История развития РЛС землеобзора

     Для России с разнообразными климатическими факторами и частью территории за полярным кругом, т.е. с неблагоприятными условиями освещенности и, следовательно, затрудненностью применения оптико-электронных (ОЭ) и фотографических средств, применение радиолокационных средств (РЛС) наблюдения поверхности Земли  является насущным и необходимым. Исторический путь разработки и применения орбитальных РЛС в России имеет существенные отличия от зарубежного. 
 

1. История развития РЛС землеобзора воздушного базирования.

      Первоначально получили развитие радиолокационные станции, осуществляющие обзор земной поверхности путем кругового вращения или секторного качания луча антенны в азимутальной плоскости, такие станции называют панорамными или РЛС секторного обзора.

      Угловое перемещение антенного луча вокруг вертикальной оси за счет вращения антенны с постоянной скоростью позволяет получить на индикаторе кругового обзора двухкоординатное изображение местности, которое отражает плоскую картину расположения отражающих объектов в просматриваемом пространстве.

      Одним из важнейших требований, предъявляемых  к радиолокационным станциям обзора земной поверхности, является высокая  разрешающая способность, которая  определяет детальность изображения  местности. Разрешающая способность  по дальности определяется длительностью импульсов или шириной спектра зондирующего сигнала. Наибольшую трудность представляет получение высокой разрешающей способности РЛС по азимуту, так как она непосредственно зависит от геометрических размеров антенны. Поэтому главное направление развития авиационных РЛС обзора земной поверхности связано, прежде всего, с поиском путей повышения их азимутальной разрешающей способности.

      Для получения приемлемой разрешающей  способности по азимуту в панорамных РЛС кругового обзора отношение соответствующего линейного размера антенны к длине волны зондирующего сигнала должно составлять от 50 до 100.

      Ограничения в увеличении разрешающей способности  авиационных РЛС обусловлены  прежде всего трудностью применения в условиях самолета вращающихся антенн кругового обзора больших размеров (несколько метров). Установка на самолете таких антенн приводит к ухудшению его аэродинамических характеристик. С другой стороны, укорочение волны радиоизлучения и переход, например, от сантиметровых волн к миллиметровым не представляется перспективным особенно для РЛС большой дальности действия. В данном случае миллиметровые волны, как известно, не позволяют реализовать основное достоинство радиолокационной техники – независимость получения информации от метеорологических условий.

      Вследствие  указанных причин самолетные панорамные РЛС кругового обзора значительно  уступают в разрешающей способности  оптическим приборам.

      Необходимо  отметить, что при оценке возможностей получения детальных радиолокационных изображений (РЛИ) определяющее значение играет линейная разрешающая способность, которая убывает с увеличением расстояния до района целей, что существенно ухудшает эффективность панорамных РЛС на больших дальностях. Поэтому при решении задач, связанных с обнаружением и распознаванием малоразмерных объектов, таких как, воздушная разведка, картографирование и т.п. панорамные РЛС кругового обзора нашли ограниченное применение.

     Стремление  специалистов, работающих в области радиолокации, расширить область применения самолетных радиолокационных станций, создать РЛС, в которых были бы преодолены ограничения, присущие методу кругового обзора поверхности, привело к появлению в 50-х годах бортовых станций нового типа, осуществляющих обзор местности за счет движения самолета-носителя РЛС. В этом случае самолетная антенна неподвижно устанавливается вдоль фюзеляжа самолета. Ее длина увеличивается до размеров, соизмеримых с фюзеляжем. Поэтому в горизонтальной плоскости достигается весьма высокая разрешающая способность. При прямолинейном полете узкая диаграмма направленности антенны формируется в направлении, перпендикулярном траектории движения самолета. Вследствие поступательного перемещения антенного луча со скоростью полета самолета имеется возможность осуществлять обзор местности в полосе, ширина которой определяется дальностью действия РЛС. Такой метод обзора принято называть боковым обзором.

     Метод бокового обзора, основанный на увеличении геометрических размеров вдольфюзеляжной неподвижной антенны, позволил существенно повысить эффективность наблюдения за земной поверхностью с помощью самолетных РЛС. Разрешающая способность радиолокационных станций бокового обзора была увеличена примерно в 10 раз по сравнению с панорамными РЛС кругового обзора.

     Появление РЛС бокового обзора с вдольфюзеляжной антенной большого раскрыва явилось значительным шагом в развитии радиолокационных методов обзора земной поверхности. Однако эти станции еще существенно уступают по своим возможностям оптическим устройствам. В то же время дальнейшее увеличение длины антенны, вынос ее за пределы фюзеляжа самолета практически не представляется возможным. Поэтому основные исследования по совершенствованию РЛС обзора земной поверхности были направлены на преодоление основного ограничения в увеличении разрешающей способности, связанного с размерами антенных устройств, свойственного всем радиолокационным станциям.

     Логическим  итогом поисков, проводившихся в  этом направлении, явилась разработка в конце 50-х – начале 60-х годов метода искусственного раскрыва антенны. Он основан на использовании априорной информации о траектории движения носителя РЛС относительно земной поверхности. Сущность метода заключается в излучении РЛС, установленной на движущемся самолете, когерентных зондирующих сигналов, приеме соответствующих отраженных сигналов вдоль прямолинейной траектории полета носителя, их запоминании и когерентном (синфазном) сложении, аналогично тому, как это делается в фазированных антенных решетках большого раскрыва.

     Роль  искусственного раскрыва антенны в данном случае играет участок траектории полета самолета. Размер этого участка определяется возможным временем запоминания отраженных сигналов. В результате синфазного сложения принимаемых сигналов осуществляется сжатие антенного луча и существенное повышение разрешающей способности РЛС вдоль линии пути носителя.

     Таким образом, РЛС с искусственным  раскрывом антенны позволяют  вести боковой обзор местности  аналогично станциям с вдольфюзеляжной  антенной. Однако размер искусственного раскрыва может значительно превышать  реальный раскрыв антенны и даже длину фюзеляжа самолета. По потенциальным характеристикам разрешающей способности такие РЛС приближаются к оптическим средствам наблюдения. Принципиальным отличием их от всех известных ранее станций и оптических приборов является возможность реализации высокой линейной разрешающей способности (порядка единиц метров), независимой от дальности наблюдения и длины волны зондирующего сигнала.

     Появление РЛС с искусственным раскрывом антенны открывает новый этап в развитии радиолокационных методов обзора земной поверхности. До последнего времени совершенствование радиолокационных станций шло по пути поиска и внедрения в отдельные образцы специальных форм зондирующих сигналов, а также увеличения реального раскрыва антенн. Однако обеспечить в этом случае одинаковую разрешающую способность по азимуту и дальности на практике не представлялось возможным. Ухудшающаяся с дальностью линейная разрешающая способность по угловым координатам существенно понижает эффективность радиолокационных систем даже в случае использования широкополосных зондирующих сигналов. Метод искусственного раскрыва позволил преодолеть эти ограничения. Возникли и новые представления о радиолокационных сигналах.

     B каждой точке траектории полета самолета-носителя РЛС получается вполне определенная амплитудная и фазовая информация о целях, соответствующая мгновенным значениям текущих координат цели относительно самолета. Она заложена в элементарном, например, импульсном сигнале. Совокупность элементарных сигналов, принятых по траектории, можно рассматривать как траекторный сигнал. При этом каждой цели соответствует вполне определенный траекторный сигнал, оптимальная обработка которого позволяет реализовать высокую разрешающую способность радиолокационных систем. Так, использование информации о траектории перемещения когерентной РЛС бокового обзора относительно каждой цели на местности привело к существенному повышению эффективности радиолокационного наблюдения земной поверхности.

     Появление радиолокационных станций бокового обзора явилось практическим воплощением новейших достижений теории радиолокации, большой вклад в развитие которой сделан советскими учеными: А.И. Бергом, А.П. Щукиным, А.Л. Минцем, В.А. Котельниковым, Ю.Б. Кобзаревым и другими.

     В основе принципа работы РЛС с искусственным раскрывом антенны лежит так называемый эффект Допплера. Использование этого эффекта в радиолокации для обнаружения самолетов началось еще в начале 30-х годов группой советских ученых под руководством Ю. К- Коровина, Б. К. Шембеля и др.

     Можно выделить две большие группы РСА ДЗЗ: РСА авиационного и космического базирования. Тип носителя РСА определяет многие его характеристики. Каждый из вариантов размещения имеет свои достоинства и недостатки. Авиационные РСА требуют меньших габаритов антенны, имеют на сегодняшний день более высокое, чем космические РСА, пространственное разрешение (до единиц сантиметров), требуют меньшей мощности передатчика. Недостатками РСА, размещаемых на авиационных носителях, является высокая стоимость изображений земной поверхности, небольшие размеры полосы обзора, высокая динамика полёта (в большей степени характерно для беспилотных летательных аппаратов).

     Отличительной чертой современного этапа развития РСА авиационного базирования является всё большее распространение  в качестве носителей РСА беспилотных летательных аппаратов (как самолётного, так и вертолётного типов). Такие системы используются для разведывательных целей, для мониторинга труднодоступных участков хозяйственной деятельности и т.п. 

2.  История  развития РЛС землеобзора космического базирования.

     РСА космического базирования обеспечивают большие полосы захвата и обзора, более низкую стоимость радиолокационного  изображения, высокую оперативность  и глобальность охвата поверхности  Земли. К недостаткам размещения РСА в космосе можно отнести усложнение конструкции аппаратуры для компенсации специфических условий эксплуатации (механические воздействия, ионизирующие излучения космического пространства, высокие требования к надёжности), большие габариты антенны, большую мощность передатчика. Кроме того, зондирующий сигнал космических РСА при распространении дважды проходит сквозь ионосферу Земли, что вносит искажения в структуру траекторного сигнала.

     Другой  критической для космической радиолокации проблемой является энергоснабжение, поскольку потребляемая мощность излучателя пропорциональна четвертой степени рабочей дальности и для питания орбитального радара требуются чрезвычайно большие солнечные батареи, вызывающие значительное аэродинамическое торможение. Потребляемая мощность может быть снижена за счет уменьшения высоты рабочей орбиты, но при этом атмосферное торможение возрастает из-за увеличения плотности среды.

     В СССР компромисс был найден на пути использования ядерных энергоустановок. Запуски радиолокационных спутников с ядерными реакторами начались в декабре 1967г. Они выводились с Байконура ракетами F-1 на круговые орбиты высотой 250-260 км с наклонением 65 градусов. Такая высота обеспечивала достаточную чувствительность локатора, но малое время орбитального существования, поэтому во избежание быстрого падения реактора на Землю спутники по завершении активного существования переводились на орбиту захоронения высотой около 1000 км, где отработавший реактор должен просуществовать от 300 до 600 лет.

     Отработка космических ядерных энергоустановок, очевидно, сопровождалась значительными техническими проблемами, вынуждавшими в целях безопасности уводить реакторы на высокую орбиту всего через несколько дней после запуска.

     Начиная с 1974 г. КА стали летать попарно, что могло быть истолковано, как переход к ограниченной эксплуатации. Пары радиолокационных спутников выводились на компланарные орбиты и угловое расстояние между ними в плоскости подбиралось так, чтобы просматриваемые обоими на каждом витке полосы прилегали друг к другу. Кроме того, оба КА двигались вдоль общей наземной трассы, проходя над одними и теми же точками через два или три дня друг после друга. Высоты орбит в течение всего периода активного существования поддерживались бортовыми двигателями в пределах, обеспечивающих точное воспроизведение наземной трассы через каждые 111 витков по прошествии 7 суток.

     В 1974 г. директор Военно-морской разведки США объявил, что данная система  предназначена для слежения за перемещениями  ВМС США и их союзников. Не говоря о разведывательных данных, с технической точки зрения такое утверждение могло быть обосновано оценкой разрешающей способности орбитального локатора, которая могла быть произведена по характеристикам его облучающих импульсов. На западе такие КА, получили сокращенное обозначение RORSAT (от Radar Ocean Reconnaissance Satellite – спутник радиолокационной океанской разведки.

     Кроме того, стальные, хорошо отражающие радиоволны суда на ровной океанской поверхности  естественно представляются первым объектом наблюдения при создании систем радиолокационного слежения. ВМС США в конце 60-х гг. сами начинали проработки радиолокационной системы «Clipper Bow» для наблюдения за советским флотом, но из-за высокой стоимости проекта предпочли систему пассивных радиоинтерферометрических измерений «While Cloud». Для СССР задача слежения за флотами вероятного противника представлялась гораздо более важной, чем для США и НАТО и не удивительно, что в Советском Союзе для морской радиотехнической разведки были использованы оба подхода (тесная взаимосвязь двух систем заставляет в данном случае отойти от «физической» систематизации в пользу «организационной» и рассматривать систему пассивного радиослежения вместе с активными радиолокаторами).