Geländefolgeradar - Terrain-following radar

TSR-2 XR220 im RAF Museum Cosford, 2002. Ferranti entwickelte das erste Geländeverfolgungsradar speziell für den TSR-2.

Terrain-Following Radar (TFR) ist eine militärische Luft- und Raumfahrttechnologie , die es einem sehr tief fliegenden Flugzeug ermöglicht , automatisch eine relativ konstante Höhe über dem Boden zu halten und somit die Erkennung durch feindliches Radar zu erschweren. Es wird manchmal als Bodenumarmung oder Geländeumarmungsflug bezeichnet . Der Begriff „ Napf-der-Erde- Flug“ kann auch gelten, wird jedoch häufiger in Bezug auf tieffliegende Militärhubschrauber verwendet , die normalerweise kein Geländefolgeradar verwenden.

TFR-Systeme arbeiten, indem sie einen Radarstrahl vertikal vor dem Flugzeug scannen und die Entfernung und den Winkel der Radarreflexionen mit einer vorab berechneten idealen Manövrierkurve vergleichen. Durch den Vergleich der Distanz zwischen dem Gelände und der idealen Kurve berechnet das System ein Manöver, das das Flugzeug um eine vorgewählte Distanz, oft in der Größenordnung von 100 Metern (330 ft), vom Gelände befreit. Die Verwendung von TFR ermöglicht es einem Flugzeug, dem Gelände bei sehr niedrigen Pegeln und hohen Geschwindigkeiten automatisch zu folgen.

Geländefolgeradare unterscheiden sich von ähnlich klingenden Geländevermeidungsradaren ; Geländevermeidungssysteme scannen horizontal, um eine kartenähnliche Anzeige zu erzeugen, die der Navigator dann verwendet, um eine Route zu zeichnen, die höhere Geländemerkmale vermeidet. Die beiden Techniken werden oft in einem einzigen Radarsystem kombiniert, der Navigator verwendet den Geländevermeidungsmodus, um eine ideale Route durch Geländemerkmale in niedrigerer Höhe wie Täler zu wählen, und wechselt dann in den TFR-Modus, der dann diese Route in einer minimalen Höhe überfliegt.

Das Konzept wurde ursprünglich in den 1950er Jahren am Cornell Aeronautical Laboratory entwickelt. Es wurde erstmals 1959 von Ferranti in Serienfertigung für den Einsatz mit dem TSR-2- Flugzeug gebaut und flog 1962 zum ersten Mal in einem English Electric Canberra- Teststand. Während das TSR-2- Projekt schließlich aufgegeben wurde, wurde das Konzept weit verbreitet in den 1960er und 70er Jahren schlugen Flugzeuge und Interdictoren ein , darunter die General Dynamics F-111 , Panavia Tornado und Sukhoi Su-24 "Fencer". Die breitere Einführung von Tarnkappen-Flugzeugtechnologien in den 1990er Jahren hat zu einer Reduzierung des Tiefflugs als Lösung für das Problem der Vermeidung von Flugabwehrwaffen geführt, und diese Technik ist nicht mehr üblich. Die meisten Flugzeuge dieser Klasse sind seitdem ausgemustert, obwohl die Su-24 und der Tornado in einigen Stückzahlen weiterhin im Einsatz sind.

Technologie

Das System funktioniert, indem es ein Bleistiftstrahl- Radarsignal in Richtung des Bodenbereichs vor dem Flugzeug sendet , während das Radar nach oben und unten scannt. Die Reflexionen vom Boden erzeugen sehr starke Rückstrahlungen. Die Zeit, die das Signal für den Weg zum und vom Gelände benötigt, ergibt eine Entfernungsmessung zum Gelände vor dem Flugzeug. Der Winkel relativ zum Flugzeug wird von einem Sensor am vertikalen Kardanring zurückgegeben, der eine kalibrierte Spannung zurückgibt.

Während das Radar Impulse aussendet, erzeugt ein Funktionsgenerator eine sich ändernde Spannung, die eine bevorzugte Manövrierkurve darstellt. Diese hat eine ähnliche Form wie eine Skisprungschanze , flach unter dem Flugzeug und dann davor nach oben gewölbt. Die Kurve stellt den Weg dar, den das Flugzeug nehmen würde, wenn es mit konstanter g-Zahl manövriert würde , während sich der flache Bereich unter dem Flugzeug eine kurze Strecke nach vorne erstreckt, um die Strecke darzustellen, die sich das Flugzeug in einer geraden Linie bewegt, bevor dieses Manöver aufgrund der Steuerung beginnt Verzögerung. Die resultierende zusammengesetzte Kurve wird um einen vom Piloten ausgewählten gewünschten Abstand verschoben.

Das System führt zwei Messungen in dem Moment durch, in dem die Rückkehr gesehen wird. Der erste kommt vom vertikalen Encoder auf dem Radar, der den tatsächlichen Winkel zum Gelände misst, und der zweite kommt vom Funktionsgenerator, der den gewünschten Winkel im gemessenen Bereich anzeigt. Die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen ist eine Darstellung des Winkels zwischen dem Radarbild und dem bevorzugten Standort. Ist die resultierende Spannung positiv, bedeutet das, dass das Gelände oberhalb der Kurve liegt, negativ bedeutet, dass es unterhalb der Kurve liegt. Diese Differenz wird als Winkelfehler bezeichnet .

Um das Flugzeug zu führen, wird eine Reihe dieser Messungen über den Zeitraum einer vollständigen vertikalen Abtastung bis zu einer maximalen Entfernung in der Größenordnung von 10 Kilometern (6,2 Meilen) durchgeführt. Der maximale positive oder minimale negative Wert des Winkelfehlers während des Scans wird aufgezeichnet. Diese Spannung ist eine Darstellung der Änderung des Nickwinkels, mit dem das Flugzeug fliegen muss, um sich selbst auf der gewünschten Bodenfreiheit über dem Gelände zu halten, während es mit dem ausgewählten Lastfaktor manövriert. Dies kann in einen Autopiloten eingespeist oder auf dem Heads-up-Display des Piloten angezeigt werden . Dieser Prozess erzeugt einen kontinuierlich berechneten Pfad, der mit einer konstanten Manövrierlast über das Gelände steigt und fällt.

Ein Problem bei diesem einfachen Algorithmus besteht darin, dass der berechnete Weg das Flugzeug in positiver Steigung hält, wenn es sich dem Kamm eines Hügels nähert. Dies führt dazu, dass das Flugzeug noch im Steigflug über den Gipfel fliegt und einige Zeit braucht, bevor es wieder in das dahinterliegende Tal sinkt. Dieser Effekt wurde als "Balloning" bezeichnet. Um dies zu beheben, wurde für reale Einheiten ein zusätzlicher Begriff verwendet, der dazu führte, dass das Flugzeug bei größeren Verschiebungen schneller stieg. Dies führte dazu, dass das Flugzeug früher als normal die gewünschte Abfertigungshöhe erreichte und somit vor dem Erreichen des Peaks nivellierte.

Da das Radar nur Objekte in der Sichtlinie sieht, kann es keine Hügel hinter anderen Hügeln sehen. Um zu verhindern, dass das Flugzeug in ein Tal eintaucht, nur um einen harten Pull-up zu erfordern, war die negative G-Grenze im Allgemeinen niedrig, in der Größenordnung von einem halben G. Die Systeme hatten auch Probleme über Wasser, wo der Radarstrahl zur Streuung neigte vorwärts und gab wenig Signal an das Flugzeug zurück, außer auf hoher See . Unter solchen Bedingungen würde das System unter Verwendung eines Funkhöhenmessers auf eine konstante Höhe zurückfallen .

Geländevermeidung funktioniert normalerweise relativ, die absoluten Höhen von Objekten sind nicht wichtig. In einigen Fällen ist es wünschenswert, eine absolute Zahl anzugeben, um das Ausmaß des Spiels oder des Fehlens anzugeben. Die Höhe der Spitze eines bestimmten Merkmals relativ zum Flugzeug kann dann durch h = H - R sin φ berechnet werden , wobei H die vom Funkhöhenmesser gemessene Höhe über dem Boden, φ der Winkel und R die gemessene Entfernung von ist das Radar, wobei h die resultierende Höhe des Objekts über der aktuellen Flugbahn ist. Der Abstand zwischen Flugzeug und Gelände beträgt dann H-h .

Geschichte

Erste Arbeit bei Cornell

Das TFR-Konzept geht auf Studien zurück, die am Cornell Aeronautical Laboratory für die USAF Aeronautical Systems Division durchgeführt wurden . Dies führte zur Entwicklung eines Systems, das als "Autoflite" bekannt ist.

Frühe Radargeräte zur Luftabhörung verwendeten konische Abtastsysteme mit Strahlbreiten in der Größenordnung von vier Grad. Wenn der Strahl den Boden trifft, wird ein Teil des Signals zurück in Richtung des Flugzeugs gestreut, sodass es den Abstand zum Boden davor messen kann. Bei einem schrägen Blick nach unten wurden die nahe und die ferne Seite des kreisförmigen Strahls des Radars zu einer Ellipse auf dem Boden ausgebreitet. Die Rückkehr von diesem Muster erzeugte einen "Blip", der ähnlich auf der Radaranzeige ausgebreitet und nicht genau genug für die Geländevermeidung war. Es war jedoch genau genug, um eine niedrigaufgelöste kartenähnliche Darstellung des Bodens unter dem Flugzeug zu erzeugen, was zur Entwicklung des H2S-Radars in Kriegszeiten führte .

Um die für die Geländeverfolgung erforderliche Genauigkeit bereitzustellen, müssen TFR-Systeme auf dem Monopuls-Radarkonzept basieren . Die Monopuls-Technik erzeugt einen Strahl der gleichen Breite wie ein traditionelles Design, fügt dem Funksignal jedoch zusätzliche Informationen hinzu, oft unter Verwendung von Polarisation , was dazu führt, dass zwei separate Signale in leicht unterschiedliche Richtungen gesendet werden, während sie sich in der Mitte überlappen. Wenn die Signale empfangen werden, verwendet der Empfänger diese zusätzlichen Informationen, um die Signale wieder herauszutrennen. Wenn diese Signale vertikal ausgerichtet sind, trifft das Signal des unteren Strahls näher am Flugzeug auf den Boden und erzeugt einen ausgebreiteten Blip wie bei früheren Radargeräten, während der obere Strahl einen ähnlichen Blip erzeugt, jedoch in etwas größerem Abstand . Die beiden Signalpunkte überlappen sich, um eine verlängerte Ellipse zu erzeugen.

Das Hauptmerkmal der Monopuls-Technik besteht darin, dass sich die Signale auf sehr spezifische Weise überlappen; Wenn Sie eines der Signale invertieren und dann summieren, ist das Ergebnis ein Spannungsausgang, der in etwa wie eine Sinuswelle aussieht . Der genaue Mittelpunkt des Strahls ist dort, wo die Spannung Null durchquert. Dies führt zu einer Messung, die sowohl genau auf die Mittellinie des Signals ausgerichtet ist als auch mit einer einfachen Elektronik leicht identifiziert werden kann. Der Bereich kann dann genau bestimmt werden, indem der genaue Zeitpunkt, zu dem der Nulldurchgang auftritt, zeitlich abgestimmt wird. Üblicherweise werden Genauigkeiten in der Größenordnung eines Meters für Messungen von Objekten in Kilometern Entfernung erreicht.

Entwicklung in Großbritannien

Die Cornell-Berichte wurden in Großbritannien aufgegriffen, wo sie die Grundlage für ein neues Konzept für ein neues Kampfflugzeug bildeten , das schließlich als BAC TSR-2 auf den Markt kommen sollte . Das TSR-2-Projekt wurde offiziell mit der Veröffentlichung von GOR.339 im Jahr 1955 gestartet und sich schnell auf die Verwendung von TFR eingestellt, um die erforderliche Leistung auf niedrigem Niveau bereitzustellen. Das Royal Aircraft Establishment baute einen Simulator des Systems mit diskreter Elektronik, die einen Raum füllte.

Im selben Zeitraum stellte die Royal Air Force ihr neuestes Abfangflugzeug vor , die English Electric Lightning . Die Lightning war mit dem weltweit ersten luftgestützten Monopulsradar ausgestattet, dem von Ferranti in Edinburgh entwickelten AIRPASS- System . Im Fall der Lightning wurde das Monopulssignal verwendet, um den horizontalen Winkel genau zu messen, damit der AIRPASS-Computer einen effizienten Abfangkurs auf große Entfernung zeichnen kann. Für die TFR-Nutzung musste nur die Antenne gedreht werden, sodass sie den vertikalen statt horizontalen Winkel misst.

Es überrascht nicht, dass Ferranti irgendwann 1957 oder 58 den Auftrag für die Radarkomponente gewann. Kurz nach Projektbeginn ging 1959 der Projektleiter Gus Scott zu Hughes Microcircuits im nahe gelegenen Glenrothes , und das Team wurde von Greg Stewart und Dick . übernommen Star. Das anfängliche System wurde aus einem überschüssigen AI.23B AIRPASS gebaut und konnte auf einen Anhänger montiert und von einem Land Rover zum Testen gezogen werden. Ein wesentliches Problem besteht darin, dass die Menge des zurückgesendeten Signals stark mit dem Gelände variiert; Die vertikalen Wände eines Gebäudes erzeugen einen teilweisen Eckwürfel , der ein Signal zurückgibt, das etwa 10 Millionen Mal stärker ist als das Signal von Sand oder trockenem Boden. Um mit den sich schnell ändernden Signalen umzugehen, wurde eine automatische Verstärkungsregelung mit 100 dB Reichweite entwickelt.

Das Radar misst unter Verwendung von Flugzeuginstrumenten nur relative Winkel in Bezug auf die stabilisierte Hauptachse, so dass der Funkhöhenmesser des Flugzeugs verwendet wird, um eine Referenz zur Berechnung der tatsächlichen Höhen zu erzeugen. Die Strahlbreite des Radars war klein genug, dass Objekte auf beiden Seiten der Flugbahn des Flugzeugs eine potenzielle Gefahr darstellen könnten, wenn das Flugzeug seitwärts geblasen wurde oder eine Kurve in der Nähe des Objekts begann. Um dies zu vermeiden, scannte das Radar in einem O-förmigen Muster, wobei es vertikal von 8 Grad über die Flugbahn bis 12 Grad darunter scannte, während es sich einige Grad nach links und rechts der Flugbahn bewegte. Darüber hinaus las das System die Drehraten von den Instrumenten und bewegte das Scanmuster weiter nach links oder rechts, um das Gelände zu messen, in dem sich das Flugzeug in Zukunft befinden würde.

Tests des Systems wurden mit der bestehenden DC-3 Dakota von Ferranti Test Flight und ab dem Winter 1961/62 mit einer English Electric Canberra durchgeführt . Das Testflugzeug trug Kameras, die in verschiedene Richtungen schauten, darunter einige mit Blick auf die Flugzeuginstrumente und Radaranzeigen. So konnte das System nach dem Flug am Boden ausgiebig untersucht werden. Jeder Flug lieferte Daten für Flüge über etwa 100 Meilen und über 250 solcher Flüge wurden durchgeführt. Frühe Tests zeigten zufälliges Rauschen in den Messungen, das die Messungen unbrauchbar machte. Dies wurde schließlich auf die automatische Verstärkungsregelung mit sehr hoher Verstärkung im oberen Bereich des Abtastmusters zurückgeführt, wo sich das Gelände normalerweise in großen Entfernungen befand und die größte Verstärkung erforderte. Dies hatte den Nebeneffekt, dass in den Nebenkeulen der Antenne Störreflexionen erzeugt wurden , die bis zu einer Störung verstärkt wurden. Dies wurde behoben, indem von einem O-förmigen Muster zu einem U-förmigen Muster übergegangen wurde und die Verstärkung nur beim Aufwärtsscannen erhöht wurde, um zu verhindern, dass sie sich bei der Abwärtsbewegung wieder auf eine hohe Verstärkung einstellt und dadurch das Erscheinen von tiefliegendem Gelände in die Nebenkeulen mit hoher Verstärkung.

Fortschritte in der Elektronik während der Entwicklung ermöglichten es, die ursprüngliche Vakuumröhrenelektronik zunehmend mit Transistoren zu versehen , wodurch insgesamt ein viel kleineres System entstand. Als das System weiterentwickelt wurde, wurde es für höhere Geschwindigkeitstests auf einen Blackburn Buccaneer verschoben . Die Tests wurden von RAF Turnhouse am Flughafen Edinburgh durchgeführt , in der Nähe von Ferrantis Radarentwicklungsstandort in der Stadt.

Während des Tests war das Radar nicht mit dem Autopilotsystem des Flugzeugs verbunden und die gesamte Steuerung erfolgte manuell. Die Kurve wurde gewählt, um eine maximale Belastung von einem halben G zu erzeugen. Der Flugweg wurde durch einen Punkt in einem AIRPASS Heads-up-Display angezeigt . Der Pilot folgte der berechneten Bahn durch Nicken, bis der Geschwindigkeitsvektorindikator des Flugzeugs, ein kleiner Ring, um den Punkt zentriert war. In Tests haben sich die Piloten sehr schnell mit dem System vertraut gemacht und sind auch bei schlechtem Wetter gerne mit der Mindestabstandseinstellung geflogen.

Als sich die Piloten mit dem System vertraut machten, reduzierten die Ingenieure den gewählten Abstand kontinuierlich nach unten, bis er seine Fähigkeit zum sicheren und reibungslosen Betrieb bei durchschnittlich nur 30 Metern (98 ft) Abstand unter Beweis stellte. Dies wurde gegen unwegsames Gelände getestet, einschließlich Bergkämmen, blinden Tälern und sogar Felswänden. Es wurde auch gefunden , dass es über künstliche Objekte wie die Fernsehantennen von Cairn O' Mounth und die Sendestation Kirk o' Shotts , Brücken über den Fluss Forth und Freileitungen führt .

Entwicklung in den USA

Trotz des frühen Beginns von Cornells Arbeit endete die Weiterentwicklung in den USA aus Gründen, die nicht gut dokumentiert sind, zeitweise mit dem Konzept in einer halbfertigen Form. Dies änderte sich dramatisch nach dem U-2-Vorfall von 1960 , der zu einem schnellen Wechsel vom Höhenflug über die UdSSR auf den "Penetrator" -Anflug in niedriger Höhe führte. Kurzfristig wurde eine Reihe von Geländevermeidungsradaren für eine Vielzahl von Flugzeugen eingeführt. Der erste echte TFR in den USA war der Texas Instruments AN/APQ-101, der das Unternehmen für viele Jahre zum Marktführer im Bereich TFR machte. In den frühen 1960er Jahren entwickelten sie TFR-Systeme für die RF-4C-Version der Phantom II , den Grumman OV-1 Mohawk der Armee und das fortschrittliche AN/APQ-110- System für die General Dynamics F-111 .

Aus verschiedenen Gründen wurde das TSR-2-Projekt 1965 zugunsten des Kaufs der F-111 abgebrochen, einer Plattform mit ähnlichem Konzept, die auf einem ähnlichen Radar basiert. Im Gegensatz zu Ferrantis Design bot der APQ-110 mehrere zusätzliche Bedienelemente, darunter eine Fahrqualitätseinstellung für "hart", "weich" und "mittel", die die G-Kraft des berechneten Abstiegsprofils der Kurve von 0,25 auf 1 G änderte, während immer maximal 3 G Pullup erlauben. Es enthielt auch einen zweiten Satz Elektronik, um Hot-Backup für den Fall zu bieten, dass die Primäreinheit ausfällt, und ausfallsichere Modi, die den 3 G-Pullup bei verschiedenen Systemfehlern ausführten.

Ausbreitung

Letztendlich geriet die F-111 in Verzögerungen und Kostenüberschreitungen, ähnlich wie die TSR-2. Nach Prüfung mehrerer Konzepte entschied sich die RAF schließlich für den Einsatz des Buccaneer. Obwohl diese Plattform ausgiebig mit dem Ferranti-Radar getestet wurde, wurde dieses potenzielle Upgrade nicht für den Service ausgewählt. Die Unzufriedenheit mit dieser Situation veranlasste die RAF, Gespräche mit ihren französischen Kollegen aufzunehmen und die BAC/Dassault AFVG zu entwickeln , ein Flugzeug, das der F-111 sehr ähnlich ist. Nach erfolgreichen ersten Verhandlungen hat Großbritannien seine Optionen auf die F-111K eingestellt. Kurz darauf begann Marcel Dassault, das Projekt aktiv zu untergraben, das die Franzosen 1967 schließlich aufgegeben hatten.

Im nächsten Jahr begann die britische Regierung Verhandlungen mit einer größeren Auswahl von Ländern, die schließlich zum Panavia Tornado führten . Texas Instruments nutzte seine Erfahrungen mit dem F1-11 TFR, um den Radarauftrag für das Tornado IDS zu gewinnen.

Einsatz in Kampfflugzeugen

Vorteile und Nachteile

Terrain-Following-Radar wird hauptsächlich von militärischen Kampfflugzeugen verwendet, um Flüge in sehr geringen Höhen (manchmal unter 30 Metern) und hohen Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Da die Radarerkennung durch feindliche Radare und das Abfangen durch Flugabwehrsysteme eine Sichtlinie zum Ziel erfordern, reduziert das Fliegen in niedriger Höhe und mit hoher Geschwindigkeit die Zeit, in der ein Flugzeug für eine Erkennung anfällig ist, auf ein Minimum, indem es das Flugzeug hinter dem Gelände versteckt so weit wie möglich. Dies wird als Geländemaskierung bezeichnet .

Allerdings können Radaremissionen von feindlichen Flugabwehrsystemen relativ leicht erkannt werden, wenn kein abdeckendes Gelände vorhanden ist, wodurch das Flugzeug gezielt anvisiert werden kann. Die Verwendung von geländefolgendem Radar ist daher ein Kompromiss zwischen der erhöhten Überlebensfähigkeit durch die Geländemaskierung und der Leichtigkeit, mit der das Flugzeug anvisiert werden kann, wenn es gesehen wird.

Sogar ein automatisiertes System hat Einschränkungen, und alle Flugzeuge mit geländefolgenden Radaren haben Grenzen, wie niedrig und schnell sie fliegen können. Faktoren wie die Reaktionszeit des Systems, die g-Limits des Flugzeugs und das Wetter können alle ein Flugzeug einschränken. Da das Radar nicht erkennen kann, was sich außerhalb eines unmittelbaren Geländes befindet, kann die Flugbahn auch über scharfe Geländekämme "ballonen", wo die Höhe unnötig hoch wird. Außerdem können Hindernisse wie Funkantennen und Strommasten vom Radar zu spät erkannt werden und Kollisionsgefahren darstellen.

Integration und Nutzung

Bei Flugzeugen mit mehr als einer Besatzung wird das Radar normalerweise vom Navigator verwendet, was es dem Piloten ermöglicht, sich neben dem extrem intensiven Tiefflug selbst auf andere Aspekte des Fluges zu konzentrieren. Bei den meisten Flugzeugen kann der Pilot auch die Fahrt-"Härte" mit einem Cockpit-Schalter auswählen, um zu wählen, wie nah das Flugzeug versucht, sich nahe am Boden zu halten, und welche Kräfte auf den Piloten ausgeübt werden.

Einige Flugzeuge wie das Tornado IDS haben zwei separate Radare, wobei das kleinere für die Geländeverfolgung verwendet wird. Modernere Flugzeuge wie die Rafale mit Phased-Array- Radar verfügen jedoch über eine einzige Antenne, die verwendet werden kann, um nach vorne und auf den Boden zu blicken, indem die Strahlen elektronisch gesteuert werden.

Die F-111C verwendet TFR

Andere Verwendungen

Geländeverfolgungsradar wird manchmal von zivilen Flugzeugen verwendet, die den Boden kartieren und eine konstante Höhe darüber beibehalten möchten.

Militärhubschrauber können auch über ein Geländefolgeradar verfügen. Aufgrund ihrer geringeren Geschwindigkeit und hohen Manövrierfähigkeit sind Hubschrauber normalerweise in der Lage, niedriger zu fliegen als Starrflügler.

Alternativen

Es gibt nur sehr wenige Alternativen zur Verwendung des geländefolgenden Radars für Hochgeschwindigkeitsflüge in geringer Höhe. TERPROM , ein geländebezogenes Navigationssystem, bietet eine eingeschränkte, aber passive geländefolgende Funktionalität.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Zitate

Literaturverzeichnis

Externe Links