Технологии наведения ракет: от радиокомандного управления к полуактивному радиолокационному самонаведению.

Введение

Техника наведения ракет "Track via missile" или TVM – это техника наведения ракет, сочетающая в себе характеристики полуактивного радиолокационного наведения (SARH) и радиокомандного наведения. Это позволяет избежать проблем с конечной точностью, обычно возникающих у ракет с радиоуправлением, особенно на больших дальностях. Она применялась в ряде зенитных ракетных комплексов большой дальности, включая MIM-104 Patriot.

Пояснение

Командное наведение имеет преимущество, заключающееся в том, что большая часть оборудования для наведения ракеты размещается на пусковой установке, где размеры и вес имеют значительно меньшее значение. В таких системах радар, обеспечивающий наведение, находится на земле или на корабле, а ракета не имеет собственной независимой системы наведения. Обычно используются два радара: один отслеживает цель, а другой – ракету, что позволяет им лететь по независимым и разнесённым траекториям. Компьютер затем вычисляет положение и скорость обоих объектов и определяет точку перехвата. Тот же компьютер рассчитывает необходимые управляющие воздействия для полета ракеты к этой точке и передаёт ракете необходимые корректировки по радиосигналу, часто используя радиолокационный сигнал, отслеживающий ракету. Благодаря простоте конструкции эта система послужила основой для многих ранних зенитных ракетных комплексов (ЗРК). Однако у неё есть существенный недостаток, особенно при стрельбе на большие дальности. Радарные сигналы распространяются в пространстве подобно конусообразному лучу, как у фонаря, с типильным углом раскрытия около 5 градусов. Это означает, что на больших расстояниях местоположение цели известно лишь приблизительно, возможно, с точностью до нескольких километров. Различные методы кодирования сигнала могут уменьшить эту погрешность до порядка 0,1 градуса, но даже на больших расстояниях это обеспечивает точность лишь порядка сотен метров. Такая неточность требует применения крупной боевой части для гарантированного уничтожения цели. Эта проблема решается в концепции полуактивного радиолокационного самонаведения (SARH). В этих системах наземная станция продолжает освещать цель своим радаром, но приемник находится на ракете. Отражение исходного сигнала от цели создает ещё один конусообразный луч, наиболее узкий в районе цели. Приемник на ракете использует этот сигнал для наведения, что повышает точность по мере приближения к цели. Существуют некоторые незначительные факторы, ограничивающие максимальную точность (для ранних разработок) до десятков метров, но эта точность не зависит от дальности. Это означает, что ракеты SARH могут иметь меньшие боевые части при той же эффективности, хотя и за счёт дополнительной электроники на ракете. Недостатком подхода SARH является то, что сигнал, передаваемый наземным радаром, должен содержать дополнительную кодировку для определения направления на цель внутри конусообразного сигнала, который видит ракета. Обычно это достигается с помощью конического сканирования, которое использует временные изменения сигнала для определения угла внутри конуса, но это требует непрерывности сигнала, то есть его "захвата". Обычно это реализуется в ЗРК с помощью отдельного радара подсветки цели, предназначенного для этой задачи. В обоих случаях для каждой управляемой ракеты требуется отдельный радар, что ограничивает количество ракет, которыми система может управлять одновременно. В условиях интенсивного движения, особенно на кораблях, подвергающихся массированным ударам противокорабельных ракет, система может быть перегружена. Теоретически, ракета может быть оснащена электроникой для продолжения отслеживания прерывистого сигнала, что позволит одному радару отслеживать несколько ракет, но в 1950-х и 60-х годах это было бы слишком дорого и громоздко; даже системы командного наведения обычно не имели такой возможности. Решение этой проблемы было приоритетной задачей, особенно для ВМС США и Великобритании. Наведение по траектории ракеты (Track via missile) объединяет эти две концепции, чтобы избежать недостатков обеих. Как и в SARH, приемник размещается на ракете, что повышает точность по мере приближения к цели. Вместо локальной обработки сигнал переизлучается на другой частоте и принимается пусковой установкой. Пусковая установка сравнивает отправленный и принятый сигналы и на основе этого сравнения определяет положение цели относительно ракеты. Поскольку наземная станция знает приблизительное местоположение цели и характеристики исходного сигнала, ей не требуется непрерывный сигнал и, следовательно, отдельный радар подсветки. После сравнения и вычислений обновления передаются ракете, как в системах командного наведения, по каналу связи. TVM решает проблему точности командного наведения, но не проблему необходимости отдельных радаров. Теоретически, это можно решить, разместив необходимую электронику на ракете, но использование технологий 1950-х годов привело бы к значительному увеличению размеров и стоимости ракеты. Централизация этой электроники на пусковой установке является более практичной задачей, особенно после появления транзисторов военного назначения в конце 1950-х годов. Это привело к созданию американской ракеты RIM 50 Typhon и связанного с ней радара AN/SPG 59, которые использовали единый фазированный антенный массив (ФАР) и могли одновременно запускать несколько ракет. Проблемы при разработке привели к отмене проекта. Дополнительным преимуществом TVM является то, что отсутствие отслеживающего радара не выдаёт цели факт отслеживания. Обычно это относительно простая задача для приёмника радиоэлектронной борьбы, который предупреждает цель о необходимости применения средств противодействия, но в случае TVM используется только сигнал поискового радара, который не меняется при запуске ракеты.

Command guidance has the advantage of isolating most of the equipment for the missile guidance at the launcher, where size and weight are significantly less important. In these systems, the radar that provides guidance is on the ground or ship and the missile lacks an independent guidance system. Typically two radars are used, one tracking the target and another the missile, so that they can fly independent and widely separated paths. A computer then calculates the position and velocity of the two and calculates an intercept point. The same computer then calculates the control inputs needed to fly the missile to that point and sends any required corrections to the missile via a radio signal, often using the radar tracking the missile as the radio signal. As this system is simple to build, it was used as the basis for many early surface to air missile (SAM) systems. However, it has a significant drawback, especially for long range fire. Radar signals spread out in space, similar to the cone like beam of a flashlight, with typical beam spreads on the order of around 5 degrees. This means that at longer ranges, the target's location is only known within a gross value, perhaps on the order of several kilometers. Various signal encoding techniques can be used to narrow this down to something on the order of 0.1 degrees, but at long range, this still provides accuracy only on the order of hundreds of meters. This inaccuracy demands a huge warhead to ensure the destruction of the target. This problem is avoided in the semi active radar homing (SARH) concept. In these systems, the ground station still illuminates the target with its radar, but the receiver is on the missile. The reflection of the original signal off the target produces another cone like beam, but one that is narrowest at the target. The receiver on the missile uses this signal to guide on, thus becoming increasingly accurate as it flies toward the target. There are a number of minor issues that result in a maximum accuracy (for early designs) on the order of tens of meters, but this is independent of range. This means SARH missiles can have much smaller warheads with the same overall effectiveness, although at the cost of having additional electronics on the missile. The downside to the SARH approach is that the signal provided by the ground radar has to contain some form of additional encoding of the signal for the missile to determine the direction of the target within the cone shaped signal it sees. Normally this is accomplished using a form of conical scanning which uses the timing of variations in the signal to determine the angle within the cone, but this demands that the signal is continuous, or "locked on". This is normally accomplished with SAMs by using a separate target illumination radar dedicated to this task. In both cases, SAMs required separate radars for each missile being guided, which means that the system as a whole can only guide the number of missiles that it has radars. For SAMs in high traffic environments, especially ships facing salvos of anti ship missiles, it is possible to overwhelm the system's capabilities. In theory, the missile can add electronics to allow it to continue tracking a non continuous signal and thus allow a single radar to provide tracking to several missiles, but using electronics of the 1950s and 60s this would be prohibitively expensive and large; even command guided systems generally lacked this capability. Addressing this was a major concern, especially for the US Navy and Royal Navy. Track via missile combines these two concepts to avoid the problems of both. Like SARH, the receiver is placed on the missile and thus has increased accuracy as it approaches the target. Instead of processing it locally, the signal is instead rebroadcast on another frequency and received by the launcher. The launcher then compares the signal it sent to the one received by the missile, and through this comparison can perform the determination of the target location relative to the missile. But because the ground station knows the rough location of the target, and details of the original signal it sent, it does not require the signal to be continual and thus does not demand a separate illumination radar. After comparison and calculation, updates are sent to the missile as in the command guided case using a data link. TVM solves the accuracy problem of command guidance, but not the issue of requiring separate radars. In theory, this can be solved by placing the required electronics on the missile, but doing so using 1950s technology would lead to very large size and make the missile cost very high. Centralizing this at the launcher site is a much more tractable problem, especially after the introduction of military grade transistors in the later 1950s. This led to the US Navy's RIM 50 Typhon missile and associated AN/SPG 59 radar, which had a single PESA radar and could salvo many missiles. Development problems led to its cancellation. One additional advantage of TVM is that, as there is no tracking radar, there is nothing to indicate to the target that it is being tracked. This is normally a relatively simple task for a radar warning receiver that gives the target a warning that it should employ countermeasures, but in the TVM case the search radar signal is all that is needed and it does not change when the missile is launched.

Преимущества

В отличие от активной радиолокационной ракеты, эта ракета не выдает цели информацией о том, что она наводится на нее, подсвечивая ее радиоволнами. Как правило, цель осознает, что ее подсвечивает радиолокатор комплекса, но не может быть уверена, что по ней ведется огонь. Современные фазированные антенные решетки, благодаря узким лучам и низким уровням боковых лепестков, делают обнаружение самолетом еще более сложным. В отличие от ракет с полуактивным радиолокационным наведением, электроника, необходимая для вычисления и сопровождения траектории перехвата, не требует установки в каждую ракету, что упрощает их конструкцию, снижает вес и стоимость. Кроме того, можно повысить точность ракет за счет использования более сложных алгоритмов вычисления перехвата, чем это возможно в ограниченном вычислительном блоке ракеты. Операторы также могут корректировать траекторию полета ракеты на протяжении всего времени полета, в том числе на финальном участке наведения. В отличие от ракет с радиокомандным управлением, поскольку радиолокационный приемник ракеты находится значительно ближе к цели, чем наземная станция, для бортового компьютера системы можно получить более точные данные о сопровождении. Также сложнее создать помехи или подменить сигнал сопровождения. Наземная станция может принимать прямые радиолокационные отражения от цели (а не данные, передаваемые ракетой) и объединять эти два источника информации для вычисления курса перехвата. Это повышает устойчивость системы к средствам радиоэлектронной борьбы.

Недостатки

TVM также имеет ряд недостатков. Например, канал связи может быть подвержен помехам, что невозможно в случае ракет с активным самонаведением или принципа "выстрелил и забыл". Кроме того, данная технология требует непрерывной работы наземного радара на протяжении всего времени перехвата, что потенциально может помочь самолетам, оснащенным противорадиолокационными ракетами, в обнаружении и атаке радара ЗРК. Еще одним потенциальным недостатком, по сравнению с активным радиолокационным наведением, является зависимость ракеты от наземного радара для наведения. Следовательно, если цели удастся создать препятствие между собой и стационарной радиолокационной станцией (например, холм), или если она выйдет за пределы зоны обзора радара (например, покинет сектор обзора радара системы PATRIOT или выйдет за пределы эффективной дальности действия другой системы), ракета не сможет обнаружить отраженный сигнал от цели и, соответственно, не сможет продолжить перехват.

Примеры

Большинство современных зенитных ракетных комплексов большой дальности используют метод наведения ракеты по траектории. В их число входят:
Китайский HQ-9 – зенитная ракета средней и большой дальности с полуактивной радиолокационной системой самонаведения. Американский зенитный ракетный комплекс MIM-104 Patriot (с ограниченными возможностями по перехвату баллистических ракет).