και μερικοί κατασκευαστές διαφημίζουν ότι το ραντάρ τους μπορεί και ανιχνεύει αντιπλοϊκούς πύραυλους στην απόσταση του ραδιοηλεκτρικού ορίζοντα.
6. Αναγνώριση συμβολής ανώνυμων ακαδημαϊκών κριτών
Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν τους ανώνυμους ακαδημαϊκούς εξεταστές που ορίστηκαν από το Journal of Defence Modeling & Simulation για τα πολύτιμα σχόλια και τις προτάσεις τους που βελτίωσαν αισθητά την ποιότητα αυτού του άρθρου.
Βιβλιογραφία & Παραπομπές
-Θεόδωρος Κωστής, 2021, Ραντάρ και Ηλεκτρονικός Πόλεμος, Τύπος Μέσου: έντυπο / ΒΙΒΛΙΟ, Έκδοση: 1η, Εκδοτικός Όμιλος Ίων, 683 σελ., ISBN: 978-960-508-323-6 Γλώσσες : Ελληνική (gre) Ημ/νία Παραχώρησης : 05/02/2021
-Kostis T. G. (2021), Shipborne Moving Target Indicator Radar vs incoming Sea-Skimming Missile Mathematical Modelling and Simulation, Journal of Defence Modeling & Simulation, accepted May 17 ,2021.
Μπορείτε να διαβάσετε το πλήρες άρθρο, στη δημοσιευμένη του μορφή, στο ακαδημαϊκό περιοδικό: “The Journal of Defence Modelling & Simulation” είναι διαθέσιμο στην διεύθυνση: researchgate.net
*Ειδικό Διδακτικό Προσωπικό (ΕΔΠ), Τομέας Ηλεκτρονικών, Ηλεκτρικής Ισχύος & Τηλεπικοινωνιών, ΣΧΟΛΗ ΙΚΑΡΩΝ, Αεροπορική Βάση Δεκέλειας, Τατόι ΤΓΑ 1010, Αχαρνές 13671