PASSZÍV RADARRENDSZER A LÉGI FELDERÍTÉSBEN WAMLAT 2

Átírás

1 Szüllő Ádám PASSZÍV RADARRENDSZER A LÉGI FELDERÍTÉSBEN WAMLAT A hagyomáyos légi felderítés eseté szükséges megvilágító jel haszálata számos problémát vethet fel. Katoai alkalmazás eseté a legfőbb probléma a felderítő radar észlelhetősége, míg polgári esetbe az elfoglalt frekveciasáv költségvozata. Techikai ehézségeket okozhat a szükséges agy jelteljesítméy előállítása is. Passzív esetbe eze problémák em jeletkezek, hisze a radarredszer ebbe az esetbe csupá hallgatózik. Egy ilye redszer rádió felderítési módszerekkel em észlelhető, em okoz iterfereciát más redszerekbe, továbbá rugalmasa telepíthető, a tisztá vételi üzemmód miatt em szükséges egedélyeztetés. A cikkbe bemutatott redszer multilaterációs techika segítségével teszi lehetővé egy agyobb területe elszórt vevők (WAMLAT Wide Area Multilateratio) által gyűjtött fedélzeti traszpoder jelek alapjá polgári repülőgépek pozíciójáak mérését. A multilaterációs techika időmérése alapul, ezért mide egyes vételi helye szükséges agy potosságú szikroizáció biztosítása. A kifejlesztett órajel geerátor részegység a GPS redszerhez törtéő szikroizáció által képes mid frekveciába, mid fázisba szikro órajelet biztosítai az időmérés céljából az egyes vételi helyeke. PASSIVE DISTRIBUTED RADAR SYSTEM FOR AIR SURVEILLANCE - WAMLAT Classical air surveillace radars have a major problem which is the ecessity of the exciter source. I a military applicatio the sigal source prohibits the radar system to stay hidde, while i the civil case it has a obligatory frequecy allocatio fee. Passive radar systems are oly listeig, so they will ot iterfere with other systems, ad ca ot be detected by ELINT. This article presets a multilateratio based system, which makes possible detectio ad positioig of aerial vehicles by distributed receivers (WAMLAT - Wide Area Multilateratio). This techique is based o time measuremet, therefore it is ecessary to keep the receivers i sychroous state. The article also demostrates a developed GPS based oscillator, which ca provide precise phase sychroous clock sigal at every receiver statio. BEVEZETÉS A BME Szélessávú Hírközlés és Villamosságta Taszék Mikrohullámú Távérzékelés laboratóriuma egy multilaterációs radarredszer kifejlesztésére vállalkozott. A projekt újszerűsége következtébe több részterülete itezív kutatási és fejlesztési tevékeységet igéyel. A multilaterációs radarredszer egy elosztott, a redszerre voatkoztatott abszolút idő mérésé alapuló mérőredszer. Az egyes, földrajzilag szétszórt mérési potoko szükséges egy agy potosságú, egymáshoz szikroizált órajel források biztosítása. A kiépítedő redszer agy terület lefedését célozza meg (WAMLAT), ezért em célszerű vezetékes órajel szétosztó hálózat kiépítése. A bemutatott megoldás a GPS műholdak vétele alapjá állítja elő a agypotosságú, szikroizált órajelet. BME, Szélessávú Hírközlés és Villamosságta Taszék Mikrohullámú Távérzékelés Laboratóriuma; szullo@mht.bme.hu Lektorálta: Dr. Ludáyi Lajos y. okl. mk. alez; főiskolai taár, Nemzeti Közszolgálati Egyetem Katoai Repülő és Légvédelmi Taszék, ludayi.lajos@ui-ke.hu 706

2 MULTILATERÁCIÓ A multilaterációs techika haszálata feltételezi a több vevőállomás általi vételt, azaz a jelforrást egyszerre legalább (egy későbbiekbe meghatározott) miimális számú vevő érzékeli (multisztatikus vétel. ábra ), valamit eze jelforrás és a mérőredszer közötti függetleséget. Ez utóbbi feltétel aak a következméye, hogy a multilateráció alapuló pozíció mérési eljárás eseté em ismert a méredő jelforrás jelidítási ideje. Eze ismeretle paraméter következtébe em haszálható a hagyomáyos radarredszerek esté mért TOA 3 érték(ek). Az egyes állomások által vett jelek beérkezési idejéek (a redszer egészére voatkoztatott abszolút idő alapjá) precíz mérése lehetővé teszi az egyes állomások közötti TDOA 4 értékek meghatározását, amely adathalmaz a megfelelő algoritmus segítségével átalakítható a jelforrás téyleges pozícióját jól közelítő eredméyé.. ábra Multisztatikus vétel A vett jelek beékezési ideje a redszer abszolút idejéhez viszoyította kerül meghatározásra, az egyes időkülöbségek számítása az egyik tetszőlegese kiválasztott állomáshoz viszoyította törtéik. 0 Tdiff c Tdiff... Tdiff,,, N t r t r t r t r 0 N t r 0 t r 0 t r... 0 t r A TDOA értékek és a keresett pozíció közti kapcsolatot egy emlieáris egyeletredszer () 0 () 3 TOA - Time of Arrival - A jel idítása és vétele között eltelt idő. 4 TDOA - Time Differece of Arrival - Az egyes vételi helyeke mért a jelekhez hozzáredelt abszolút idők külöbsége 707

3 adja meg, ahol az r helyvektorok az egyes vételi állomások térbeli pozícióját, míg t helyvektor a jelforrás pozícióját adják meg. Geometriailag az egyeletredszer az egyes időkülöbségek és hozzá tartozó helyvektor párok által meghatározott forgás-hiperboloidok metszéspotjára vezet. Lieáris egyeletredszerre vezető megoldás [][] A multilaterációs elvből származó emlieáris összefüggések elleére, megadható egy lieáris egyeletredszer alapú leírás (), mely a hagyomáyos matematikai eszköztár segítségével megoldható. A emlieáris összefüggések ebbe az esetbe az egyeletredszer egyes paramétereibe jeleek meg. 0 xa yb zc D Az () egyelet N darab vevőt feltételezve N- fokú egyeletredszert ad meg (3). () D D D... D 3 4 A A3 A4... AN B B B B N N N C C 3 x C 4 y... z C A (tetszőlegese megválasztott) =0 és = idexű vevő refereciakét szolgál az (3) egyeletredszer paramétereiek (4), (5), (6), (7), valamit eze paraméterek segédparamétereiek (8), (9) megadásába. (3) A x c T diff, x c T diff, (4) B y c T diff, y c T diff, (5) C z c T diff, z c T diff, (6) D c T diff, c T diff, x y c T z diff, diff, R 0 x y c T z diff, (7) c T R (8) R t (9) r A multilateráció alapuló pozíció meghatározás a közel síkbeli vevő elredezés következtébe em alkalmas magassági érték meghatározására. Eek következtébe a továbbiakba csak a kétdimeziós, síkbeli pozíció meghatározására korlátozódik a vizsgálódás. Kétdimeziós pozíció meghatározás eseté az egyeletredszer (3) alapjá belátható, hogy legalább 4 708

4 vevő szükséges a pozíció meghatározásához. További megfigyelési potokat felhaszálva javul a multilateráció potossága. Radarredszer geometriai elredezéséek hatása A multilateráció vizsgálata Mote Carlo szimulációs módszerrel lett elvégezve. A szimulációkra jellemző a 00 x 00 km-es vizsgálati terület, a vevők e területe belül kerültek elhelyezésre. A céltárgy magassága mide esetbe a vevők síkja felett 0 km-rel volt. A. ábra eseté látható egy maximálisa szimmetrikus, miimális számú, égyvevős elredezés pozíciómérési hiba térképe. Az ábrá látható zöld potok a vevők helyzetét jelölik. A szimuláció sorá az egyes vevők időmérését 30 s szórású, egymással függetle fehérzaj terheli. A sötétebb szíek kisebb pozíció mérési hibát, míg a világosabb szíekkel jelölt területeke a pozíciómérés potossága jeletőse rosszabb a geometriai elredezés következtébe. A hiba jellemzése a téyleges pozíciótól mért abszolút eltérés, mit valószíűségi változóra számolt szórás alapjá törtéik. A vevők által meghatározott égyzet oldalfelező merőlegesei meté észlelt jeletős pozíciómérési bizoytalaság az elredezés szimmetria tulajdoságaira vezethető viszsza. Geometriailag belátható, hogy az egyees meté elhelyezkedő céltárgy eseté az ehhez közelebbi (egyeesre szimmetrikus) vevő pár által meghatározott hiperbola, valamit a céltárgytól távolabbi vevő pár által kijelölt görbe agy távolságo "együtt fut" ezért metszéspotjuk meghatározása redkívül bizoytala. A 3. ábra eseté látható a égyvevős optimális elredezés pozíciómérési hibatérképe, azoos időmérési bizoytalasággal, azoos területű, az elredezés köré felvehető körrel. Az ábra alapjá megállapítható, hogy gyakorlatilag a vevők által meghatározott területe belül elhelyezkedő céltárgyak pozíciójáak mérése lehetséges kielégítő potossággal.. ábra Miimális számú vevő szimmetrikus elredezése esetére szimulált pozíciómérési hiba 709

5 3. ábra Miimális számú vevő optimális elredezése esetére szimulált pozíciómérési hiba A. ábra és 3. ábra eseté a szimuláció egy kokrét értékű időmérési bizoytalaságot tételez fel. Egy tetszőleges geometriájú vevőelredezés jellemzése yilvá em függhet a vevők pozíciómérési bizoytalaságától. Erre a célra megfelel a GDOP 5 elevezésű, dimezió élküli aráyszám. A GDOP értéke egy adott potba az eél a helyvektorál fellépő pozíciómérési bizoytalaság és az időmérési bizoytalaság pozícióra törtéő átváltása háyadosakét számítható. A multilateráció emlieáris összefüggései miatt em teljesül a GDOP érték időmérési bizoytalaság agyságától való függése, azoba utóbbi éháy agyságred szélességű tartomáyába a közel lieáris hibaterjedés következtébe eze függés elhayagolható. A 4. ábra alapjá megállapítható, hogy a vevőállomások által lefedett területtől távolodva rohamosa romlik a pozíciómérés potossága. 5 GDOP Geometric Dilutio of Precisio a geometriai elredezésből származó mérési potosság romlás agysága 70

6 4. ábra Miimális számú vevő optimális elredezése esetére szimulált pozíciófüggő GDOP diagram 5. ábra 4 vevő optimális elredezése agyobb területe; szimulált pozíciófüggő GDOP diagram A 4. ábra és 5. ábra összevetése alapjá belátható, hogy a vevők által meghatározott terület agyságát övelve a pozíciómérési potosság em romlik. Eek következtébe a vételi zóa agyságát csupá a vevőállomások hatótávolsága korlátozza. 7

7 GPS ALAPÚ SZINKRONIZÁCIÓ Az előző fejezet alapjá megállapítható, hogy a pozíciómérés potosságát elsősorba az egyes állomásoko törtéő időmérés potossága határozza meg. A multilaterációs redszer működéséek tehát alapvető fotosságú feltétele az egyes vételi állomások helyi óráiak együttfutása. A flexibilis és gyors telepítést, valamit a vételi helyek közötti távolságot figyelembe véve em építhető ki vezetékes (optikai/réz) órajel elosztó hálózat (mely jeletős költségvozattal is jára). Mikrohullámú átviteli lác alkalmazása az egedélyeztetési vozata és (katoai szempotból) felderíthetősége miatt kerüledő. Az atomóra alapú GPS 6 redszer bevoása lehetővé teszi teljese passzív vevőállomások létrehozását. A GPS redszer agy potosságú időalapja egy GPS vevő keresztül a PPS 7 jelkimeete érhető el. Ez egy agypotosságú, a GPS redszer időalapjáak másodpercéhez szikroizált Hz ismétlési frekveciájú impulzus sorozat. Legagyobb hátráya, hogy jeletős zajjal terhelt, az ideális időhöz képest jeletős szórással (jitter) bír. Eek következtébe szikroizációs alapkét törtéő felhaszálása sorá megfelelő szűrési módszereket kell alkalmazi. GPSDO A GPS által szikroizált oszcillátorokat agol termiológia szerit GPSDO 8 -ak evezik. Általáos felépítésükre jellemző a zárt szabályozási hurok (6. ábra ). 6. ábra Szabályzási kör általáos blokkvázlata A kifejlesztett szikroizált órajelet biztosító eszköz egy teljese digitális megoldás. Ebbe az esetbe a fázisdetektor, a szabályzó, valamit a vezérelt oszcillátor is digitális módo kerül megvalósításra. A digitális oszcillátor az NCO 9 techika segítségével kellő bitfelbotás eseté redkívül agy frekvecia és fázis felbotást képes biztosítai. Lévé a teljes szabályzási kör umerikusa va megvalósítva, a PPS jel véletleszerűségét leszámítva teljese determiisztikus működést biztosít. Az elérhető stabilitásak, és potosságak csak a lokális oszcillátor stabilitása szab gátat. A szikroizált órajelet az NCO umerikus értékeiből DDS 0 techika segítségével lehet előállítai (7. ábra ). 6 GPS Global Positioig System Globális Helymeghatározó Redszer 7 PPS Pulse Per Secod másodpercekéti impulzus 8 GPSDO GPS Disciplied Oscillator GPS stabilizált oszcillátor 9 NCO Numerically Cotrolled Oscillator Numerikusa hagolt digitális oszcillátor 0 DDS Direct Digital Sythesizer Direkt digitális szitézer 7

8 Kísérleti eszköz 7. ábra Teljese digitális GPSDO blokkvázlata Az elérhető potosság és stabilitás valós körülméyek közti mérése érdekébe egy GPSDO eszköz került kifejlesztésre (8. ábra ), két példáyba. A két példáyra az egymással törtéő összehasolítás miatt va szükség. A GPS vevő egy általáos célú modul. 8. ábra GPSDO eszköz 73

9 Az eszköz egy 0 MHz frekveciájú referecia órajelet, valamit egy ezzel szikro Hz ismétlési frekveciájú PPS jelet állít elő. Ez utóbbi a GPS PPS jeléek jeletőse zavarszűrt változatáak tekithető. Az abszolút idő meghatározását a soros portoko elérhető szabváyos GPS NMEA üzeetek, a PPS jel, valamit a 0 MHz frekveciájú referecia órajel együttese teszi lehetővé. Mérési eredméyek A miősítő mérés a két GPSDO eszköz PPS jelei közti fázishiba (időhiba) másodpercekéti mérése alapjá lett elvégezve (9. ábra, 0. ábra ). 9. ábra Fázishiba (s skálázás) másodpercekéti mitavételezéssel, 000 másodperc 0. ábra Fázishiba diagram egy részlete, 80 másodperc Hosszú távo a két eszköz között 4 s szórással jellemezhető fázishiba figyelhető meg, amely szórás azoba rövidtávo jeletőse kisebb. Feltételezve a két eszköz fázishibáiak függetleségét, egy eszközre voatkoztatva az egyes előállított órajelek fázishibája 0 s szórású. Eredméy értékelése A miősítő mérés alapjá 0 s szórású időmérési hibát feltételezve a pozíciómérés potossága a 4 vevős, optimális elredezés eseté a vételi állomások által meghatározott területe be- NMEA Natioal Marie Electroics Associatio szabváyos kommuikációs protokoll 74

10 lül 5 méter alatti szórással jellemezhető (. ábra ).. ábra 0 s szórású időmérési hiba hatása a pozíciómérés potosságára A mérési eredméyek és a szimuláció alapjá megállapítható, hogy több mi 99%-os valószíűséggel a pozíciómérés hibája kisebb, mit 75 méter. Hasolóképpe a 00 méterél kisebb hiba már égykileces kofideciával jellemezhető. A szimuláció midazoáltal em számol az egyéb, járulékos időmérés potosságát rotó téyezőkkel. WAMLAT A kiépítésre kerülő WAMLAT redszer multilaterációs techika segítségével polgári légi eszközök pozícióiak meghatározását tűzi ki célul. Az egyes járművek fedélzeté megtalálható SSR traszpoderek által sugárzott jelcsomagok vétele által lehetséges az egyes járművek térbeli és időbeli szeparációja. A traszpoder a hagyomáyos, ú. Mode-A és Mode-C válaszokat alkalmazza az SSR redszerbe idetifikáció és magassági adatok megadására. Külső szemlélő számára eze két válasz megkülöböztetése em lehetséges, csak az SSR radar kérdező jele ismeretébe lehetséges elkülöítésük. A multilaterációs redszer szempotjából ez em okoz hátráyt, hisze csupá az egyes vételi állomásoko szükséges az egyes válaszjelek kvázi szimultá vétele és egymástól törtéő elhatárolhatósága, valamit egyértelmű detekciója. Az SSR redszer továbbfejlesztésekét jelet meg a traszpoderek Mode-S üzemmódja, mely egy jóval fejlettebb struktúrájú, egyedi azoosítást lehetővé tevő adatcsomagokat haszál fel a repülőgép felderítésére. A Mode-S üzemmód legagyobb előye multilaterációs szempotból az ú. Acquisitio Squitter, mely a traszpoder agyjából másodpercekéti automatikus jelzését jeleti. A viszoylagosa magas ismétlési gyakoriság haszos a multilaterációs radarredszerbe törtéő alkalmazása sorá. [3] SSR Secodary Surveillace Radar szekuder radar 75

11 A pilot redszer egyes vételi állomásai az SSR válaszjelek frekveciájára hagolt ateákkal és detektorokkal érzékelik a beérkező jeleket. Digitalizálás utá a lokális feldolgozó egység szeparálja és azoosítja az egyes válaszokat, ezekhez egyedi azoosítót, valamit a helyi GPSDO segítségével időbélyeget redel. Az ily módo jeletőse redukált adatmeyyiséget egy Etheret csatoló segítségével az Iterete keresztül (titkosított módo) juttatja el a közpoti feldolgozó egységhez. Eze közpoti egység végzi el a beérkező adatok öszszevetése alapjá a multilaterációs pozíciószámítást, mely eredméyt a redeltetési helyére juttatja (. ábra ).. ábra WAMLAT redszer blokkvázlata 3. ábra A WAMLAT redszer egy vevőállomása 76

12 KATONAI ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEK A cikkbe bemutatott redszer a polgári légi iráyítás számára teremt egy alteratívát, azoba a multilaterációs elv, valamit a redszer egy agy része alkalmas katoai célból törtéő felhaszálásra is. Az SSR válaszjel feldolgozó egység kiváltható más, ismert tulajdoságú jelek vételére alkalmas egységgel. A vevőállomások és a közpoti feldolgozó között meglévő elegedőe szélessávú adatátviteli út megléte eseté, szélessávú vevők által vett jelek feldolgozási fázisát a közpoti állomásra áthelyezve lehető válik előre em ismeret tulajdoságú jelek alapjá törtéő multilateráció alapú, a jelforrásra voatkozó pozíció mérése. A redszer kibővíthető félaktív üzemmódra váltással. Ebbe az esetbe egy, a redszertől függetle megvilágító forrás haszálatával az egyébkét rádióforgalmat mellőző céltárgy is érzékelhetővé válhat. Erre a célra már meglévő jelforrások (például TV/rádió adó) is felhaszálhatóak. További lehetőség egy saját telepítésű feláldozható jelforrás haszálata, mely megsemmisítése eseté akár egy máshol elhelyezett hasoló eszköz veheti át szerepét. A félaktív üzemmód eseté akár lopakodó képességű céltárgyak is detektálhatóvá válhatak, hisze eze képességű repülőgépek visszaverési tulajdoságaira jellemző a tovareflektálás, azaz az ezeket megvilágító forrás jeleit em a forrás iráyába verik vissza, haem attól elfelé. ÖSSZEFOGLALÁS A kifejlesztett eszközök lehetővé teszik egy, a hagyomáyos radarfelderítéstől függetle felderítő hálózat kiépítését. A redszer a GPS alapú szikroizálásak köszöhetőe a kellőe jó potosság mellett gyorsa és flexibilis módó telepíthető. A kokrét redszer ugya csak az SSR válaszjelek vétele alapjá a polgári légi járművek (valamit békeidőbe katoai repülőgépek) yomo követését teszi lehetővé, azoba a vételi állomások vevő egységeiek cseréjével lehetővé válik a redszer kiterjesztése más emittált jelek alapjá törtéő bemérésre. FELHASZNÁLT IRODALOM [] BUCHER, Ralph MISRA, D.: A sythesizable low power VHDL model of the exact solutio of three dimesioal hyperbolic positioig system, VLSI Desig 5(), , 00. [] FANG, B.T. Simple solutios for hyperbolic ad related positio fixes, IEEE Tras. Aerosp. Elect. Systems 6(5), , 990 [3] POTIER, Eric TSG: Maual o Multilateratio Surveillace, ICAO, Motreal,