Patent US8451165 MOBILE RADAR SYSTEM, Raytheon Company, Puzella at al., Data publikacji 28.05.2013, przedstawia rozwiązanie techniczne mobilnego radaru taktycznego przeznaczonego do zabezpieczenia wojsk na polu bitwy przed atakami lotniczymi, rakietowymi i artyleryjskimi. Znane dotychczas systemy radarowe obarczone są istotnym ograniczeniem technicznym, które wymaga określonego czasu uruchomienia radaru po zajęciu pozycji bojowej, przykładowo 15 min w najlepszym przypadku. Ponieważ obecne radary pola walki pracują w położeniu stacjonarnym, nieruchomym, oczywistym jest, że stanowią łatwy cel do zniszczenia dla przeciwnika. Opatentowany przez firmę Rayheon mobilny radar zapewnia ciągłość obserwacji i śledzenia przestrzeni powietrznej bez konieczności zajmowania stacjonarnej pozycji pracy, co oznacza również, że może pracować w ruchu zmieniając swoją pozycje w celu uniknięcia ataku wroga. Kolejnym ograniczeniem istniejących radarów mobilnych jest zastosowany powszechnie obrotowy system antenowy, który wymaga stabilnej pozycji radaru podczas pracy oraz znacząco ogranicza czas śledzenia obiektów latających . Przykładowo dla krańcowej wartości liczby obrotów anteny rzędu 60 obr/sek., ograniczonej wytrzymałością układów mechaniki, czas dyskretyzacji sygnałów odbitych od celu jest uaktualniany co 1 sek., co znacząco ogranicza parametry śledzenia obiektów. Ponadto wirujący system antenowy poważanie komplikuje trakt nadawczo odbiorczy co w istotnym aspekcie ogranicza niezawodność pracy radaru.
Nowość opatentowanego radaru polega na zastosowaniu czterosektorowej anteny w postaci szyków fazowanych zapewniających obserwacje i śledzenie obiektów powietrznych w sektorze zależnym od trybu pracy: stacjonarnym lub mobilnym. W konfiguracji stacjonarnej antena jest całkowicie rozłożona co zapewnia 360 stopniowy, azymutalny (dookolny) proces przeszukiwania przestrzeni. W konfiguracji mobilnej tylko 3 anteny sektorowe w postaci szyków fazowanych realizują pracę w sektorze azymutu 270 stopni. Zastosowanie sektorowych szyków fazowanych poza możliwością pracy mobilnej w ograniczonym sektorze zapewnia przede wszystkim zwiększenie czułości radaru oraz rozróżnialności dopplerowskiej obiektów latających na tle zakłóceń. Dodatkową zaleta omawianej konstrukcji jest nieograniczony czas śledzenia wykrytych obiektów, ponieważ antena oświetla cel za pomocą wąskiej wiązki antenowej sterowanej elektronicznie przez szyk fazowany, bez ograniczeń czasowych, co zapewnia zwiększenie czasów integracji sygnałów odbitych, a tym samym poprawę skuteczności śledzenia wykrytych obiektów. Ponieważ radar jest wyposażony w 4 anteny w postaci szyków fazowanych AESA (Active Electronically Steerable Array), które mogą być traktowane jako oddzielne radary, pozwala to na niezależne śledzenie w każdym 90 stopniowym sektorze azymut.
Zastosowanie anten AESA upraszcza również interfejs odbiorczo-nadawczy w stosunku do radarów wyposażonych w antenę obrotową oraz zapewnia, przynajmniej teoretycznie, możliwość szybkiej wymiany dowolnego panelu antenowego bez potrzeby bez potrzeby wyłączania całości radaru.
Według opisu patentowego każda tablica antenowa AESA o wymiarach 1m2 zawiera 32 moduły zawierające 32 lub 128 modułów nadawczo-odbiorczych T/R, które tworzą trójkanałowy zespół monoimpulsowy (transmit/sum channel, delta elevation channel, delta azimuth channel).
Fig.1 – przedstawia legendę rozmieszczenia mobilnego radaru według wynalazku na polu bitwy;
Fig.1A – przedstawia rzut widoku przestrzennego radaru mobilnego w pozycji złożonej;
Fig.1(B-C) – przedstawia rzut widoku przestrzennego radaru mobilnego w pozycji rozłożonej;
Fig.2 – przedstawia diagram działania radaru mobilnego;
Fig.3 – przedstawia schemat blokowo-funkcjonalny radaru mobilnego;
Fig.4 – przedstawia schemat blokowo-funkcjonalny zespołów radaru mobilnego;
Fig,5, 5A – przedstawia uproszczony schemat funkcjonalny ilustrujący budowę i działanie pojedynczej tablicy antenowej AESA w składzie 4 kolumn 8 elementowych;
Fig.6, 6(A-C) – przedstawia widok izometryczny pojedynczej tablicy antenowej AESA w rzucie z przodu, tyłu oraz boku.
Wiązka antenowa AESA może być przemieszczana dyskretnie w swojej półsferze z szybkością 100μs, co zapewnia 10000 aktualizacji sygnału odbitego od celu (time on target) w czasie 1 sek ciągłej obserwacji obiektu. Wartość parametru jakim jest czas oświetlenia celu wiązka antenowa (time on target) decyduje o warunkach wykrycia obiektu, ponieważ stosunek S/N ( sygnał/szum) jest zależny od liczby aktualizacji sygnału odbitego od obiektu w jednostce czasu 1sek. Kolejna zaletą omawianego radaru w porównaniu do systemów konwencjonalnych z obrotowa antena jest szybki czas reakcji tzn.: czas przejścia z trybu wykrycia do trybu śledzenia obiektu poprzez skierowanie elektronicznie sterowanej wiązki antenowej na wykryty obiekt w danym sektorze. Istotna zaleta jest również skuteczniejsze śledzenie manewrującego obiektu w wyniku zwiększonej integracji sygnałów odbitych w procesorze sygnałowym.
Według przykładu wykonania Fig.3 radar zawiera system antenowy AESA, 35 sprzężony z procesorem 39, poprzez magistralę 38 oraz system nawigacyjny 40 i wskaźnik zobrazowania radiolokacyjnego umieszczony w pojeździe. Podkreślenia wymaga fakt ,ze magistrala 38 pozbawiona jest sygnałów mocy RF i DC. Schemat funkcjonalny radaru Fig.4 zawiera również system nawigacyjny 40, procesor radarowy 39, wyposażony w układ sterowania wiązka BSP( Beam Steering Processor) 44 oraz procesor śledzący trasy obiektów ( Radar Batch Tracking Procesor), 48.W skład systemu nawigacyjnego wchodzą układ inercyjny IMU (Inertia Measurment Unit), 40a, układ pozycjonowania GPS (Global Positioning System) 40b oraz dodatkowo układ pomiarowy prędkości i przyspieszenia pojazdu 44, układ pomiaru ciśnienia 45 i kompas 46.Jak wiadomo układ IMU rejestruje przyśpieszenie, prędkość, orientacje oraz siły grawitacyjne przy użyciu kombinacji akcelerometrów i żyroskopów, przy czym układ ten wykrywa także zmianę atrybutów położenia takich jak Pitch, Roll, Yaw, dobrze znanych w technice lotniczej. Dokładna lokalizacja radaru w oparciu o system nawigacyjny zapewnia prawidłowy proces śledzenia tras obiektów powietrznych przez procesor 48. Procesor radaru 39 nadzoruje prace anten AESA poprzez BSP 44, które sterują wiązkami anten w oparciu o przesuwniki fazowe i tłumiki sygnału mikrofalowego BSP realizuje również algorytm testowy stanu technicznego anten AESA tzw. BIT ( Built In Test) w celu monitorowania stanów awaryjnych.
Pojedyncza antena AESA składa się z 32 paneli rozmieszczonych w 4 kolumnach po 8 rzędów, Fig.5,5A. Każdy panel zawiera 32/128 moduły nadawczo-odbiorcze T/R . Sposób pracy pojedynczej anteny AESA ilustrują rysunki Fig.5,5A , które odnoszą się odpowiednio do wariantu wysterowania dwóch rzędów paneli 46d,46e oraz wariantu wysterowania pojedynczej kolumny 47c.w obu przypadkach mamy do czynienia z aktywacją 8 paneli na wybranej powierzchni anteny AESA.
Według opisu patentowego każda antena sektorowa AESA może pracować samodzielnie co pozwala na wybór trybu przeszukiwania przestrzeni przez radar:
– opcja aktywnej pojedynczej anteny AESA tzn.: tylko jedna antena pracuje w trybie nadawczym pozostałe trzy w trybie odbiorczym;
– opcja pracy jednoczesnej wszystkich anten AESA w trybie nadawanie/odbiór.
Centralny odbiornik/wzbudnik REX (receiver/exciter ) zapewnia generacji sygnałów w trybie nadawania oraz filtracje i ekstrakcje sygnałów użytkowych w trybie odbioru. Porty nadawczo-odbiorcze każdej z anten przełączane sa elektronicznie w REX . W trybie pracy pojedynczej anteny AESA układ REX komunikuje się w/w anteną w określonym przedziale czasu co oznacza, że REX obsługuje tylko jeden port nadawczy i trzy odbiorcze w trzykanałowym systemie monoimpulsowym. Dane te przetwarzane są następnie w procesorze sygnałowym DSP (Signal Data Processor). W trybie czuwania układ REX komunikuje się jednocześnie z dowolna kombinacją anten AESA. W tym trybie REX obsługuje 4 porty transmisyjne i 12 portów odbiorczych (trzy porty odbiorcze na każda antene) przy odbiorze monoimpulsowym).
Opracowana konstrukcja antenowa wymaga nowego sposobu dysponowania zasobami energetycznymi radaru. Pierwszy sposób rozdziału zasobami realizuje dostęp całej energii, w określonym przedziale czasu, dla pojedynczej anteny AESA pracującej w trybie T/R. Pozostałe trzy anteny znajdują się w trybie gotowości z poborem mocy w przedziale (1-5%) całkowitej mocy radaru.
Drugi sposób zarządzania zasobami mocy pierwotnej (prime–power splitting) polega na równomiernym zasilaniu dowolnej konfiguracji anten AESA. W trybie monitorowania parametry każdej anteny AESA są kontrolowane poprzez pomiar dostarczanej mocy, natężenia przepływu płynu chłodzącego, stanu wentylatora oraz temperatury pracy. Ponadto w każdej antenie jest wbudowany czujnik do testowania i kalibracji kanałów T/R. Widok izometryczny pojedynczej anteny AESA przedstawiają rysunki Fig.6,6A.6B,6C. Budowa panelu antenowego AESA objęta jest również patentem US 7348932, którego analiza prowadzi do wniosku o dużej przewadze konstrukcyjnej firmy Raytheon nad konkurencja w dziedzinie radarów AESA.
Komentarz
Przedstawiona analiza patentu Raytheona US8451165 MOBILE RADAR SYSTEM jest pochodną informacji prasowych na temat zakupu systemu Patriot przez Wojsko Polskie. Dotychczasowy system Patriot, który jest na uzbrojeniu państw NATO wyposażony jest według https://pl.wikipedia.org/wiki/AN/MPQ-53 w radar AN/MPQ53 – amerykański mobilny radar na samochodowej platformie kołowej, stanowiący element taktycznego systemu obrony przestrzeni powietrznej MIM-104 Patriot. MPQ-53 jest urządzeniem o fazowanej sieci antenowej, pracującym w zakresie częstotliwości 4-8 GHz (3,75-7,5 cm). Sterowany jest cyfrowym komputerem bojowego centrum zarządzania systemu Patriot AN/MSQ-104 ECS (Engagement Control Station). Radiolokator zamontowany jest na naczepie i wyposażony w płaską antenę typu ścianowego. Zasadnicza cześć anteny składa się z 5161 elementów promieniujących, z których każdy wysyła własną wiązkę elektromagnetyczną w ustalonym kierunku. Radiolokator może obserwować przestrzeń powietrzną w określonym sektorze, śledząc w sposób ciągły maksymalnie 90 do 125 celów jednocześnie w swoim sektorze obserwacji oraz uczestniczyć w naprowadzaniu do 9 pocisków atakujących różne cele. Zasięg radaru wynosi 35-50 km dla obiektu na wysokości 50-100 metrów; do 170 km na wysokości 1000-2000 metrów dla obiektu powietrznego typu samolot myśliwski. Radar może być przełączany na jedną z 32 sekwencji pracy, wykorzystujących 54 różne zakresy działania, obejmujące przede wszystkim rozmaite zabezpieczenia przed zakłóceniami różnych rodzajów. Przełączanie odbywa się w trybie natychmiastowym, bez przerw czasowych między nimi. Sektor śledzenia sięga 60° od jego głównej osi (prostopadłej do płaszczyzny anteny), jednak cel może być wykryty w sektorze ±45° od osi sektora obserwacji. W razie potrzeby, radar może być szybko odwrócony. Wadą obecnego systemu Patriot jest ograniczony sektor śledzenia i wykrywania obecnego radaru AN/MPQ-53 co znacznie komplikuje i ogranicza obsługę systemu w rzeczywistych warunkach bojowych. Firma Raytheon rozwiązała ten problem w nowej wersji systemu poprzez zastosowanie w nowej stacji radiolokacyjne systemu Patriot trzech nieruchomych anten ścianowych zamiast jednej (co zapewnia obserwacje dookólną) na mobilnym kontenerze. Dodatkowo anteny ścianowe wykonane są w „technologii aktywnego skanowania fazowego” AESA (Active Electronically Scanned Array) bazującej na azotku galu (GaN).
Obecnie wykonana antena główna AESA jest bezpośrednim zamiennikiem anteny wykorzystywanej w standardowym radarze systemu Patriot. Ma szerokość 2,7 m oraz wysokość 4 m i jest „ustawiona w kierunku podstawowego zagrożenia”. Tylne panele antenowe o aperturze czterokrotnie mniejszej od anteny głównej są nakierowane na kierunki pomocnicze. Dzięki temu system zapewnia dodatkowo wykrywanie i śledzenie celów w tyle i na bokach, a więc realizuje narzucone wymaganie dotyczące obserwacji dookolnej radaru.
Aktualny stan rozwoju konstrukcji radaru Patriot przedstawia link http://patriotsystem.pl/nowa-moc-systemu-patriot/
Komputerowa wizualizacja opartego na technologii GaN radaru Patriot wykrywającego cele w promieniu 360 stopni.
Reasumując, można śmiało powiedzieć, że problem modernizacji systemu Patriot został błyskawicznie rozwiązany dzięki opanowaniu nowej, opatentowanej, technologii w zakresie anten AESA. Obszerny zakres opisów patentowy z tej dziedziny powinien zostać przeanalizowany przez PIT-RAWAR w celu ułatwienia przyszłej współpracy z firmą Raytheon.