Radar stations as a means of ensuring the security of critical information infrastructure

Full Text

Введение

Под критической инфраструктурой принято понимать совокупность предприятий, сетей, систем выход из строя или нарушение функционирования которых может вызвать потерю управления или нанести существенный ущерб на общегосударственном, региональном, местном или объектовом уровне [1]. Управление критической инфраструктурой (КИ) осуществляется посредством информационных систем, информационно-телекоммуникационных сетей, автоматизированных системы управления, а также сетей электросвязи, которые используются для организации их взаимодействия. Совокупность этих систем и сетей определяют как критическую информационную инфраструктуру (КИИ) [2; 3]. КИ и КИИ являются охраняемыми объектами. Для их охраны и защиты имеются специальные подразделения физической защиты, решающие также ряд специфических задач.

Первой из этих задач является освещение обстановки в непосредственной близости к охраняемому периметру объекта и на подходах к нему [4-10]. Для решения этой задачи подразделениями физической защиты объекта используются оптические и инфракрасные средства, контактные и акустические системы, радиолокационные станции. Использование последних находит все более широкое применение, особенно в условиях атмосферных осадков (снег и дождь) и ограниченной видимости (туман и морось). Качество решения задач по освещению обстановки напрямую зависит от эффективности применения радиолокационных станций. Грамотное применение радиолокации для решения различных задач определяется знанием и использованием основных свойств радиолокационных станций.

Целью работы является систематизации основных характеристик радиолокационных станций (РЛС) как средств обеспечения безопасности критической информационной инфраструктуры [11-15]. Для достижения поставленной цели необходимо последовательно решить следующие задачи. Во-первых, проанализировать основные виды радиолокационных станций и определить доминирующий тип РЛС. Во-вторых, дать понятия тактических и технических характеристик радиолокационных станций. В-третьих, рассмотреть особенность главной тактической характеристики - дальности действия радиолокационной станции.

Основные виды радиолокационных станций и доминирующий тип РЛС

Радиолокационная станция, радар (от английского «radar» или «radio detection and ranging» -радиообнаружение и измерение дальности) - система для обнаружения воздушных, морских и наземных объектов, а также для определения их дальности, скорости и геометрических параметров [4; 12; 16-19]. В настоящее время их принято различать по назначению: РЛС обнаружения, РЛС управления и слежения, РЛС целеуказания и другое. В зависимости от используемого диапазона волн их разделяют на метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые.

Первичный радиолокатор, в основном, служит для обнаружения целей, освещая их электромагнитной волной и затем принимая ее отражение (эхо) от цели. Поскольку скорость электромагнитных волн постоянна (равна скорости распространении света), становится возможным определение расстояния до цели на основе измерения различных параметров распространения сигнала. В основе устройства РЛС лежат три компоненты: передатчик, антенна и приёмник [8; 20-23].

Передатчик (передающее устройство) является источником электромагнитного сигнала высокой мощности и представляет собой мощный импульсный генератор. Для РЛС сантиметрового и миллиметрового диапазона в качестве генератора обычно используется магнетрон. В зависимости от конструкции передатчик может работать либо в импульсном режиме, формируя повторяющиеся короткие мощные электромагнитные импульсы, либо излучает непрерывный электромагнитный сигнал.

Антенна выполняет фокусировку излучаемого сигнала и формирование диаграммы направленности, а также приём отражённого от цели сигнала и трансляцию его в приёмник. Чтобы мощный сигнал не просачивался от передающего устройства в приёмник и не ослеплял его при приеме слабого эха, перед приёмником размещают специальное устройство (антенный переключатель), закрывающее вход приёмника в момент излучения зондирующего сигнала.

Приёмник (приёмное устройство) выполняет усиление и обработку принятого сигнала. В самом простом случае результирующий сигнал подаётся на электронно-лучевую трубку (экран радиолокатора), которая показывает изображение, синхронизированное с движением антенны.

Современные РЛС основаны, как правило, на частотном, фазовом и импульсном методах измерения отражённого сигнала [24-29]. Среди РЛС наблюдения доминирующим типом являются импульсные радиолокаторы. Импульсный радар передает излучающий сигнал коротким импульсом (обычно от долей до единиц микросекунды), после чего переходит в режим приема, в то время как излученный импульс распространяется в пространстве. Поскольку импульс распространяется от радара с постоянной скоростью, то расстояние до цели определяется временем, прошедшим с момента излучения импульса до момента получения эхо-ответа. Промежуток времени между излучением импульсов называют частотой повторения импульсов, которая определяет рабочую шкалу дальности станции. Использование импульсного метода позволяет создавать РЛС с одной антенной и достаточно простым и эргономичным индикаторным устройством.

Таким образом, среди множества видов радиолокационных станций самыми многочисленными являются РЛС обнаружения, которые предназначены для освещения обстановки вокруг места их расположения. Доминирующим типом среди этих РЛС являются импульсные радиолокационные станции сантиметрового и миллиметрового диапазонов, которые используют одну антенну, достаточно просты и эргономичны при использовании по прямому назначению.

Тактические и технические характеристики радиолокационных станций

Тактические характеристики РЛС - это ключевые свойства боевого использования радиолокационных станций по их прямому назначению, в первую очередь для выявления опасных целей, приближающихся к охраняемому периметру, и обеспечения применения технических и других средств, имеемых в распоряжении систем обеспечения безопасности критической информационной инфраструктуры, для их нейтрализации или уменьшения опасности [5; 30].

К тактическим характеристикам РЛС наблюдения относится восемь боевых свойств, выраженных в определенных численных единицах измерений. Первое - это дальность действия.

Дальность действия - наибольшая дальность обнаружения главной цели поиска РЛС, например, конкретный тип злоумышленника (вооруженного диверсанта, оснащенного специальными техническими средствами и обмундированием) или летательный аппарат (с заданным радиусом эквивалентной отражающей поверхности), находящийся на определенной высоте, или резиновое плавсредство (с заданным радиусом эквивалентной отражающей поверхности).

Следующие параметры - это зоны обзора (и мертвая зона), разрешение по углу и по дистанции, время приведения в боевую готовность, время непрерывной работы, помехоустойчивость, высота установки антенны.

Технические характеристики РЛС - это конкретные технические свойства (технические параметры) радиолокационных станций, обеспечивающие реализацию их тактических характеристик (ключевых свойств боевого использования). Их десять. Главными, определяющими дальность действия РЛС являются следующие три:

• несущая частота ƒ, Гц – частота гармонических электромагнитных колебаний, служащих переносчиком импульсных сигналов при их излучении посредством модуляции. Измеряется в герцах и связана с длиной излучаемой волны λ соотношением C = ƒ⋅λ, где C = 3ꞏ10⁵ км/с – скорость распространения электромагнитных волн;
• излучаемая мощность в импульсе или импульсная мощность Р_и, Вт – средняя за время им- пульса мощность. Это значение мощности используют для характеристики импульсов прямо- угольной, колоколообразной и другой формы;
•  чувствительность приемного устройства Р_пр, Вт, характеризует способность приемника принимать слабые сигналы и определяется как минимальный уровень входного сигнала устройства, необходимый для обеспечения требуемого качества полученной информации.

Другими техническими параметрами являются ширина направленности антенны, коэффициенты направленного действия и усиления антенны, коэффициент распознавания сигнала, скорость обзора пространства, потребляемая мощность и габаритные параметры.

Таким образом, тактические характеристики радиолокационных станций в системах обеспечения безопасности критической информационной инфраструктуры включают дальность действия, зоны обзора, разрешение по углу и дистанции, время приведения в боевую готовность и время непрерывной работы, помехоустойчивость и высоту установки антенны. Технические характеристики РЛС - это конкретные технические свойства (технические параметры) радиолокационных станций, обеспечивающие реализацию их тактических характеристик (ключевых свойств боевого использования).

Особенности главной тактической характеристики - дальности действия радиолокационной станции

Принято различать четыре вида дальности действия РЛС: энергетическую, геометрическую, ожидаемую и фактическую.

Энергетическая дальность обнаружения цели Д_э (с радиусом эквивалентной отражающей поверхности R_э), измеряемая в метрах, находится из основного уравнения (нестрогого неравенства) радиолокации

^{$\frac{{Р}_{и ·}{К}_{ус}· 2\mathrm{\pi } · {\mathrm{R}}_{\mathrm{э}}^2}{{\left(4\mathrm{\pi Д}\right)}^4} · {10}^{-0,2\mathrm{\beta }·{\mathrm{Д}}_{\mathrm{км}}}\ge \delta ·\frac{{Р}_{пр}}{{К}_{ус}},$}                                                                                                  (1)

где β - коэффициент объёмного затухания. Его значение зависит от частоты электромагнитных колебаний, распространяющихся в пространстве, и находится эмпирическим путём.

Энергетическая дальность обнаружения цели Д_э является расчётной величиной и не учитывает искривление земной поверхности, обусловленной её формой, особенностями рельефа местности в районе охраняемого объекта.

Геометрическая дальность Д_г учитывает данные особенности. Она основана на принципе прямолинейного распространения электромагнитных волн, подобно лучу света. Искривление земной поверхности вследствие того, что Земля имеет шарообразную форму, наличие положительного и отрицательного рельефа вызывает формирование зон освещенности и зон тени. Цели, находящиеся в зоне тени, не обнаруживаются.

Ожидаемая дальность обнаружения цели учитывает рефракцию электромагнитных волн - искривление прямолинейно распространяющегося электромагнитного луча вследствие изменения состояния приземных слоёв атмосферы, которое традиционно зависит от температуры воздуха, его влажности и атмосферного давления. Это учитывается коэффициентом аномалии А, который рассчитывается аналитически по эмпирическим методикам, соответствующим разным диапазонам электромагнитных волн - сантиметровому, дециметровому и метровому. Кроме этого, существуют методики для определения коэффициента аномалии по другим местным признакам.

В ряде случаев для определения ожидаемой дальности обнаружения Д_о используют не геометрическую. а энергетическую дальность обнаружения. Это происходит в тех случаях, когда Д_э << Д_г.

В связи с этим справедливо утверждение, что:

${Д}_0= А · \left\{\begin{array}{l}{\mathrm{Д}}_{\mathrm{г}}, \mathrm{если} {\mathrm{Д}}_{\mathrm{г} }\approx {\mathrm{Д}}_{\mathrm{э}}\\ {\mathrm{Д}}_{\mathrm{э}}, \mathrm{если} {\mathrm{Д}}_{\mathrm{э}} << {\mathrm{Д}}_{\mathrm{г}}\end{array}\right.$                                                                                                                                 (2)

Необходимо заметить, что и энергетическая, и геометрическая, и ожидаемая дальности обнаружения являются результатом аналитического расчёта.

Фактическая дальность Д_ф - это дальность обнаружения, получаемая в результате использования РЛС по прямому назначению. Она является результатом измерения дальности только что обнаруженной стандартной цели при определённых условиях. Наблюдаемые в таких условиях различные стандартные цели - воздушные, надводные, наземные - обнаруживаются в определённом диапазоне дистанций каждая. Набранный (систематизированный по результатам боевого использования РЛС) набор дистанций подчиняется нормальному закону распределения, на основании которого строится интегральная закономерность обнаружения конкретной радиолокационной цели при определённых условиях.

Другими словами, фактическая (статистическая, экспериментальная) дальность обнаружения Д_ф определяется в виде:

${Д}_{ф}= \left\{\begin{array}{l}{Д}_{min}, если {Р}_{обн}= 1,\\ {Д}_{ср}, если {Р}_{обн}= 0,5,\\ {Д}_{max}, если {Р}_{обн}< 0,5.\end{array}\right.$                                                                                                                                 (3)

В зависимости от вероятности обнаружения цели возможно построить зоны обнаружения. Расстояние, начиная с которого вероятность обнаружения цели равна единице, принимается дальностью достоверного обнаружения. Она образует зону достоверного обнаружения, которая располагается в окружности, радиус которой условно равен единице. Если расстояние, на котором вероятность обнаружения цели равна 0.5. то радиус зоны обнаружения от 1 до 1,5. Зона, образованная данной окружностью, располагающаяся за областью достоверного обнаружения, является зоной вероятного обнаружения. Область пространства, располагающуюся за зоной вероятного обнаружения, принято называть зоной неуверенного обнаружения, радиус которой от 1,5, где фактическая дальность обнаружения максимальная.

Заключение

Среди множества видов радиолокационных станций самыми многочисленными являются РЛС обнаружения, которые предназначены для освещения обстановки вокруг места их расположения. Доминирующим типом среди этих РЛС являются импульсные радиолокационные станции сантиметрового и миллиметрового диапазонов, которые используют одну антенну, достаточно просты и эргономичны при использовании по прямому назначению.

Для определения дальности обнаружения цели с учетом влияния условий среды и рельефа местности (в месте установки радиолокационной станции) необходимо использовать систему уравнений, содержащую зависимости дальностей обнаружения: энергетической, геометрической. ожидаемой и фактической (статистической), первые три из которых используются для аналитических расчётов, а фактическая - для оценки результатов обнаружения. Соответствие аналитических расчётов фактическим результатам позволяет также оценить достоверность предположений об отражающих свойствах целей в различных условиях обстановки при обеспечении безопасности критической информационной инфраструктуры.

Благодарности. Работа выполнена в рамках государственного задания по теме No 0555-2021-0005.

Acknowledgements. The work was carried out within the framework of the state assignment on topic No. 0555-2021-0005.

About the authors

Yulia Yu. Goncharenko

Sevastopol State University

Email: yygoncharenko@sevsu.ru

Dr. Sc., Docent, professor

Russian Federation, 33. Universitetskaya St.. Sevastopol. 299053

Igor’ N. Kartsan

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology; Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: kartsan2003@mail.ru

доктор технических наук, доцент, старший научный сотрудник

Russian Federation, 31, Krasnoiarskii Rabochi Prospekt, Krasnoyarsk, 660037; 2, Каpitanskaya St., Sevastopol, 299011

References

Supplementary files