LASSE MUTTILAINEN PUOLIAKTIIVISEN JA AKTIIVISEN HAKUPÄÄN VASTATOIMENPITEET Kandidaatintyö Tarkastaja: lehtori Konsta Koppinen Työ jätetty tarkastettavaksi 10.5.2009
I TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Tietotekniikan koulutusohjelma MUTTILAINEN, LASSE: Puoliaktiivisen ja aktiivisen hakupään vastatoimenpiteet Kandidaatintyö, 28 sivua Toukokuu 2009 Pääaine: Signaalinkäsittely Tarkastaja: lehtori Konsta Koppinen Avainsanat: tutka, hakupää, ohjus, vastatoimenpide, silppu Puoliaktiivinen ja aktiivinen ohjus ovat olennainen osa modernia ilmataistelua. Yksi ohjuksen tärkeimmistä tehokkuuteen vaikuttavista tekijöistä on hakupää. Hakupää toimii ohjuksen sensorina ja ohjaa ohjuksen kohden kohdetta. Työssä esitettävät hakupäät pohjautuvat molemmat tutkatekniikkaan. Tutka on laajasti käytetty sensori, joka perustuu elektromagneettiseen säteilyyn. Tämä mahdollistaa kohteiden paikantamisen reaaliaikaisesti hyvinkin kaukaa. Hyvä havainnointikyky vaatii kuitenkin yleensä hyvin tarkkoja laitteita sekä runsaasti teknistä osaamista, mikä nostaa nopeasti tutkasensorin havainnointijärjestelmän kalleimmaksi osaksi. Tämä pitää paikkansa myös ohjusten tapauksessa. Koska ohjus paikantaa kohteensa hakupään avulla, on luonnollista pyrkiä estämään sensorin toimintaa osumisen estämiseksi. Työssä esitetään joukko yleisesti käytettyjä vastatoimenpiteitä, joilla joko pyritään välttämään havainnon muodostuminen tai häiritään itse hakupäätä. Todellisessa taistelutilanteessa ei löydy täysin ylivoimaista menetelmää, joka tarjoaisi aina toimivaa suojaa kaikissa tilanteissa. Tehokas puolustus ohjusta vastaan saadaan käyttämällä useampaa kuin yhtä vastatoimenpidettä.
II ALKUSANAT Tahdon esittää kiitokseni Konsta Koppiselle ja Ville Väisäselle, jotka tarjosivat rakentavaa palautetta ja toimivat tukenani läpi kirjoittamisprosessin. Kiitokset kuuluvat myös Juha Jylhälle, joka auttoi aiheen valinnassa. Lisäksi haluaisin kiittää työtovereitani Olli Heliniä ja Sami Koskimäkeä avusta niissä lukuisissa ongelmatilanteissa, joihin tämän työn aikani törmäsin. 7. toukokuuta 2009 Lasse Muttilainen
III SISÄLLYS 1 Johdanto... 1 1.1 Tutkimuksen tausta... 1 1.2 Tutkimusongelma ja dokumentin rakenne... 1 1.3 Tutkimuksen rajaukset... 1 2 Hakupään mallintaminen... 3 2.1 Tutka... 3 2.1.1 Tutkalaitteisto... 4 2.1.2 Tutkayhtälö... 6 2.2 Hakupää... 8 2.2.1 Ohjus... 9 2.2.2 Puoliaktiivinen hakupää... 9 2.2.3 Aktiivinen hakupää... 12 3 Vastatoimenpiteiden mallintaminen... 13 3.1 Passiiviset vastatoimenpiteet... 13 3.1.1 Häive... 13 3.1.2 Silppu... 14 3.2 Aktiiviset vastatoimenpiteet... 15 3.2.1 Syötti... 15 3.2.2 Kohinalähetin... 16 3.2.3 Häirintälähetin... 16 4 Vastatoimenpiteiden simulointi... 19 4.1 Skenaario: silppu... 20 4.1.1 Tulokset... 21 4.1.2 Johtopäätökset... 25 5 Yhteenveto... 27 Lähteet... 28
IV TERMIT EA EP ESA MATLAB MSA PRF ProRadSim radome RCS välke Electronic attack. Elektroniset toimenpiteet joilla pyritään heikentämään, neutraloimaan tai tuhoamaan vihollisen toimintakyky. Tunnettu aiemmin termillä ECM (electronic countermeasures). Electronic protection. Elektroniset toimenpiteet joilla pyritään suojautumaan EA-menetelmien vaikutuksilta. Tunnettu aiemmin termillä ECCM (electronic counter countermeasures). Electronically scanned array, elektronisesti skannaava tutka. MathWorksin tuottama numeerisen laskennan ympäristö ja ohjelmointikieli. Mechanically scanned array, mekaanisesti skannaava tutka. Pulse repetition frequency, pulssintoistotaajuus. Ilmavoimien Esikunnan tutkimushankkeessa luotu geneerinen tutkasimulaattori. Kupu tutkan ympärillä, joka suojaa haitallisilta vaikutuksilta, mutta ei estä elektromagneettisten aaltojen kulkemista. Radar cross section, tutkapoikkipinta. Se pinta-ala, jolta kohteen voidaan ajatella sieppaavan lähetetyn tehon ja säteilevän sen isotrooppisesti. Tutkan saama vaste kohteista, jotka eivät ole tarkastelun kohteena eli esimerkiksi pilvet tai maa etsittäessä lentokoneita.
1 1 JOHDANTO Tämä kandidaatintyö tehtiin Tampereen Teknillisen Yliopiston signaalinkäsittelyn laitokselle, jossa toimin tutkimusapulaisena Ilmavoimien Esikunnan tutkimushankkeessa. Hankkeen tavoitteena on tiedon hankkiminen nykyisten tutkiin liittyvien järjestelmien käytön tukemiseksi ja tulevaisuuden järjestelmien kartoittamiseksi. 1.1 Tutkimuksen tausta Modernin hävittäjän pääasiallinen aseistus ilmataistelussa muodostuu käytettävistä ohjuksista. Varsinainen hyökkäystapahtuma voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen: kohteen havaitsemiseen, käytettävän asejärjestelmän valintaan ja aktivointiin sekä viimeisenä asejärjestelmän mahdolliseen tukemiseen ennen osumaa. Vastaavasti puolustavalle osapuolelle muodostuvat vaiheet ovat tapahtuneen hyökkäyksen havainnointi ja siihen sovellettavan puolustustoimenpiteen valinta ja aktivointi. Tässä työssä keskitytään puolustuvan osapuolen kannalta vastatoimenpiteen toteutukseen eli EA:han (electronic attack). Näillä toímenpiteillä on tärkeä tehtävä, sillä ne eivät ainoastaan suojaa kymmeniä miljoonia dollareita kustantavaa hävittäjää, vaan myös sitä lentävän pilotin henkeä. 1.2 Tutkimusongelma ja dokumentin rakenne Tutkimusongelmana on selvittää miten ilmataistelussa elektromagneettisia aaltoja käyttäviltä ohjuksilta voidaan suojautua hyödyntämällä erilaisia vastatoimenpiteitä. Asiaa pohjustetaan esittelemällä ensin luvussa 2 mihin tutkan toiminta sensorina perustuu. Tutkan esittelyn jälkeen käydään läpi ohjuksen rakenne ja selvitetään miten puoliaktiivinen ja aktiivinen hakupää toimivat. Tämän jälkeen siirrytään käsittelemään niiden vastatoimenpiteita luvussa 3, jossa esitellään erilaisia menetelmiä häiritä tai tuhota hakupään kyky havaita kohteensa. Luvussa 4 tarkastellaan aiheeseen liittyvää simulaatiota sekä käydään läpi saadut tulokset. Työ päätetään lukuun 5, jossa nidotaan kerätty tietämys tiivistettyyn muotoon. 1.3 Tutkimuksen rajaukset Tämä työ käsittelee ohjuksen toimintakykyä pääasiallisesti vain sen hakupään kannalta. Tarkasteltavat ohjukset rajoitetaan pelkästään ilmataisteluohjuksiin eli tilanteisiin, joissa molemmat osapuolet ovat ilmassa. Mahdolliset aerodynaamiset ilmiöt, tiedonsiirto
hävittäjän ja ohjuksen välillä tai muut vastaavat ohjuksen toimintaan vaikuttavat elementit jätetään tarkemman tarkastelun ulkopuolelle. Termiä ohjus käytetään täten työssä melko vapaasti kuvaamaan joko koko asejärjestelmää kokonaisuutena tai työn kannalta varsinaista kiinnostuksen kohdetta eli hakupäätä. 2
3 2 HAKUPÄÄN MALLINTAMINEN Sodankäynnin yhtenä kivijaloista on toiminut tietämys vihollisen sijainnista. Kohteen paikantamisen merkitys on vain kasvanut teknologian kehittymisen myötä, sillä moderneilla asejärjestelmillä voidaan hyökkäys suorittaa kymmenien tai satojen kilometrien päästä. Näin kaukaa suoritettavat tarkat hyökkäykset ovat mahdollisia vain elektronisten sensorien avulla. Sensori voi perustua esimerkiksi infrapunasäteilyyn tai valoon. Tässä työssä tarkasteltava sensori on tutka. Tutkan lisäksi käydään läpi myös ohjuksen yleinen rakenne ja hakupään merkitys kyseisessä asejärjestelmässä. Hakupäiden osalta esitelläään niiden yleisimmät toimintamekanismit sekä puoliaktiivisen että aktiivisen hakupään tapauksissa. Hakupään tehtävä sensorina on löytää viholliskohde, välttää mahdolliset vastatoimenpiteet ja suunnata mukana kuljetettava taistelukärki riittävän lähelle, että tapahtuva räjähdys joko vaurioittaa tai tuhoaa vihollisen. 2.1 Tutka Tutka on sensorilaitteisto, joka toimii radio- ja mikroaaltoalueella. Tutkajärjestelmässä tyypillisesti käytettävä taajuus vaihtelee tällöin 3 MHz aina 300 GHz asti [1, s. 12] riippuen käyttöympäristöstä ja -tarkoituksesta. Tutkalla on useita hyviä piirteitä, jotka puoltavat sen sijaa sensorijärjestelmänä. Elektromagneettiset aallot etenevät valonnopeudella, mikä mahdollistaa kohteiden reaaliaikaisen paikantamisen. Toinen merkittävä ominaisuus tutkalla on sen kantama. Kyseiset aallot toimivat kohtalaisen hyvin etäistenkin kohteiden paikantamiseen saavuttaen jopa satojen kilometrin kantaman. Tutkalla on vankka asema yleiskäyttöisenä sensorina ja sitä hyödynnetään lukuisissa erilaisissa siviili- ja sotilasjärjestelmissä kuten esimerkiksi sään ennustamisessa tai ilmavalvonnassa. Tutkat voivat olla joko jatkuvaa aaltoa lähettäviä tutkia tai pulssitutkia. Koska hakupäissä käytettävät tutkat ovat pulssitutkia, ei jatkuvan aallon tutkia tarkastella tässä työssä tarkemmin. Pulssitutkassa muodostetaan ajastimen määrittämillä hetkillä suuritehoinen pulssi, joka suunnataan antennin avulla tarkasteltavaan suuntaan. Pulssin pituudet ovat yleensä mikrosekuntien luokkaa. Idea tämänkaltaisen tutkan käytöstä sensorina on yksinkertainen. Tarkasteltavaan suuntaan lähetetään elektromagneettinen pulssi, joka heijastuu takaisin osuessaan kohteeseen. Saadun vasteen avulla voidaan arvioida kohteen suunta ja etäisyys, jotka saadaan kohdistetusta suunnasta sekä kuluneesta ajasta. Suunnalla tarkoitetaan kohteen atsimuutti- ja elevaatiokulmaa. Perustoiminnallisuuden yksinkertaisuudesta huolimatta tutkat ovat hyvinkin
4 monimutkaisia kokonaisuuksia, sillä edes kohtalaisen tarkkuuden saavuttamiseksi tarvitaan runsaasti tietämystä käytetystä elektroniikasta ja signaalinkäsittelystä. 2.1.1 Tutkalaitteisto Kuva 2.1 Kuvassa yksinkertaistetun tutkan lohkokaavio [2, s. 46 kuva]. Tutkalaitteiston osat on esitetty kuvassa 2.1. Ajastin huolehtii järjestelmän ohjauspulsseista ja vastaa järjestelmän eri osien synkronoinnista. Lähettimessä muodostetaan lähetyspulssit. Kytkin ohjaa lähettimen pulssit antennille ja tutkan maaliympäristön aiheuttamat kaiut vastaanottimelle ja suojaa näin herkkää vastaanotinta lähetyksen aikana. Antennin avulla lähetetään pulssit haluttuun suuntaan ja vastaanotetaan kaiut. Käytettävä antenni määrittää suuntakuvion, millä on hyvin suuri merkitys tutkan tarkkuudelle; mitä kapeampi lähetettävän pulssin pääkeila on, sitä tarkemmin kohteen sijainti saadaan selville. Kuvassa 2.2 näkyy pää- ja sivukeilojen rakenne. Pääkeilana pidetään suoraan eteenpäin lähetettävää tehoa ja sivukeiloina sen ympärille muodostuvia tehohuippuja. Pääkeilan leveys on sen -3 db:n keilanleveys eli kohta jossa teho laskee huippuarvosta puoleen.
5 Kuva 2.2 Kuvassa sin(x)/x mallinen suuntakuvio kuvattuna atsimuuttitasolla. Todellinen antennikuvio käsittäisi myös elevaatiotason, jolloin antennikuvio on kolmiulotteinen. Antennin tavoitteena on saavuttaa kapea pääkeila, yleensä muutaman asteen luokkaa, ja minimoida sivukeilojen tasot, jotka molemmat osaltaan helpottavat kohteen havainnoimista. Lisäksi antennin on tarkoitus minimoida pääkeilan ulkopuolinen teho. Tämän merkitys on helppo ymmärtää palauttamalla mieleen tutkan perusajatus. Tutka tulkitsee kohteen sijaitsevan siinä suunnassa, josta saadaan suuri vaste. Mikäli tutka osoittaisi suuntaan, jossa ei ole kohdetta, mutta saatu vaste olisi silti riittävä, tulkittaisiin se mahdollisesti kohteeksi. Näin voi käydä, jos sivukeilat ovat suuret, jolloin niiden kautta voi tulla riittävän suuri vaste pääkeilan ulkopuolelta. Näytöllä esitetään tutkasta saatava informaatio. Signaalinkäsittelyssä voidaan suorittaa lukuisia toimenpiteitä kuten signaalin vahvistamista, kohinan ja häirinnän poistoa sekä erotella kohde välkkeestä. Vastaanottimessa havaitaan saadut signaalit. Yleensä sekä lähetin että vastaanotin sijaitsevat samassa järjestelmässä, sillä multistaattisessa järjestelmässä (sisältää useampia lähettimiä ja/tai vastaanottimia) synkronointiongelmat ovat huomattavasti monostaattista (yksi lähetin-vastaanotinpari) rakennetta suurempia. Käytettävä antenni voi toimia joko mekaanisesti (MSA, mechanically scanned array) tai elektronisesti (ESA, electronically scanned array). Mekaanisesti skannaavan tutkan antennin kääntymistä ohjataan fyysisesti servolla. ESA-tutka edustaa uudempaa teknologiaa, jossa antenni koostuu itse asiassa lukuisista pienistä antennielementeistä, joita ohjataan elektronisesti kutakin antenniryhmää erikseen. Tämä mahdollistaa
6 useiden erillisten keilojen luomisen samanaikaisesti ja samaisten keilojen siirtelyn lähes välittömästi suuntimasta toiseen verrattuna fyysisesti liikutettavaan MSA-tutkaan. Useampia keiloja muodostattessa käytössä oleva teho pitää kuitenkin jakaa näiden pienempien keilojen kesken, jolloin yksittäisen pienemmän keilan havainnointikyky ei tietysti vastaa koko antenniryhmän tasoa. Antennista löytyy lisää tietoa lähteestä [5, luku 6]. Pulssitutkassa lähetyksen jälkeen vastaanotin kytketään päälle ja jäädään odottamaan mahdollisia vasteita. Kohteiden etäisyys saadaan määritettyä etäisyysporttien avulla. Kukin portti vastaa tiettyä etäisyysalkiota todellisuudessa, jolloin saapunut vaste saadaan säilöttyä oikeaan porttiin. Tämän perusteella tutkajärjestelmä määrittelee eri kohteiden etäisyydet. Mikäli useamman kuin yhden kohteen vasteet säilötään samaan etäisyysporttiin, ei niitä voida erottaa toisistaan, vaan ne tulkitaan yhtenä kohteena. Eräs koherentin, eli tarkkaa referenssisignaalia hyödyntävän, pulssitutkan tärkeä ominaisuus on kohteen nopeuden määrittäminen Doppler-ilmiön avulla. Heijastuksen yhteydessä signaalin vaihe muuttuu ja tämä muutos voidaan havaita vertaamalla sitä järjestelmän omaan signaaliin. Vaiheiden erotus on muodostunut dopplersiirtymä, josta voidaan laskea kohteen nopeus. Kaksisuuntainen, eli kohteeseen osuessa ja vastaanotossa, muodostuva dopplersiirtymä f d saadaan laskettua seuraavasti (2.1) missä v r on kohteen radiaalinen nopeus, f t on tutkan käyttämä taajuus ja c on valonnopeus [5, s. 14.2]. Tällöin esimerkiksi 400 m/s radiaalisella nopeudella liikkuva kohde tuottaisi 10 GHz taajuudella toimivan tutkan (tyypillinen hävittäjätutkan käyttämä taajuus) tapauksessa noin 27 khz dopplertaajuuden. Nopeudessa 1 m/s muutos aiheuttaa noin 67 Hz muutoksen taajuuteen. Vastaavasti, jos havaitaan samaisella tutkalla kohteesta dopplersiirtymä taajuudella 20 khz, voidaan laskea sen radiaalisen nopeuden olevan noin 300 m/s. 2.1.2 Tutkayhtälö Tutkien suoritustykykyä käsitellään usein tutkayhtälöllä, jonka avulla voidaan arvioida esimerkiksi vastaanotetun tehon suuruutta riippuen järjestelmäparametreista. Tutkayhtälöstä on olemassa lukuisia eri versiota, joita saadaan huomioimalla eri elementtien vaikutukset kuten maalin ominaisuudet tai erilaiset häviötekijät kuten ilmakehän vaimennus tai järjestelmän häviöt, pulssien integrointi ja niin edelleen [3, s. 35]. Perusmuodossa tutkayhtälö sisältää oletuksia, joten siitä saatavat tulokset ovat liian optimistisia todellisiin tuloksiin nähden. Itse yhtälöä ei tässä työssä johdeta, mutta tarkemman selvityksen voi lukea esimerkiksi lähteistä [2, s. 44], [3, s. 35] ja [5, s. 1.6]. Itse tutkayhtälö on muotoa
7 (2.2) missä P r on vastaanotettu teho, P t on lähetetty teho, G on antennin vahvistus (lähetys ja vastaanotto tehdään samalla antennilla), on aallonpituus, on kohteen tutkapoikkipinta (RCS, radar cross section) ja R on etäisyys tutkasta kohteeseen. Antennin vahvistus ilmaistaan suhteessa isotrooppiseen säteilyyn, joka saavutetaan suuntaavuudella. [3, s. 37] Kaavasta (2.2) voimme havaita mitkä tekijät vaikuttavat saatavan vasteen suuruuteen. Merkittäviä tekijöitä ovat siis käytettävä lähetysteho, antenni, kohteen RCS ja etäisyys. Erityisesti on huomattava etäisyyden kasvaminen neljänteen potenssiin. Taulukossa 2.1 on lueteltu tyypillisiä RCS-arvoja eri kohteille ja kuvassa 2.3 esitetään yksittäisen kohteen RCS-arvon vaihtelua katselukulmasta riippuen. Taulukko 2.1 Esimerkkejä RCS-arvoista mikroaaltotaajuuksilla [1, s. 64]. Kohde RCS (m 2 ) ohjus 0,1 pieni hävittäjä 2 suuri hävittäjä 6 suuri pommikone 40 keskikokoinen lintu 10-3 pieni hyönteinen 10-5 Vaikka yksittäisen linnun ja hyönteisen RCS on pieni, voivat ne tuottaa parvessa riittävän suuren vasteen havainnon aiheuttamiseksi. Pienten yksittäisten sirottajien käyttöön palataan luvussa 3.1.2, jossa käydään läpi silpun toiminta.
8 Kuva 2.3 Kuvassa B-26 pommikoneen RCS-kuvio mitattuna 10 cm aallonpituudella eri atsimuuttikulmista [5, s. 11.16]. Huomataan, että arvo voi muuttua merkittävästi pienestäkin kulman muutoksesta. 2.2 Hakupää Hakupää toimii ohjuksen sensorina. Sen tarkoituksena on paikantaa kohde ja antaa suuntatietoja ohjauksesta vastaavalle järjestelmälle, joka niiden pohjalta suorittaa tarvittavat muutokset lentoradan korjaamiseksi. Itsenäisesti hakeutuva asejärjestelmä antaa etulyöntiaseman yksinkertaisempiin, kontrolloitaviin asejärjestelmiin nähden. Jos hyökkäävä hävittäjä voi lähettää ohjuksen matkaan suojaisasta asemasta hyvin etäältä, näkö- tai fyysisen suojan takaa on se huomattavasti paremmassa tilanteessa kuin vastapuolen hävittäjä, jonka pitää asettaa itsensä vaaraan päästäkseen laukaisemaan omat aseensa. Haittana tälle kehittyneemmälle menetelmälle on tietysti hinta. Sensorien valmistus on kallista ja ohjusten tapauksessa ne ovat kertakäyttöisiä. Ohjuksen hakupään tulee toimia hyvin vaativassa ympäristössä. Ensimmäisenä rajoitteena toimii käytössä olevan tilavuuden määrä. Hävittäjässä on yleisesti hyvin rajallinen määrä tilaa tarjolla, jolloin kukin ohjus pitäisi saada mahdutettua pieneen tilaan. Suuri koko aiheuttaisi ongelmia myös aerodynamiikassa. Ohjuksen tulee lentonsa aikana suorittaa lukuisia laskutoimituksia kyetäkseen poistamaan kohinan tai välkkeen sekä mahdollisen häirinnän vaikutukset ja vieläpä paikantamaan kohteen kaiken sen keskeltä. Rajat laskentakapasiteetille muodostuvat käytettävän elektroniikan tehokkuudesta, joka suoraan korreloi kokonaiskustannuksen kanssa, ja ohjuksen akun riittävyydestä.
9 2.2.1 Ohjus Tässä luvussa käydään läpi ohjuksen yleinen rakenne pohjustuksena hakupään käsittelylle tulevissa luvuissa. Ohjus on tiivis järjestelmä, jonka eri osien tulee toimia saumattomasti yhdessä halutun tehokkuuden saavuttamiseksi. Kuva 2.4 Kuvassa ylempänä amerikkalainen AGM-88 HARM -ohjus [6] ja alempana ohjuksen yleinen rakenne jäsenneltynä lohkoihin [2, s. 231 kuva]. Moottori ja suutin tuottavat ja kontrolloivat ohjuksen tarvitsemaa työntövoimaa. Paikannusjärjestelmä muuttaa lentorataa hakupäältä tulevien tietojen perusteella säätelemellä siipien asentoja. Taistelukärki sisältää räjähteen kohteen tuhoamiseksi. Hakupää toimii ohjuksen sensorina kohteen havaitsemiseksi ja sitä suojataan radomella (kuva 2.4). Radome on yleisesti käytetty rakenne herkkien tutkalaitteistojen suojaamiseen haitallisilta vaikutuksilta kuten sateelta, tuulelta, lumelta, jäältä, salamoilta tai muilta luonnonilmiöiltä ja ilmassa liikkuvan tutkan tapauksessa myös lämpenemiseltä, kulumiselta ja muilta aerodynaamisilta vaikutuksilta [5, s. 6.44]. Ominaista sillä on sen vähäinen vaimennus elektromagneettisten aaltojen kulkiessa rakenteen läpi. Esitetty kokonaisuus ei toki ole voimassa kaikilla ohjuksilla. Esimerkiksi siipien sijoittelu ja käyttö voivat vaihdella runsaasti ohjuksesta toiseen tai hakupään rakennetta voidaan yksinkertaistaa, jos ohjuksen ei ole tarpeen hakeutua itsenäisesti. 2.2.2 Puoliaktiivinen hakupää Puoliaktiivinen hakupää toimii passiivisesti, eikä se täten kykene etsimään kohteita itsenäisesti. Puoliaktiivista ohjusta käytettäessä täytyy sen laukaisseen hävittäjän valaista kohdetta jatkuvasti ohjuksen puolesta. Kyseessä on siis bistaattinen tutkajärjestelmä eli lähetin ja vastaanotin sijaitsevat eri paikoissa. Hakupään kannalta kohde toimii elektromagneettisen säteilyn lähteenä, jota kohden se suunnistaa. Alunperin puoliaktiiviset hakupäät käyttivät kartiokeilausta kohteen paikantamiseen,
10 mutta nykyiset järjestelmät käyttävät monopulssitekniikkaa. Kartiokeilauksessa keilaa pyöritetään kohteen ympärillä, jolloin muodostuva kuvio on kartion mallinen kuvan 2.5 mukaisesti. Monopulssitekniikassa järjestelmä koostuu useammasta syöttötorvesta, joiden vasteita tarkastelemalla saadaan kohteen sijainti selvitettyä. Yksi monopulssin suurimmista eduista kartiokeilaukseen nähden on sen kyky kestää huomattavasti paremmin häirintää. Näiden kahden tavan lisäksi on olemassa esimerkiksi myös keilanheittomenetelmä, mutta sitä ei käsitellä tarkemmin tässä työssä. Kyseisestä menetelmästä voi lukea lisää lähteistä [1, s. 224], [3, s. 170] ja [5, s. 18.3]. Kuva 2.5 Kuvassa ylempänä (a) kartiokeilauksen rakenne kuvattuna sivulta päin. Keila osoitetaan kohden maalia ja sitä pyöritetään sen ympärillä. Alempana (b) sama rakenne esitettynä hakupään näkökulmasta. Keilan 3 db:n leveys kattaa maalin ja keilaa pyöritetään katkoviivalla merkityn pyöritysympyrän mukaisesti. [3, s. 172 173], [5 s. 18.5 18.7] Kartiokeilauksessa keilaa pyöritetään kohteen ympärillä, jolloin keilan keskiakseli muodostaa kartion kohteen ympärille. Pyörityksellä mahdollistetaan amplitudimodulaatio, jonka avulla voidaan suunnistaa kohden kohdetta. Mikäli kohde on kartion akselilla, pysyy siitä saatava valaisu vakiona. Jos kohde ei ole akselilla, vaihtelevat siitä saatavat valaisut suuruudeltaan. Mitä enemmän kohde poikkeaa akselilta, sitä suuremmaksi vaihtelut muuttuvat. Tämän perusteella voidaan laskea mihin suuntaan ohjuksen pitäisi suunnistaa, jotta virhe katoaisi eli suunnistettaisiin kohden maalia. Virhe voidaan laskea seuraavasti
11 (2.3) missä k s on järjestelmästä riippuva kulmagradientti, t on kohteen ja keilan keskiakselin välinen kulma, f s on skannaustaajuus, t on aika ja on vaihe, jota verrataan referenssivaiheeseen ja täten määritellään atsimuutin ja elevaation virheet [2, s. 138]. Kartiokeilausta on jatkokehitetty siten, että lähetyksen ajan antennin keila pysyy paikallaan ja varsinainen modulaatio tehdään vasta vastaanotossa. Tällöin vähennetään viholliselle lähetettävän informaation määrää, mikä vaikeuttaa vastatoimenpiteiden tehokasta käyttöä. Kuva 2.6 Kuvassa vasemmalla (a) monopulssin rakenne käytettäessä amplitudivertailua ja oikealla (b) käytettäessä vaihevertailua. Summasignaali saadaan summaamalla eri antenniryhmien signaalit yhteen. Erotussignaaleja luotaessa suoritetaan kuvan mukaiset summaukset ja erotukset. [1, s. 175 176] Monopulssijärjestelmä voidaan jakaa kolmeen koulukuntaan: amplitudivertailuun, vaihevertailuun tai näiden kahden yhdistelmään [4, s. 257]. Sekä amplitudi- että vaihevertailussa käytetään yleensä neljän antennielementin ryhmää. Amplitudivertailussa kohde paikannetaan erotussignaalien avulla. Erotuksien ollessa sekä atsimuutti- että elevaatiosuunnassa nollat, on monopulssi kohdistettu suoraan kohden kohdetta. Vaihevertailussa poikkeama kohdistuksessa havaitaan viiveen avulla, koska saapunut kaiku osuu antennielementteihin hieman eri aikaan kulkemalla matkan x = d sin. Tällöin muodostuva vaihe-ero on (2.4)
12 missä on tutkan aallonpituus, d ja ovat kuvassa 2.6 esitetyt elementtien välinen etäisyys ja muodostunut kulma. 2.2.3 Aktiivinen hakupää Tekniikan kehittyminen ja muuttuminen halvemmaksi on mahdollistanut aktiivisten hakupäiden käyttämisen ohjuksissa. Suurimpana erona jo esitettyyn puoliaktiiviseen menetelmään on aktiivisen hakupään kyky paikantaa kohde itsenäisesti. Tämä merkitsee sitä, että hakupäässä on käytössä oma lähetinjärjestelmä. Käytännössä hakupää on siis pieni tutka, jonka havainnointikantama tosin on rajallinen hävittäjän omaan verrattuna. Hävittäjä voi tukea hakupäätä datalinkin avulla ja ohjastaa sitä alkuvaiheessa kohden kohdetta. Päästessään tarpeeksi lähelle viholliskonetta, voi hakupää kytkeä oman tutkansa päälle ja paikantaa loppumatkan itsenäisesti. Tämä menettely mahdollistaa ammu ja unohda -taktiikan, joka antaa etulyöntiaseman puoliaktiivisiin järjestelmiin nähden. Aktiiviset hakupäät on myös varustettu paremmilla vastatoimenpiteiden vastatoimenpiteillä, ja niitä onkin hankalampi harhauttaa kuin puoliaktiivisia. Esimerkiksi amerikkalainen AIM-120 AMRAAM -ohjus huomaa, jos sitä yritetään häiritä. Tällöin ohjus muuttuu passiiviseksi ja paikantaa kohden häiriön lähdettä, eli oman sijaintinsa peittävä vastatoimenpide muuttuukin itse asiassa sen paljastavaksi majakaksi.
13 3 VASTATOIMENPITEIDEN MALLINTAMINEN Luonteenomaista teknologiselle sodankäynnille on sen alati toistuva vaikutusten ja vastavaikutusten vuorottelu. Ensimmäisen osapuolen kehittäessä uuden hyökkäys- tai puolusmenetelmän, eli EA:n, reagoidaan siihen muodostamalla kyseiselle menetelmälle vastamenetelmä eli EP. Ensimmäinen osapuoli voi vastaavasti kehittää vastatoimenpiteen kumoavan vastatoimenpiteen tai luoda kokonaan uuden menetelmän. Esitelty kierto on hyvin voimakkaasti läsnä ohjuksien ja niiden vastatoimenpiteiden muodostamassa systeemissä. Armeijat pyrkivät kehittämään uusia menetelmiä vihollisen paikantamiseen ja samalla estämään muiden osapuolten asejärjestelmien toimivuuden omia joukkojaan vastaan. Kehitetyt menetelmät ja niiden vastamenetelmät ovat yksityiskohdiltaan turvaluokiteltua materiaalia, mutta perusperiaatteita aiheesta kyetään siitä huolimatta käymään läpi. Tässä työssä jako vastatoimenpiteiden osalta tehdään kahteen ryhmään: passiivisiin ja aktiivisiin vastatoimenpiteisiin. 3.1 Passiiviset vastatoimenpiteet Passiiviset vastatoimenpiteet ovat menetelmiä, joissa niitä hyödyntävä taho ei jatkuvasti pyri neutraloimaan uhkaa. Varsinaisessa vaaratilanteessa valittu puolustusjärjestelmä voidaan aktivoida, mutta se ei tämän jälkeen suorita erillisiä toimenpiteitä uhan neutraloimiseen. Työssä esitettävät passiiviset vastatoimenpiteet ovat häive ja silppu. 3.1.1 Häive Häiveteknologialla pyritään minimoimaan omasta hävittäjästä muodostuva vaste käyttäen pääasiallisesti hyödyksi rakenteen muotoilua ja materiaalivalintoja. Muotoilun avulla pyritään levittämään hävittäjään osunut sähkömagneettinen säteily mahdollisimman tehokkaasti muualle kuin tulosuuntaan. Tällä tavoin halutaan tarjota viholliselle mahdollisimman vähän informaatiota, josta oma sijainti voisi selvitä. Yleisesti tämä tarkoittaa hyvin runsaasti heijastavien kulmien poistoa joko asettelemalla ne sopivasti tai muokkaamalla rakennetta, jolloin säteily siroaa poispäin tarkkailevasta sensorista. Säteilyn leviämiseen voidaan myös vaikuttaa antamalla hävittäjän pinnalle sopiva kuviointi, joka hajoittaa signaalia entisestään. Materiaaleiksi valitaan sellaisia aineksia, joiden absorptio-ominaisuudet ovat hyvät. Tärkeää häiveteknologiassa on yksityiskohtien huomioiminen, sillä yksikin työstämättä jäänyt ruuvi tai kulma voi muodostaa suuren RCS:n, joka täten paljastaa hävittäjän sijainnin.
14 Kuva 3.1 Kuvassa amerikkalainen F-22 Raptor [7], joka on moderni viidennen sukupolven hävittäjä. F-22:n erityisominaisuutena on sen pitkälle viety häivevarustelu. Ohjukset kuljetaan koneen sisällä, erona niiden kantamiseen siivissä, jolloin niistä ei muodostu vastetta. Häivettä hyödyntämällä saadaan hävittäjän RCS-arvo pienennettyä jopa yksittäisen linnun luokkaan. Tällöin on todennäköistä, että vaikka kohteesta saadaankin edelleen vastetta, on se suuruudeltaan niin pientä, että sitä ei kyetä erottamaan kohinasta, jolloin havaintoa ei tapahdu. 3.1.2 Silppu Silppu on yksi vanhimmista käytetyistä EA-menetelmistä. Se on laajasti käytössä, sillä yksittäisen silppupanoksen hinta on hyvin vähäinen muihin järjestelmiin verrattuna ja rakenteeltaan yksinkertainen toteuttaa. Silpulla tarkoitetaan pieniä elektromagneettisia dipoleita, joita levitetään runsain määrin ilmaan. Kyseiset dipolit valmistetaan päällystämällä yleensä muutaman kymmenen mikrometrin pituisia lasikuituja alumiinilla. Yhdessä nämä dipolit aiheuttavat tilavuusvälkettä tutkan keilojen osuessa niihin. Silppu on tehokkaimmillaan, kun yksittäisen kuidun pituus on sitä valaisevan tutkan aallonpituuden puolikas, sillä tällöin dipoli resonoi sitä valaistaessa. Yksittäisessä panoksessa voi olla useita eri pituisia kuituja, jolloin samaa panosta voidaan käyttää eri tutkia vastaan. Silppua käytetään kahdella tavalla: joko omasuojajärjestelmänä tai muodostamalla silpulla peitettyjä alueita. Jälkimmäisessä jopa satojen kilometrien alueelle käydään levittämässä laaja silppupilvi, jolla estetään vastapuolen tutkia näkemästä alueen sisälle. Tämänkaltaiset skenaariot kestävät tunteja, ja silppupilveä täydennetään tarpeen mukaan ajan myötä. Omasuojajärjestelmänä käytettäessä silppumäärät ovat reilusti aiempaa menetelmää pienempiä, sillä silppupanos laukaistaan
15 hävittäjästä tarkoituksena muodostaa laukaistulle ohjukselle uusi valekohde. Tällöin silpun laukaisuhetkellä on suuri merkitys sen tehokkuuteen. Hävittäjästä laukaistessa silpun hyödyllinen elinikä on noin puoli sekuntia. [2, s. 461] Silpun heikkoutena on sen liikkuvuus. Hyvin pian panoksen räjähdyksen jälkeen se aloittaa vapaan pudotuksen. Tällöin silpun nopeus riippuu tuulen vaikutuksesta. Kehittyneemmät sensorit osaavat huomioida kohteen nopeuden, jolloin lähes paikallaan pysyvän silpun ja monta sataa metriä sekunnissa liikkuvan hävittäjän erottaminen toisistaan muuttuu helpoksi. Silpun muodostamaa tutkapoikkipintaa vertikaalisen polarisaation tapauksessa voidaan arvioida kaavan (3.1) avulla (3.1) missä on tutkan aallonpituus, on approksimaatio sattumanvaraisesti asemoituneen yksittäisen kuidun RCS:ksi, l on kuidun pituus, G on kulmasta ja pituudesta riippuva vahvistus ja integrointi G:tä laskettaessa suoritetaan nollasta piihin. Yleisesti yksittäisen kuidun keskimääräisenä tutkapoikkipintana käytetään arvoa = 0,15 2. [4, s. 416 417] 3.2 Aktiiviset vastatoimenpiteet Aktiiviset vastatoimenpiteet ovat menetelmiä, joissa niitä hyödyntävä taho pyrkii jatkuvasti neutraloimaan uhan. Työssä esitettävät aktiiviset vastatoimenpiteet ovat syötti, kohinalähetin sekä edellistä monipuolisempi häirintälähetin. Häirinnän suorittaa joko oma itsenäinen laitteensa, jota kannetaan esimerkiksi siivessä, tai se voidaan toteuttaa myös hävittäjän omalla tutkalla. 3.2.1 Syötti Syötti pyrkii ohjaamaan ohjuksen sivuun sekä itsestään että kohteesta tai huonommassa tapauksessa itseensä. Tämä toteutetaan joko lähettämällä hyvin samankaltaista vastetta kuin itse kohde tuottaa tai tuottamalla riittävästi kohinaa, jotta hakupää aktivoituu suunnistamaan kohden häirintää. Syöttejä voidaan joko laukaista hävittäjästä silpun tapaan tai niitä voidaan vetää kaapelin varassa. Kummassakin tapauksessa on mahdollista välttää silpun ongelma eli dopplertaajuuksiin perustuva suodatus.
16 Laukaistavan syötin kohdalla tämä voidaan toteuttaa lähettämällä sitä kohden sopivasti laskettua taajuutta, joka näkyy hakupäälle oikeassa nopeusportissa. Laukaistavan syötin ongelmana on sen rajallinen elinikä. Täten pilotin tulee olla varma missä kohdin syötti tulee laukaista, mikä ei taistelutilanteessa ole triviaali ongelma. Vedettävällä syötillä dopplersuotimen ongelma ratkeaa itsestään, koska sillä on käytännössä sama nopeus kuin sitä vetävällä hävittäjällä. Vedettävä syötti toimii erityisen hyvin puoliaktiivisia hakupäitä vastaan, mutta älykkäämpien aktiivisten kohdalla sen tehokkuus voi laskea sillä pilotti voi helposti erottaa syötin ja kohteen toisistaan. Syötin tehokkuutta laskee myös rajalliset suunnat, joihin se toimii. Esimerkiksi edestä päin saapuva ohjus ei välttämättä huomioi takana olevaa syöttiä. Pilotti voi edesauttaa tehokkuutta suorittamalla manööverin asettelun parantamiseksi. Tämä tosin vaatii kohtalaisen tarkan tiedon lähestyvästä ohjuksesta ja sen sijainnista, mikä ei ole itsestäänselvyys. [2, s. 469 472] 3.2.2 Kohinalähetin Kohinalähettimen tehtävänä on lähettää vihollisen sensoriin niin paljon häiriösignaalia, että varsinaiset todelliset vastesignaalit jäävät sen peittoon. Kohinalähetin on yksinkertainen järjestelmä, jossa ei ole tarvetta tietää vastapuolen sensorijärjestelmää yksityiskohtaisesti. Optimaalisessa tapauksessa lähetetty kohina vastaa täysin vastustajan sensorin lämpökohinan piirteitä, jolloin häirintäsignaalin havaitseminen vaikeutuu. Kohinahäirinnän vaikutusta voidaan tarkastella muokkaamalla tutkayhtälö seuraavaan muotoon (3.2) missä P t on lähetetty piikkiteho, G t on lähettimen vahvistus, on RCS, B j on kohinalähettimen kaista, L j on kohinalähettimen häviöt, (S/J) min on riittävä signaalikohinasuhde havainnon muodostamiseen, P j on kohinalähettimen lähettämä teho, G j on kohinalähettimen vahvistus, B r on tutkan kaista ja L r on tutkan häviöt. Saatava R max ilmaisee läpäisyetäisyyden, jota pienemmillä etäisyyksillä tutka läpäisee kohinalähettimen vaikutuksen. Tämä tarkoittaa, että ennen kyseistä pistettä kohinalähetin pystyy lähettämään riittävän voimakasta häirintää tutkan toiminnallisuuden estämiseksi. [4, s. 149 151] 3.2.3 Häirintälähetin Kohinalähettimen vahvuus on samalla myös sen heikkous. Yksinkertaiselle häirintämenetelmälle on helppo kehittää sen vaikutuksen kumoavia tekniikoita. Modernit tutkat ja hakupäät omaavat hyvän sietokyvyn pelkkää kohinaa vastaan, joten niiden harhauttamiseksi tarvitaan monipuolisempia menetelmiä. Häirintälähettimen
17 pääasiallisena ideana on muodostaa vasteita, jotka muistuttavat piirteiltään kohdesensorin omia. Kohinalähettimien tapaan häirintälähetin toimii helpoiten, mikäli häiriö suunnataan pääkeilaan. Tämä kuitenkin mahdollistaa oman sijainnin paljastumisen häirinnän yhteydessä, joten on suotavampaa pyrkiä käyttämään hyödyksi kohdesensorin sivukeiloja. Toiminnon tehokkuus riippuu tällöin siitä, kuinka hyvin häiriö saadaan suunnattua sivukeilaan ja kuinka hyvin kohdesensori on suojannut sivukeilansa. [4, s. 167 168] Seurannassa häirintälähettimen tehtävänä on murtaa muodostunut lukitus. Mikäli lukitus murtuu, joutuu sensori hakemaan kohteen uudestaan saadakseen uuden lukituksen. Lukituksen saavuttamiseen kuluu useita sekunteja, jonka aikana sensori joutuu toimimaan ilman ohjausdataa, jolloin se lentää enemmän tai vähemmän sokkona. Häirintälähettimet voivat käyttää lukuisia eri menetelmiä tavoitteensa saavuttamiseksi. Käytettyjä menetelmiä ovat esimerkiksi ryöppyhäirintä (barrage noise), pyyhkäisevä häirintä (swept noise), käänteisen vahvistuksen häirintä (inverse gain) ja etäisyys- (RGPO, range gate pull-off) sekä nopeusportin (VGPO, velocity gate pull-off) varastaminen [2, s. 426]. Kohdesensorin lähetteitä tarkastelemalla on mahdollista selvittää sen käyttämä taajuus. Häirintälähetin pyrkii tukkimaan juuri tämän käytetyn taajuuden. Modernit sensorit kuitenkin vaihtelevat käyttämäänsä taajuutta, mikä vaikeuttaa häirinnän kohdistamista oikealle taajuudelle. Kaava (3.3) esittää ongelman kaistan näkökulmasta (3.3) missä B j on häirintälähettimen käyttämä kaista, B ja B IF ovat kohdesensorin käyttämä kaista ja välitaajuus. Häirintälähettimen tulee kattaa vähintää samansuuruinen kaista kuin kohdesensorin, mutta todellisissa tilanteissa häirintälähettimen käyttämä kaista on yleensä reilusti suurempi kuin kohdesensorin. Suhdeluku L saa arvoja väliltä 100 1000 eli kohdetaajuus kattaa vain pienen osan käytettävästä kaistasta. Ryöppyhäirinnässä häirintä suunnataan samanaikaisesti useammalle kaistalle. Tällä tavoin saadaan suurempi osuus kohdesensorin käyttämästä kaistasta häirinnän alle, mutta vastaavasti häirinnän tehokkuus laskee tehon jakamisen vuoksi. Pyyhkäisevässä häirinnässä koko häirintälähettimen teho suunnataan yhdelle taajuudelle, mutta sitä siirretään läpi kaistan. Tällä tavoin voidaan varmistaa, että häirintä vaikuttaa jokaisella taajuudella. Haittana on se, että vaikka kaista käytäisiinkin läpi nopeasti, ei menetelmä pysty tukkimaan useita taajuuksia samanaikaisesti. [2, s. 426 427] Tutkan pyyhkäistessä kohteen yli, amplitudimoduloituvat saatavat pulssit antennin suuntakuvion mukaisesti. Tämä mahdollistaa suuntakuvion maksimien ja minimien paikallistamisen. Käänteisessä vahvistuksessa lähetetään häirintäsignaalia, joka on vastakkaisessa vaiheessa tutkan lähettämiin pulsseihin nähden. Tällöin
vastaanotossa saatava signaali on vakioarvoista, jolloin menetetään informaatio kohteesta. Kartiokeilaavaa sensoria voidaan harhauttaa lähettämällä sen minimikohtiin suuritehoisia häirintäpurskeita. Tällöin sensori kääntyy poispäin kohteesta, sillä se pyrkii minimoimaan amplitudimodulaation. [3, s. 191] Menetelmän tarvitsema häirintätehon suhde omasta hävittäjästä muodostuvaan kaikuun on luokkaa 10 25 db [8]. Etäisyysportin varastaminen on laajasti käytetty menetelmä omasuojajärjestelmänä ja se on erityisen tehokas automaattisia seurantajärjestelmiä vastaan, joissa ei ole operaattoria havaitsemassa häirintää. Etäisyysportin varastamisella pyritään murtamaan muodostunut seurantalukitus. Kohdesensorin lähettämä signaali siepataan ja lähetetään takaisin voimistettuna. Tällöin se alkaa seuraamaan häirintälähettimen lähettämiä signaaleja, jotka ovat oman hävittäjän vasteita suurempia. Lähetettävään signaaliin lisätään tasaisesti viivettä, mikä saa kohdesensorin näkökulmasta maalin liikkumaan etäämmälle. Tätä jatketaan kunnes seuranta on saatu siirrettyä riittävän kauas omasta hävittäjästä, jonka jälkeen häirintä lopetetaan. Tämän seurauksena kohdesensori joutuu aloittamaan lukitusprosessin uudestaan. [3, s. 189] Menetelmän tarvitsema häirintätehon suhde omasta hävittäjästä muodostuvaan kaikuun on luokkaa 0 6 db [9]. Nopeusportin varastamisessa toimitaan pääpiirteittäin samoin kuin etäisyysportinkin kanssa: tarkoituksena on murtaa seurantalukitus. Kohdesensorin lähettämä signaali siepataan ja lähetetään takaisin voimistettuna, jolloin seuranta siirtyy häirintälähettimen lähetteisiin hävittäjän sijasta. Lähetteisiin ei kuitenkaan lisätä viivettä, vaan sen sijaan muutetaan niiden taajuutta. Tämä aiheuttaa maalin siirtymisen kohdesensorissa nopeusportista toiseen. Kun lukitus on saatu siirrettyä riittävän kauas, päätetään häirintä. Ideaalisessa tapauksessa nopeusportti viedään sinne, missä on jo ennestään välkettä esimerkiksi maasta eli alemmille dopplertaajuuksille [2, s. 437]. Ohjus saattaa tällöin lukituksen murtamisen jälkeen hakeutua välkkeeseen. 18
19 4 VASTATOIMENPITEIDEN SIMULOINTI Luvussa 4 käydään läpi vastatoimenpiteiden simulointi. Simulaatio-ohjelmana toimii ProRadSim, joka on MATLABilla toteutettu geneerinen tutkasimulaattori. Simulaattorin toimintaperiaatteena on kylvää maailmaan pistemäisiä sirottajia, joista kukin on oma itsenäinen entiteettinsä ja tuottaa oman vasteensa tutkan valaistessa niitä. Kaikki simulaation kappaleet voi asettaa liikkumaan, jolloin niiden sijaintia ja asentoa päivitetään lähetettävien pulssien välissä. Tämä mahdollistaa monipuolisen ympäristön luomisen ja realistisen simulaatiotuloksen saavuttamisen. Kuva 4.1 Kuvassa esitetään käytettävän simulaattorin perusrakenne. Alustus käsittää kaikkien simulaatiossa käytettävien elementtien kuten tutkien ja kohteiden parametrien määrittämisen. Katkoviivat kuvaavat datan eri etenemismahdollisuuksia. Prosessointi voidaan suorittaa joko simulaation aikana tai halutessa myös jälkikäteen. Analysointia ja visualisointia varten on olemassa joukko omia työkaluja. Vastatoimenpiteitä simuloidaan yhdessä skenaariossa. Skenaariossa laukaistua ohjusta pyritään häiritsemään käyttämällä silppua. Skenaariota on tarkoituksella yksinkertaistettu tarkastelun helpottamiseksi vähentämällä muuttuvien parametrien lukumäärää. Esimerkiksi hävittäjän RCS pidetään vakiona, jolloin siitä aiheutuva häilyntä ei vaikuta tuloksiin. Lisäksi pulssin leviäminen etäisyyssuunnassa on kytketty pois päältä, jolloin saatavien kuvien tarkasteleminen on helpompaa. Skenaariossa käytettävä ohjus on pyritty mallintamaan geneerisenä aktiivisena ohjuksena. Simulointi aloitetaan ajanhetkestä, jolloin käytettävä ohjus muuttuu aktiiviseksi. Tätä hetkeä edeltävät toimenpiteet kuten kohteen paikantaminen hyökkäävän hävittäjän tutkalla, ohjuksen laukaisu ja ohjuksen lähestyminen aktiivisen hakupään näköetäisyydelle jätetään tarkastelun ulkopuolelle.
20 4.1 Skenaario: silppu Skenaariossa testataan silpun vaikutusta hakupään havainnointikykyyn. Kohde sijaitsee aloitushetkellä koordinaateissa (0, 10000, 9000) ja suuntaa suoraan pohjoiseen (yakseli) nopeudella 274 m/s. Ohjus asetetaan aloittamaan koordinaateista (0, 0, 9000) ja se suuntaa suoraan kohden kohdetta nopeudella 1216 m/s. Silppu laukaistaan hetkellä 1,0 s, jolloin kohde on noin 9 km päässä. Hakupään skannauskuvio pidetään skenaariossa yksinkertaisena eli se asetaan tuijottamaan suoraan eteenpäin (y-akselin suuntaisesti). Skenaarion objektien parametrit esitetään taulukoissa 4.1 4.3. Taulukko 4.1 Hakupään parametrit. Parametri Arvo Kommentti PRF 20 khz Käytetään MPRF:ää, sillä näin saadaan kohtalainen etäisyysresoluutio visualisoinnin helpottamiseksi. Yleisesti hakupää käyttäisi kauempana HPRF:ää ja siirtyisi vasta lähempänä MPRF:ään, mutta tässä simulaatiossa tyydytään käyttämään vain jälkimmäistä. pulssin pituus 15 s Laskettu siten, että toimintasuhde olisi 0,3 eli 0,3 / PRF = 15 s. huipputeho 4 kw Keskimääräinen lähetetty teho on täten 0,06 W. vahvistus 60 db taajuus 9 GHz Hakupää toimii X-kaistalla. antenni Käytetty geneeristä sin(x)/x muotoa. Taulukko 4.2 Silpun parametrit. Parametri Arvo Kommentti lukumäärä 1000 kpl Dipolien lukumäärä. Yksittäisessä silppupanoksessa dipolien lukumäärä on todellisuudessa suurempi. Kirjallisuudessa esitetään arvo neljä miljoonaa kappaletta [2, s. 463], mutta näin monen kappaleen simulointi olisi raskasta. Täten yksittäisten dipolien määrää pienennetään ja niiden RCS-arvoa vastaavasti kasvatetaan. RCS 0,6653 m 2 Silppu on suunnattu toimivaksi aallonpituudella 3,33 cm, jolloin yksittäisen dipolin RCS-arvoksi saadaan keskimäärin 0,15*(0,0333 m)^2*4000 = 0,6653 m 2, kun dipoleita on tuhat kappaletta. (0; Panoksen laukeamishetken koordinaatit. koordinaatit 10201,4; 9000) m muoto pallo Lauennut silppu asetetaan leviämään tasaisesti pallomaiseen muotoon, jonka halkaisijaksi asetetaan 20 metriä.
21 nopeus (0, 0, 0) m/s Silppupilvi pidetään tarkastelun ajan paikallaan, joten sen nopeus asetetaan kussakin suunnassa nollaksi. Taulukko 4.3 Kohteen parametrit. Parametri Arvo Kommentti RCS 4.1.1 Tulokset 500 m 2 ja 5 m 2 Aluksi simulaatio suoritetaan kasvatetulla RCS:llä visualisoinnin helpottamiseksi. Sama skenaario simuloidaan sen jälkeen uudestaan pienemmällä arvolla. Simuloitu data esitetään kolmiulotteisissa kuvaajissa. X-akselilla on etäisyys hakupäästä yksikäsitteiseen mittausetäisyyteen, y-akselilla on näytevektorin indeksi eli käytännössä aika ja z-akselilla saadun vasteen suuruus. Kuva 4.2 Kuvassa simuloitu data ennen silpun laukeamista. Kohteen tuottama vaste on selkeästi näkyvissä etäisyydellä 1500 metriä. Kuvassa 4.2 tulee ilmi pulssintointotaajuudeen vaikutus yksikäsitteiseen mittausetäisyyteen. Käytetty PRF oli 20 khz eli pulssintoistoväli 500 ms (=1/PRF) on se aika jolloin otetaan vastaan lähetetyn pulssin kaikuja. Tänä aikana valonnopeudella etenevä pulssi ehtii osua ja palata maksimissaan noin 7500 metrin päässä olevasta kohteesta. Koska kohde on noin 9000 metrin etäisyydellä, saadaan sen vaste vasta seuraavan pulssin aikana, jolloin etäisyydeksi tulee 1500 metriä. Kuvassa 4.3 silpun aiheuttama vaste summautuu yhteen kohteesta saatavan vasteen kanssa. Datan loppuvaiheessa sekä silppu että kohde näkyvät samassa etäisyysalkiossa, jolloin niiden
22 vasteet summautuvat. Paremmin tämä tulee ilmi kuvassa 4.4, jossa on suoritettu integrointi läpi näytevektoreiden eli saman etäisyysalkion arvot on summattu yhteen. Kuva 4.3 Kuvassa simuloitu data silpun lauettua. Vaikutus näkyy vaaleansinisellä värillä, joka summautuu kohteen (kellertävä) vasteen kanssa. Kuva 4.4 Kuvassa integroitu data silpun lauettua. Piikki ei ole symmetrisen terävä, vaan on levinnyt vasemmalle (etäisyydessä lähemmäksi) johtuen silpusta saatavasta vasteesta.
23 Silpusta sekä kohteesta saatiin molemmista selkeästi kohinaa suurempi vaste. Riippuen niiden välisestä etäisyydestä, voi hakupää joko nähdä yhden kohteen, missä vasteet ovat summautuneet yhteen, tai kaksi kohdetta. Seuraavassa simulaatiossa kohteen RCS:ää pienennettiin arvoon 5 m 2. Tämä arvo on lähempänä tyypillisen hävittäjän poikkipintaa, kuten taulukossa 2.1 mainitaan. Tulokset esitetään kuvissa 4.5 4.8. Kohteen RCS-arvon muuttaminen pienemmäksi aiheutti odotetusti myös siitä saatavan vasteen pienenemisen. Tarkkailemalla vain yksittäisen näytevektorin sisältöä, voi kohteen havaitseminen kohinan seasta olla tässä tilanteessa hankalaa. Kuvassa 4.5 näkyy lukuisia kohinan aiheuttamia piikkejä, jotka ovat joko yhtä suuria tai jopa suurempia kuin kohteesta saatava vaste. Integroinnin hyöty kohinan vaikutuksen poistamiseksi tulee hyvin esille kuvasta 4.6. Kolmiulotteisissa kuvaajissa esitetyt arvot on saatu ottamalla itseisarvo todellisista näytearvoista. Koska kohina on tyypiltään valkoista kohinaa, kumoaa se integroitaessa tehokkaasti itsensä. Kohteesta saatavat vasteet sen sijaan summautuvat hyvin yhteen, jolloin vaste kasvaa suuremmaksi kuin kohina. Kuva 4.5 Kuvassa simuloitu data ennen silpun laukeamista kohteen uudella RCSarvolla. Huomataan, että kohteen vaste on selkeästi pienentynyt ja on kohinan luokkaa.
24 Kuva 4.6 Kuvassa integroitu data ennen silpun laukeamista kohteen uudella RCSarvolla. Vaikka kuvassa 4.5 kohteen havaitseminen kohinan seasta oli hankalaa, saadaan kohde selkeästi esille suorittamalla integrointi läpi näytevektorien. Kuva 4.7 Kuvassa simuloitu data silpun lauettua kohteen uudella RCS-arvolla. Silpun (punainen) vaste on reilusti suurempi kuin kohteesta (vaaleansininen) saatava.
25 Kuvasta 4.7 näkyy kuinka silpusta saatava vaste on reilusti kohteen vastetta suurempi. Integrointi ei tässä tilanteessa auta kohteen paikantamisessa, kuten kuvasta 4.8 käy ilmi. Kuva 4.8 Kuvassa integroitu data silpun lauettua kohteen uudella RCS-arvolla. Silppu aiheuttaa selkeän vasteen, joka peittää allensa myös kohteen vasteen. Kuvasta 4.8 näkee kuinka silpun vaste peittää kohteen allensa. Vaikka silppu ja kohde päätyisivät eri etäisyysalkiohin ja näkyisivät täten kahtena eri kohteena, olisi pelkän vasteen voimakkuuden perusteella silppu huomattavasti houkuttelevampi maali hakupäälle. 4.1.2 Johtopäätökset Aluksi käytetyillä parametreilla havaittiin kohde selvästi kohinan seasta ilman erillisiä toimenpiteitä. Muodostuneella silppupilvellä oli myös selvästi havaittava vaste, joka näkyi kuvassa 4.4. Riippuen hakupään etäisyysresoluutiosta, voivat vasteet joko summautua yhteen alkioon tai näkyä kahtena erillisenä kohteena. Pelkän raakadatan perusteella hakupää voisi siis ohjautua silpun luomaan valemaaliin. Pienentämällä kohteen RCS-arvoa lähemmän todellista arvoa, saatiin se katomaan silpun sekaan. Tässä tilanteessa pelkän raakadatan perusteella olisi todennäköistä, että ohjus hakeutuisi silppuun. Silpun todellista vaikutusta hakupään harhauttamiseen on kuitenkin hankala arvioida. Skenaariossa silpun nopeus oli asetettu nollaksi ja todellisessakin tilanteessa
sen nopeus olisi vähäinen suhteessa kohteen nopeuteen, mikä mahdollistaisi erottelun dopplertaajuuden avulla. Skenaariossa ei myöskään huomioitu hakupään signaalinkäsittelyn suomia mahdollisuuksia kohteen paikallistamisessa. Sen vaikutukset ovat kuitenkin hyvin hakupääkohtaisia ja vaikeasti arvioitavissa niiden turvaluokitusten vuoksi. Mikäli hakupää ottaa tämänkaltaisia muita tekijöitä huomioon etsiessään kohdetta, jää silpun suojaustehokkuus vähäiseksi ilmataistelussa kehittyneempiä hakupäitä vastaan. Kyseinen johtopäätös esitetään myös usein kirjallisuudessa. Mikäli kohde paikallistettaisiin pelkän saadun vasteen voimakkuudeen perusteella, ja parametrit olisivat jälkimmäisen simulaation mukaiset, voitaisiin silppua tässä tapauksessa pitää toimivana vastatoimenpiteenä. 26
27 5 YHTEENVETO Työssä esiteltiin tutkan toimintaperiaate, käytiin läpi sen yleisimmät osat ja pohdittiin sen toimintakykyyn vaikuttavia tekijöitä. Tutka on kokonaisuutena hyvin monimutkainen laite ja ilmassa toimiva versio omaa vielä omat lisähaasteensa maahan sijoitettuihin versioihin nähden. Kuitenkin taustalla oleva toimintamekanismi sensorina on ajatuksellisella tasolla yksinkertainen ja hyvin sisäistettävissä. Tutkan esittelyn jälkeen käytiin läpi ohjuksen rakenne pohjustuksena hakupäille. Hakupäistä esiteltiin puoliaktiivinen ja aktiivinen hakupää, jotka molemmat hyödyntävät sähkömagneettista säteilyä kohteen paikantamisessa. Puoliaktiivinen hakupää toimii ilman omaa lähetintä, joten ulkopuolisen tahon täytyy jatkuvasti valaista kohdetta hakupään puolesta. Aktiivisella hakupäällä on oma lähetin, joten se pystyy tarvittaessa paikantamaan kohteen itsenäisesti päästessään riittävän lähelle. Aktiivinen hakupää on näistä kahdesta parempi vaihtoehto kohteen havaitsemiseen ja kykenee paremmin välttämään vastatoimenpiteitä. Paremmasta suorituskyvystä saatava haitta on kohonnut hinta. Vastatoimenpiteistä esiteltiin lyhyesti sekä passiivisesti että aktiivisesti toimivia menetelmiä. Passiivisista käytiin läpi häiveytys ja sen merkitys havainnointiin sekä perinteinen silppu. Häiveytyksessä pyritään minimoimaan omasta hävittäjästä saatava vaste muotoilemalla rakennetta sirottamaan saapunut säteily poispäin havaitsijasta ja käyttämällä materiaaleja jotka absorboidat pintaan osuneen säteilyn. Aktiivisen puolella tarkasteltiin miten ohjusta voi harhauttaa käyttämällä syöttiä, kohinalähetintä tai sen kehittyneempää versiota eli häirintälähetintä. Häirinnällä pyritään joko tukkimaan hakupään näkökenttä tai luomaan valemaaleja, joihin se suunnistaisi hävittäjän sijasta. Kaikilla esitetyillä menetelmillä on omat hyvät ja huonot puolensa. Tehokkaan suojan saa hyödyntämällä useita eri menetelmiä ja valitsemalla niistä tilanteeseen sopivan tai sopivat. Lopuksi suoritettiin simulaatio, jossa kohde pyrki suojaamaan itsensä käyttämällä silppua. Käytetyillä parametreilla havaittiin silpun tuottavan riittävän suuren vasteen kohteen peittämiseksi. On kuitenkin hankalaa päätellä menetelmän lopullista tehokkuutta, sillä simulaatiossa ei huomioitu hakupään mahdollisuuksia prosessoida saatua dataa monimutkaisemmin. Pelkän vasteen voimakkuuden mukaiseen hakeutumiseen silppu on oiva vastatoimenpide, mutta ilmataistelussa nykyisin käytössä oleviin kehittyneempiin hakupäihin se ei sellaisenaan todennäköisesti tehoa.
28 LÄHTEET 1 M. I. Skolnik, Introduction to radar systems. New York: McGraw-Hill, 2001. 2 F. Neri, Introduction to electronic defense systems. Norwood: Artech House, 2001. 3 O. Klemola ja A. Lehto, Tutkatekniikka. Helsinki: Hakapaino Oy, 1998. 4 D. Schleher, Electronic warfare in the information age. Norwood: Artech House, 1999. 5 M. I. Skolnik, Radar handbook. New York: McGraw-Hill, 1990. 6 Air Force Link. [Viitattu 4.3.2009]. Saatavissa: http://www.af.mil/shared/media/photodb/photos/010101-f-0101s-002.jpg 7 Air Force Link. [Viitattu 18.3.2009]. Saatavissa: http://www.af.mil/shared/media/photodb/web/090123-f-8308w-104.jpg 8 D. Adamy, Deceptive jamming techniques - inverse gate jamming, Journal of Electronic Defense, vol 19, pp. 63 65, November 1996 9 D. Adamy, Deceptive jamming techniques - range gate pull-of, Journal of Electronic Defense, vol 19, pp. 60 61, November 1996