Perspectivas para el uso de redes celulares en la detección de objetivos aéreos
Sucede con frecuencia que los visitantes del sitio web Military Review sugieren temas para mi próximo artículo. Esto es precisamente lo que ocurrió esta vez: en una publicación dedicada al problema de la detección temprana de vehículos aéreos no tripulados enemigos, un lector escribió lo siguiente:
Desde 2018, se han estado realizando trabajos de investigación y desarrollo sobre el uso de señales celulares reflejadas desde dronesen sistemas de radar pasivos para la detección de UAV. Nadie está impidiendo la movilización de infraestructura de comunicaciones celulares con fines militares, especialmente porque los ucranianos ya lo están haciendo.
Además, recientemente se publicó un artículo interesante y bien escrito en Military Review. Algunos desafíos de la localización acústica con drones: por qué el sonido no es radio .
Dada la actualidad del tema, y dentro de mi área de especialización y basándome en fuentes abiertas, intentaré ofrecer una comprensión integral de la idoneidad de las redes celulares para la detección de aeronaves en general y de vehículos aéreos no tripulados (VANT) en particular. Asimismo, analizaré la cronología del desarrollo en este ámbito y sus resultados.
Radar pasivo, biestático y multiestático
Para comprender cómo se puede utilizar teóricamente la infraestructura de comunicaciones móviles de diversos estándares para detectar objetos que se mueven en el espacio aéreo, conviene comprender la terminología y analizar brevemente qué es el radar en general y en qué se diferencia el radar pasivo del radar biestático y multiestático.
Diferentes métodos de detección de aeronaves por radar
Los radares más comunes son los radares activos (Fig. a), que transmiten al espacio y reciben una señal reflejada por un objetivo. La antena de este tipo de radar genera un haz estrecho (1-6°) en el plano azimutal mediante pulsos electromagnéticos. El haz puede explorarse de forma circular o sectorial en el plano vertical u horizontal. Si un objetivo aéreo entra en el haz, la parte receptora de la estación recibe los pulsos reflejados, que se utilizan para determinar su dirección. De esta forma, se determina el azimut cuando el haz pasa sobre el objetivo y se calcula la distancia a este en función del retardo temporal de los pulsos reflejados con respecto al pulso de sondeo.
Los transpondedores que transmiten señales de respuesta tras recibir una interrogación codificada (Fig. b) se utilizan ampliamente en el control del tráfico aéreo civil. Los sistemas de identificación de estado funcionan con el mismo principio, pero no pueden detectar objetivos aéreos de forma independiente sin procesar la señal de respuesta.
Los radares pasivos (Fig. c) no emiten ondas electromagnéticas por sí mismos, sino que reciben señales transmitidas por las aeronaves, por ejemplo, registrando el funcionamiento del radar a bordo, los equipos de comunicaciones y los radioaltímetros. Una ventaja significativa de los radares pasivos es que no se hacen visibles mediante radiación de alta frecuencia, no son detectables por los equipos de reconocimiento electrónico enemigos y no pueden ser atacados por sistemas antirradar. cohete.
Para determinar con mayor precisión la ubicación, el rumbo y la velocidad del objetivo, se suelen desplegar varios receptores pasivos que envían sus datos a un puesto de mando donde se utiliza la triangulación para calcular los parámetros del objeto observado. También se emplea la medición directa del retardo de llegada del pulso en cada estación receptora.
Checoslovaquia fue pionera en el campo del radar pasivo entre los estados del Pacto de Varsovia, poniendo en funcionamiento la estación PRP-1 a modo de prueba en 1963.
La sala de equipos del radar pasivo checoslovaco PRP-1
Tres estaciones receptoras montadas en un chasis de carga Praga V3S, ubicadas en diferentes puntos (una central y dos laterales), permitieron determinar con precisión aceptable las coordenadas y rumbos de las fuentes de señales de radio en las bandas de frecuencia de 1000–2000 MHz (rango de frecuencia D), 4000–8000 MHz (G/H), 8000–20000 MHz (I/J), así como los transpondedores IFF y TACAN que operaban a una frecuencia de 1090 MHz. El operador registraba manualmente las señales de radio en la pantalla de la estación, y la información del objetivo se transmitía verbalmente a un centro móvil de procesamiento de información a través de una red de radio. La posición y el rumbo del objetivo se calculaban entonces en función de los datos disponibles. El equipo del sistema PRP-1 podía rastrear simultáneamente seis aeronaves. El sistema de búsqueda pasiva PRP-1 permaneció en funcionamiento hasta 1979.
La experiencia de operar la estación PRP-1 se consideró un éxito, tras lo cual la empresa checoslovaca Tesla diseñó y produjo en masa los sistemas de radar pasivo KRTP-81 "Ramona", KRTP-81M "Ramona-M", KRTP-86 "Tamara" y KRTP-91 "Tamara-M".
Los componentes del sistema de radio Tamara se montaron en ocho camiones Tatra T815 8x8. Los sensores cilíndricos pasivos de localización de dirección se elevaron hidráulicamente hasta una altura de 25 metros. En la posición de combate, los receptores se ubicaron a una distancia de entre 10 y 35 km.
Poste de antena RTS KRTP-86 "Tamara" con elevador hidráulico
El sistema Tamara RTS era capaz de operar contra aeronaves tácticas (de cubierta). aviaciónBombarderos estratégicos, aeronaves AWACS, aeronaves de reconocimiento electrónico e inhibidores de señales. El equipo receptor podía detectar emisiones de radar aerotransportadas, transmisores IFF, señales de navegación TACAN, telémetros DME, sistemas de intercambio de información táctica JTIDS e inhibidores activos que operaban en el rango de 0,82 a 18 GHz.
Durante las pruebas de campo realizadas en la frontera con Alemania, el equipo de radiogoniometría pasiva KRTP-86 detectó un objetivo F-16A a una distancia de 400 km y un F-15A a 365 km. Cazas de generaciones anteriores, como el F-4E, fueron detectados a 395 km, y el F-104G a 425 km. El alcance de detección de aeronaves de interferencia y AWACS se encontraba dentro del horizonte radioeléctrico. El sistema informático del sistema Tamara podía rastrear hasta 72 objetivos dentro de un sector de 100 grados. El sistema electrónico mejorado KRTP-91 Tamara-M presentaba capacidades de visualización y procesamiento mejoradas y era capaz de atacar objetivos dentro de un sector de 120 grados.
Antes del colapso del Pacto de Varsovia, Tesla fabricó 23 sistemas de inteligencia electrónica de la familia Tamara. Según fuentes occidentales, se entregaron 15 sistemas a la URSS, uno a la RDA y cuatro radares pasivos fueron adoptados por Checoslovaquia. En 1991, Estados Unidos logró adquirir un KRTP-91 modernizado, comprándolo a través de Omán.
En la URSS también se trabajaba en radares pasivos. En 1987, la planta Topaz de Donetsk comenzó a producir la estación móvil de reconocimiento electrónico Kolchuga. El equipo de la estación móvil de reconocimiento electrónico pasivo Kolchuga estaba alojado en tres furgonetas montadas sobre un chasis KrAZ-260.
Estaciones de hardware de reconocimiento electrónico pasivo "Kolchuga"
El sistema Kolchuga puede determinar con precisión las coordenadas de objetivos terrestres y de superficie dentro del alcance de sus señales de radio emitidas, así como sus trayectorias de movimiento. Para objetivos aéreos que vuelan a una altitud de 10 km, el alcance de detección llega a los 800 km. La estación es capaz no solo de detectar, sino también de reconocer objetivos terrestres y aéreos. La memoria del sistema almacena diversos patrones de objetivos sospechosos.
Sin embargo, a pesar de todas sus ventajas, los radares pasivos complementan a los radares activos que generan radiación de alta frecuencia y no pueden detectar objetivos aéreos que operen en completo silencio radioeléctrico. Los radares pasivos tienen baja precisión para determinar las coordenadas de las aeronaves, lo que los hace inadecuados para la designación directa de objetivos por parte de los sistemas de defensa aérea. Solo pueden utilizarse para la detección inicial, que requiere un reconocimiento adicional y una mayor clarificación de la situación aérea.
En un radar biestático, las antenas transmisora y receptora están separadas por una distancia considerable, lo que a veces se utiliza, por ejemplo, en radares de largo alcance.
Diagrama de funcionamiento de un radar biestático
La señal de sondeo del transmisor se refleja en el objetivo y llega a la antena receptora. El equipo receptor analiza no solo la señal reflejada, sino también la señal directa, la que proviene directamente del transmisor. La diferencia en los tiempos de llegada de estas dos señales permite calcular las distancias entre el transmisor y el objetivo, y entre el objetivo y el receptor, y por lo tanto, las coordenadas del objetivo.
Un sistema compuesto por múltiples componentes de radar biestático distribuidos espacialmente con un área de cobertura común se denomina radar multiestático. Consta de al menos tres componentes; por ejemplo, un receptor y dos transmisores, dos receptores y un transmisor, o varios receptores y varios transmisores. Uno o más receptores procesan las señales reflejadas por los objetivos, transmitidas por uno o más transmisores geográficamente dispersos. Por lo tanto, una red de radar construida con transmisores celulares puede considerarse multiestática.
Proyectos para la creación de sistemas de radar para la detección de objetivos aéreos basados en estaciones de comunicación celular.
En 2002, la multinacional aeroespacial BAE Systems contrató a la empresa británica Roke Manor Research para desarrollar el sistema Celldar (radar celular) para su uso práctico. En 2003, durante las pruebas del equipo desarrollado por especialistas de Roke Manor Research, que constaba de un receptor, una antena remota y un ordenador portátil con software especializado, se demostró a la cúpula militar británica la capacidad de detectar objetos aéreos y terrestres dentro del área de cobertura de la red GSM. Sin embargo, durante las pruebas, quedó claro que el alcance del equipo receptor dependía de muchos factores variables y no garantizaba una detección fiable de objetos en todo el rango de altitudes y velocidades. Por lo tanto, este proyecto no se continuó. No obstante, según la información disponible, los desarrollos de software obtenidos durante el desarrollo del sistema Celldar se utilizaron en la lucha contra el terrorismo para determinar con precisión las coordenadas de dispositivos móviles.
También se realizaron pruebas de las capacidades de doble uso de las señales emitidas por las estaciones base celulares en la Universidad Estatal de Informática e Ingeniería de Radio de Bielorrusia, la corporación estadounidense Lockheed-Martin, la empresa israelí Elta Systems y la empresa europea EADS. Sin embargo, todos los desarrolladores concluyeron que este enfoque no era viable y el proyecto no pasó de la etapa de prototipo.
También hemos realizado investigaciones en este ámbito. Por ejemplo, en otoño de 2016, los medios de comunicación rusos informaron de que especialistas de la empresa de investigación y producción Kant, con sede en Moscú, habían desarrollado un sistema de radar especializado para detectar, rastrear y designar objetivos pequeños y misiles de crucero de baja altitud que vuelan a velocidades de hasta 500 m/s y altitudes de hasta 500 m.
Según se informó, el producto, conceptualmente nuevo, se basaba en una idea propuesta por empleados del Centro Científico y Técnico de Guerra Electrónica (CCT). EW) durante el desarrollo del sistema Pole-21. El sistema Pole-21, con sus transmisores R-340RP, está diseñado para generar interferencias de ruido en una amplia zona, impidiendo el funcionamiento de sistemas de navegación por satélite como GPS, GLONASS, Galileo y BeiDou. Inicialmente, se pretendía utilizar la red existente de torres de telefonía móvil para las antenas transmisoras, conectando los numerosos puestos de mando y control "altamente protegidos" del sistema Pole-21 con las antenas, receptores, sistema informático y equipos de comunicaciones del sistema de radar multiestático de detección de objetivos aéreos.
Cabe destacar que el sistema móvil de guerra electrónica Pole-21, con equipos alojados en furgonetas basadas en camiones todoterreno KamAZ-5350 o KamAZ-6350, se encuentra en producción en serie y ha demostrado un buen rendimiento. Según fuentes abiertas, un único transmisor R-340RP con una potencia radiada de hasta 1000 W es capaz de interferir las señales de navegación por satélite en un radio de 20 a 25 km. Cada puesto del sistema incluye una furgoneta con el equipo y hasta tres módulos de antena.
Sin embargo, la idea de colocar módulos de antena del sistema Pole-21 en torres de telefonía celular, que también se utilizan para detectar objetivos aéreos, no se implementó debido a problemas organizativos y técnicos insuperables.
Incluso sin considerar cómo los especialistas de la empresa de investigación y producción Kant, con sede en Moscú, planeaban garantizar la resistencia al uso masivo de armas de ataque aéreo, la inmunidad de los receptores a las interferencias, su compatibilidad electrónica, la fiabilidad y redundancia de los canales de comunicación, el suministro de fuentes de alimentación autónomas y la integración con los sistemas de conocimiento de la situación aérea y las redes de alerta existentes, el sistema de radar multiestático propuesto, basado en estaciones base celulares, presentaba inicialmente fallos insuperables. Las redes celulares, como sabemos, no exploran el espacio y sus antenas tienen patrones de haz fijos de 60–120°. El alcance y la ubicación de un teléfono se determinan analizando el retardo de tiempo cuando se encuentra en el área de cobertura de varias estaciones, y cuantas más estaciones haya, mayor será la precisión de la medición. El propio teléfono también puede transmitir una "etiqueta" en tiempo real.
El punto negro representa la ubicación aproximada del teléfono, determinada mediante tres estaciones base.
Pero para determinar con precisión la ubicación de un teléfono, este debe estar registrado en la red y encendido. La estación base envía una señal a un suscriptor específico, y solo ese suscriptor debe responder. Esto significa que las redes móviles, al igual que los radares de control de tráfico aéreo civil, utilizan el principio del radar de respuesta activa. Si una aeronave no tiene a bordo un dispositivo activo que funcione con una tarjeta SIM de ese operador específico, no podrá ser detectada. En el pasado, los UAV de ataque a veces estaban equipados con dispositivos de comunicación móvil con tarjetas SIM de operadores celulares que operaban en el área donde se ubicaban los objetivos para conectarse a Internet, y teóricamente las estaciones base podrían usarse para detectar dichos drones kamikaze. Sin embargo, actualmente, droneless Las tarjetas SIM integradas en los vehículos aéreos han sido prácticamente abandonadas. Por lo tanto, el radar de respuesta activa resulta inútil para detectar vehículos aéreos no tripulados enemigos.
Otro problema radica en que la estructura de las señales GSM (2G), UMTS (3G) y LTE (4G) contiene componentes discretos de bits, sílabas y tramas, y carecen de un pulso de sondeo propiamente dicho. Si bien estas señales se asemejan más a una onda cuasicontinua, sus pulsos no están modulados ni manipulados, lo que imposibilita medir la distancia a un objetivo.
En teoría, también es posible detectar un objetivo aéreo utilizando transmisores celulares y un receptor pasivo mediante el método de "sombreado" (o apantallamiento), que aprovecha el efecto de la interrupción de la recepción de una señal de radio de alta frecuencia por un objeto situado entre los dispositivos transmisor y receptor. Este efecto fue descubierto en 1897 por A.S. Popov, cuando un tercer barco se interpuso accidentalmente entre dos barcos que intercambiaban mensajes por radiotelegrafía. Sin embargo, este método no es adecuado para medir con precisión las coordenadas, la velocidad ni la identificación de aeronaves. Lograr resultados satisfactorios utilizando múltiples estaciones transmisoras y un solo receptor es técnicamente imposible, y construir una red de radares pasivos y conectarlos a una infraestructura informática de alto rendimiento resulta demasiado costoso y no ofrece ventajas sobre los radares de vigilancia existentes. Defensa.
Un obstáculo importante para el uso de redes celulares en la detección por radar multiestático es la baja potencia emitida por la estación base. Por ejemplo, en una red 4G (cuarta generación) que opera en frecuencias de 800 a 2100 MHz, la potencia de la señal es de 40 a 60 vatios. En zonas rurales, se suelen utilizar estaciones base que operan a 800 MHz, lo que proporciona un alcance de cobertura de no más de 30 km en terreno llano.
La presencia de superficies irregulares, tanto naturales como artificiales, así como de árboles altos, dificulta enormemente la transmisión de la señal.
En este punto, sería apropiado comparar las características del transmisor de la estación base 4G con el radar móvil nacional 39N6 "Kasta-2-2", especialmente diseñado para la detección de objetivos aéreos a baja altitud y que constituye un medio bastante eficaz para detectar vehículos aéreos no tripulados (UAV) de tipo aeronáutico.
Radar 39N6 "Casta-2-2"
El radar de ondas decimétricas de doble eje 39N6 Kasta-2-2 se desarrolló a finales de la década de 1980, pero su entrega masiva a las fuerzas armadas no comenzó hasta después del colapso de la URSS. Según fuentes abiertas, la versión de exportación, conocida como 39N6E Kasta-2E2, tiene una potencia de pulso de 40 kW. El alcance de detección de un objetivo con una imagen de radar de 2 metros cuadrados que vuela a una altitud de 100 metros utilizando el mástil estándar de 14 metros de altura es de más de 40 km. Cuando la antena se eleva a una altitud de 50 metros, el alcance de detección es de 55 km. El techo es de 6 km. Es capaz de rastrear simultáneamente 40 objetivos. La información se actualiza cada 5 o 10 segundos (dependiendo de la velocidad de rotación de la antena). El ancho del haz (patrón direccional) del radar Kasta-2-2 en azimut es de 5,5°. Suponiendo que la antena de la estación base distribuya su energía en un ángulo de 120° (a 60 W), la señal recibida por el objetivo será miles de veces más débil que la de un radar de vigilancia especialmente diseñado. La señal de retorno reflejada por el objetivo en el receptor del sistema de radar multiestático será entre cuatro y cinco órdenes de magnitud más débil que en el receptor del radar Kasta-2-2, lo que sin duda tendrá un impacto muy negativo en el alcance de detección.
En base a lo anterior, se puede concluir que los valores de potencia, los patrones de antena y los modos de radiación de la estación base dificultan la implementación del diseño de un sistema de detección de radar basado en redes de comunicación móvil, cuando no lo condenan directamente al fracaso.
Sin embargo, esto no significa que los radares multiestáticos que utilizan fuentes civiles de alta frecuencia carezcan de potencial práctico. En este sentido, las emisoras de radio FM comerciales de amplia cobertura, que operan en ondas ultracortas en el rango de frecuencia de 87,5 a 108 MHz, resultan mucho más prometedoras que las redes celulares. Las pequeñas emisoras que transmiten a zonas pobladas tienen una potencia de transmisión de 0,1 a 1 kW. No obstante, también existen emisoras que cubren grandes ciudades y extensas zonas rurales con una potencia de transmisión de hasta 50 kW. El alcance de recepción fiable de estas potentes emisoras, con antenas elevadas a más de 100 m de altura, puede superar los 70 km.
Aún más adecuados para el radar multiestático que las radios FM son los transmisores de televisión digital terrestre DVB-T2, que utilizan la banda decimétrica de 470 a 860 MHz. Para cubrir zonas sin cobertura y pueblos pequeños, se utilizan transmisores con una potencia de 10 a 100 vatios, mientras que en ciudades medianas y suburbios operan estaciones con una potencia de 250 a 1000 vatios.
Las antenas para estaciones de alta potencia (hasta 5 kW) con una cobertura de transmisión de hasta 80 km se instalan en torres de hasta 250 m de altura. La torre de televisión más alta de Rusia (540 m) es la Torre de Televisión de Ostankino.
Se ha hecho pública información que indica que la empresa israelí Elta Systems ha desarrollado un sistema de detección que consta de múltiples antenas pequeñas y unidades receptoras.
La señal de eco procedente de las emisoras locales de televisión y radio es recibida simultáneamente por varios receptores de microondas, se somete a un procesamiento preliminar por parte del hardware, se digitaliza y se transmite al centro de cómputo, donde se analiza la situación del aire.
La corporación alemana Hensoldt AG desarrolló un equipo similar. El radar, denominado Twinvis, está diseñado para detectar aeronaves mediante señales reflejadas por transmisores de radio y televisión civiles.
Para la recepción de señales distribuidas, se utilizan módulos tipo contenedor, que transmiten la información recibida a un único centro de control, donde se procesan los datos.
La corporación estadounidense Lockheed Martin probó su sistema de radar experimental Silent Sentry.
Se ha informado que el sistema de radar estadounidense Silent Sentry ha demostrado un buen rendimiento e incluso ha detectado aeronaves construidas con tecnología furtiva. Sin embargo, no hay información sobre su adopción o producción en serie. Fuentes estadounidenses afirman que los radares de reserva que operan en EE. UU. cumplen plenamente con los requisitos del Comando de Defensa Aeroespacial de América del Norte (NORAD), y que el sistema Silent Sentry es de poca utilidad para las fuerzas expedicionarias. Los expertos señalan que los sistemas de este tipo requieren iluminación de fuentes de radiación de alta frecuencia, cuya funcionalidad es cuestionable en zonas de combate. Al mismo tiempo, estos radares pueden utilizarse para dar servicio a pequeños aeródromos civiles que carecen de otros equipos de radar.
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