Konwencjonalny radar zdradza swoją obecność. Emituje megawaty mocy impulsowej, a każdy przeciwnik wyposażony w odbiornik ostrzegawczy radaru może wykryć transmisję, namierzyć położenie emitera i zaatakować go precyzyjnym uderzeniem lub pociskiem przeciwradarowym. Radar pasywny całkowicie odwraca tę dynamikę: odbiera, lecz nigdy nie nadaje, wykorzystując ocean komercyjnej energii rozgłoszeniowej już zalewającej atmosferę — radio FM, cyfrowe radio, cyfrową telewizję i stacje bazowe sieci komórkowych — jako oświetlacze okazjonalne. Czujnik jest elektromagnetycznie cichy. Nie ma niczego, co odbiornik przechwytujący mógłby wykryć.

Podejście to, formalnie określane jako pasywna lokalizacja koherentna (PCL), przeszło w ciągu ostatnich dwóch dekad od akademickiej ciekawostki do wdrożenia operacyjnego. Połączenie wysokowydajnych odbiorników radia programowalnego, przetwarzania sygnału przyspieszanego przez GPU oraz coraz gęstszych komercyjnych sieci rozgłoszeniowych sprawiło, że PCL stał się rentowny jako trwałe, niskokosztowe uzupełnienie systemów radaru aktywnego w obronie powietrznej bazy, nadzorze granic i obszarowym monitorowaniu przestrzeni powietrznej.

Zasada pasywnej lokalizacji koherentnej

PCL wykorzystuje geometrię radaru bistatycznego: nadajnik (komercyjna stacja rozgłoszeniowa, której operatorzy PCL nie kontrolują) i odbiornik (system PCL) są fizycznie rozdzielone, w przeciwieństwie do konwencjonalnego radaru monostatycznego, w którym nadajnik i odbiornik dzielą tę samą aperturę. Gdy samolot lub pojazd przechwytuje energię z nadajnika rozgłoszeniowego, niewielka część tej energii jest rozpraszana w kierunku odbiornika PCL. Porównując odebrany sygnał drogi bezpośredniej z nadajnika z echem celu, system może wyodrębnić odległość bistatyczną (sumę długości toru nadajnik–cel oraz cel–odbiornik, pomniejszoną o bezpośredni tor nadajnik–odbiornik), prędkość dopplerowską oraz — przy wielu węzłach odbiorczych lub wielu oświetlaczach — przybliżoną pozycję w dwóch lub trzech wymiarach.

Sygnał drogi bezpośredniej pełni podwójną rolę: działa jako kanał referencyjny, dostarczając repliki przebiegu wymaganej do przetwarzania filtrem dopasowanym, oraz stanowi dominujące źródło zakłóceń, które musi zostać wyeliminowane, zanim echa celów będą mogły zostać wykryte. Zarządzanie tą dwoistością kanału referencyjnego jest centralnym wyzwaniem przetwarzania sygnału w projektowaniu systemów PCL.

Kluczowy wniosek: Ponieważ system PCL nie emituje żadnej energii o częstotliwości radiowej, ma z natury zerowe prawdopodobieństwo przechwycenia i zerowe prawdopodobieństwo wykrycia z perspektywy przeciwnika. W przeciwieństwie do radarów aktywnych LPI (o niskim prawdopodobieństwie przechwycenia), które zmniejszają wykrywalność emisji poprzez projektowanie przebiegu, radar pasywny eliminuje emisję całkowicie — czyniąc go niewykrywalnym przez jakąkolwiek obecną lub przewidywalną technologię odbiorników ostrzegawczych radaru.

Wybór oświetlacza: FM, DAB, DVB-T i 5G

Wybór oświetlacza determinuje zasięg wykrywania systemu PCL, rozdzielczość odległościową i rozdzielczość dopplerowską — a tym samym, które klasy celów może on niezawodnie wykrywać.

Rozgłośnie FM (87,5–108 MHz). Nadajniki FM są najszerzej wykorzystywanym oświetlaczem PCL. Moce nadawania 10–100 kW, niemal dookólne charakterystyki anten oraz gęstości geograficzne jednego nadajnika na 30–50 km w większości Europy i Ameryki Północnej sprawiają, że pokrycie FM jest w zasadzie wszechobecne. Zasięgi wykrywania 200–300 km wobec dużych samolotów są rutynowo demonstrowane w próbach terenowych. Istotnym ograniczeniem jest rozdzielczość odległościowa: sygnały FM zajmują około 100 kHz pasma, co przekłada się na bistatyczną rozdzielczość odległościową rzędu 1500 m — zbyt zgrubną, aby oddzielić małe cele od zakłóceń pasywnych od ziemi lub rozróżnić blisko siebie położone obiekty. PCL oparty na FM najlepiej nadaje się do nadzoru obszarowego konwencjonalnych samolotów i śmigłowców.

Cyfrowe radio DAB (174–240 MHz). Sygnały DAB zajmują około 1,5 MHz chwilowego pasma, poprawiając rozdzielczość odległościową do około 100 m. Struktura przebiegu OFDM sygnału DAB, z dobrze zdefiniowanymi podnośnymi pilotowymi, upraszcza ekstrakcję kanału referencyjnego i poprawia jakość funkcji wzajemnej nieoznaczoności. Systemy PCL oparte na DAB wykazały niezawodne wykrywanie średniej wielkości samolotów na odległościach do 150 km oraz początkowe wykrycia dronów w środowiskach o niskim poziomie zakłóceń pasywnych. Gęstość nadajników DAB jest w wielu regionach niższa niż FM, co tworzy luki w pokryciu wymagające rozpoznania lokalizacji oświetlaczy przed wdrożeniem systemu.

Cyfrowa telewizja DVB-T (470–790 MHz). DVB-T zapewnia najlepszą rozdzielczość odległościową spośród ustalonych oświetlaczy PCL, gdzie pasmo kanału 7,6 MHz daje bistatyczną rozdzielczość odległościową około 20 m. Na częstotliwościach UHF propagacja jest bardziej liniowa niż w przypadku FM, co zmniejsza maksymalny zasięg wykrywania wobec celów nisko lecących, lecz poprawia stosunek sygnału do zakłóceń pasywnych w wielu geometriach. PCL oparty na DVB-T jest obecnie preferowanym oświetlaczem do wykrywania małych UAV, gdzie połączenie odpowiedniej rozdzielczości odległościowej i dopplerowskiej pozwala oddzielić wolne mikro-UAV od nieruchomych zakłóceń pasywnych od ziemi. Maksymalny zasięg wykrywania wobec dużych samolotów wynosi zazwyczaj 100–150 km.

5G NR (sub-6 GHz). Stacje bazowe 5G new radio stanowią wyłaniający się oświetlacz PCL o szerokopasmowej charakterystyce (do 100 MHz pasma kanału w pasmach sub-6 GHz), który mógłby dać bistatyczną rozdzielczość odległościową poniżej 2 m — wystarczającą do obrazowania pojazdów i wykrywania bardzo małych UAV. Ekstrakcja kanału referencyjnego z sygnałów 5G NR jest bardziej złożona niż z przebiegów rozgłoszeniowych, ponieważ 5G używa transmisji z formowaniem wiązki i dynamicznej alokacji zasobów, co wymaga dekodowania warstwy fizycznej 5G w czasie rzeczywistym w celu zrekonstruowania nadawanego sygnału referencyjnego. Demonstracje badawcze wykazały obiecujące wyniki; operacyjne systemy PCL wykorzystujące 5G nie są jeszcze szeroko rozmieszczone, lecz wyznaczają kierunek rozwoju zdolności na nadchodzącą dekadę.

Kluczowy wniosek: Wybór oświetlacza nie jest jednorazową decyzją projektową. Dobrze zaprojektowany system radaru pasywnego powinien być zdolny do jednoczesnego wykorzystywania wielu typów oświetlaczy — uruchamiając równoległe łańcuchy przetwarzania dla FM, DAB i DVB-T — i łączenia wynikowych raportów wykrycia. To wielooświetlaczowe podejście kompensuje luki w pokryciu, poprawia ciągłość wykrywania w sektorach podejścia i pozwala systemowi degradować się stopniowo, zamiast zawieść, gdy konkretny nadajnik przestanie nadawać z powodu konserwacji.

Łańcuch przetwarzania sygnału

Łańcuch przetwarzania sygnału PCL jest bardziej intensywny obliczeniowo na pojedyncze wykrycie niż konwencjonalny radar aktywny, ponieważ przebieg referencyjny jest wyodrębniany ze środowiska, a nie generowany lokalnie. Główne etapy są spójne we wszystkich implementacjach PCL, niezależnie od typu oświetlacza.

Akwizycja kanału referencyjnego i kanału nadzoru. Odbiornik PCL wymaga co najmniej dwóch kanałów odbiorczych: kanału referencyjnego skierowanego na oświetlacz w celu przechwycenia sygnału drogi bezpośredniej jako referencji przetwarzania oraz jednego lub więcej kanałów nadzoru z antenami skierowanymi w stronę objętości nadzoru. Wysokowydajne systemy używają anten składających się z 8–32 elementów nadzoru, aby zapewnić zdolność filtracji przestrzennej do tłumienia zakłóceń pasywnych i estymacji kierunku nadejścia. Kanał referencyjny zazwyczaj wykorzystuje antenę kierunkową o wysokim stosunku przód–tył, aby zmaksymalizować stosunek sygnału drogi bezpośredniej do szumu, jednocześnie tłumiąc echa celów.

Eliminacja zakłóceń drogi bezpośredniej. Sygnał drogi bezpośredniej z oświetlacza dociera do kanału nadzoru na poziomie 40–80 dB powyżej poziomu echa celu. Eliminację przeprowadza się za pomocą filtracji adaptacyjnej: sygnał kanału referencyjnego jest używany do estymacji i odjęcia składowej drogi bezpośredniej z kanału nadzoru. Algorytmy takie jak najmniejsze średnie kwadraty (LMS) lub rekurencyjne najmniejsze kwadraty (RLS) są stosowane do śledzenia wolno zmieniających się zakłóceń wielodrogowych. Wymagane są głębokości eliminacji 50–80 dB; niepowodzenie w osiągnięciu odpowiedniej eliminacji DPI prowadzi do poziomu szumów, który maskuje wszystkie cele poza najsilniejszymi.

Obliczanie funkcji wzajemnej nieoznaczoności. Po eliminacji DPI sygnał kanału nadzoru jest korelowany z kanałem referencyjnym w zakresie hipotez bistatycznego opóźnienia (odległości) i częstotliwości dopplerowskiej. Ta dwuwymiarowa korelacja wzajemna — funkcja wzajemnej nieoznaczoności (CAF) — jest odpowiednikiem PCL filtra dopasowanego w konwencjonalnym radarze. Każda komórka w CAF odpowiada konkretnej hipotezie bistatycznej odległości i prędkości radialnej. Echa celów pojawiają się jako szczyty w CAF w ich współrzędnych bistatycznej odległości i dopplera.

Obliczanie CAF jest dominującym obciążeniem obliczeniowym w przetwarzaniu PCL. Dla 1-sekundowego interwału koherentnego przetwarzania przy paśmie FM pojedyncza CAF oświetlacza wymaga rzędu 109 operacji mnożenia z akumulacją. Akceleracja GPU z użyciem CUDA lub OpenCL redukuje to do opóźnienia poniżej 100 ms dla działania w czasie rzeczywistym. Systemy o dużej liczbie kanałów przetwarzające wiele oświetlaczy jednocześnie wymagają dedykowanych węzłów obliczeniowych GPU zamiast sprzętu serwerowego ogólnego przeznaczenia.

Eliminacja zakłóceń pasywnych: ECA i STAP. Nawet po eliminacji DPI silne echa od nieruchomego terenu — wzgórz, budynków, turbin wiatrowych — dominują w kanale nadzoru i muszą zostać stłumione przed wykryciem. Rozszerzony algorytm eliminacji (ECA) stosuje filtr przestrzenny na elementach anteny nadzoru, aby wyrzutować podprzestrzeń zakłóceń pasywnych, wykorzystując fakt, że odbicia od zakłóceń pasywnych nadchodzą ze stałych azymutów i mogą zostać scharakteryzowane na podstawie danych. Przestrzenno-czasowe przetwarzanie adaptacyjne (STAP) rozszerza to na łączną filtrację przestrzenno-dopplerowską, zapewniając dodatkowe rozróżnianie zakłóceń pasywnych dla wolno poruszających się celów. Implementacje ECA-STAP na nowoczesnym sprzęcie GPU osiągają 40–60 dB tłumienia zakłóceń pasywnych.

Detekcja CFAR i śledzenie. Po eliminacji zakłóceń pasywnych detektor o stałym wskaźniku fałszywych alarmów (CFAR) stosuje próg adaptacyjny w całej CAF, aby zidentyfikować kandydujące komórki celów, jednocześnie utrzymując kontrolowany wskaźnik fałszywych alarmów niezależny od lokalnych poziomów szumu i zakłóceń pasywnych. Wykrycia są przekazywane do trackera, który stosuje filtrację Kalmana lub śledzenie wielohipotezowe (MHT) w celu asocjacji wykryć w kolejnych interwałach przetwarzania i utworzenia potwierdzonych torów. Wyjście toru jest wyrażone we współrzędnych bistatycznych; konwersja na kartezjańskie wymaga znajomości położenia oświetlacza i położenia odbiornika — obu zmierzonych z dokładnością poniżej 100 m.

Fuzja wielostatyczna i generowanie obrazu sytuacji powietrznej. Pojedynczy węzeł PCL dostarcza bistatycznej odległości, dopplera oraz — jeśli używa anteny nadzoru — kierunku nadejścia. Dwa węzły dzielące wspólny oświetlacz dostarczają wystarczającej liczby par bistatycznej odległości, aby zrekonstruować pozycję kartezjańską. Trzy lub więcej węzłów lub oświetlaczy nadokreśla pozycję, umożliwiając estymację pozycji metodą najmniejszych kwadratów z dokładnością zazwyczaj w zakresie 300–1000 m dla systemów opartych na FM i 50–200 m dla systemów DVB-T. Wyjścia torów są formatowane w ASTERIX Cat 48 lub równoważnym i przekazywane do platformy SIGINT lub wspólnego obrazu operacyjnego sytuacji powietrznej.

Zastosowania obronne: co umożliwia PCL

Właściwość zerowej emisji PCL tworzy zdolności operacyjne, których radar aktywny nie może odtworzyć. System PCL rozmieszczony na wysuniętej bazie operacyjnej nie zdradza niczego o swojej obecności środkom walki elektronicznej przeciwnika. Zapewnia trwałe pokrycie bez zużywania widma elektromagnetycznego ani tworzenia sygnatury emitera, którą wrogie celowanie mogłoby wykorzystać. W środowiskach spornych, gdzie lokalizacje radarów aktywnych są rutynowo atakowane, PCL może utrzymywać nadzór powietrzny bez żadnej sygnatury taktycznej.

Druga i często niedoceniana przewaga dotyczy samolotów trudnowykrywalnych. Materiały pochłaniające promieniowanie radarowe są zoptymalizowane pod częstotliwości mikrofalowe używane przez konwencjonalne radary kierowania ogniem i poszukiwania (zazwyczaj 3–18 GHz). Systemy PCL oparte na FM i DAB działają na częstotliwościach VHF/UHF, gdzie głębokość wnikania powłok pochłaniających promieniowanie radarowe jest większa niż grubość powłoki, a efekty rezonansowe w strukturze samolotu mogą prowadzić do podwyższonego bistatycznego RCS. Samoloty o niskiej wykrywalności, które wydają się w zasadzie niewidoczne dla radaru aktywnego pasma X, mogą generować wykrywalne echa w systemach VHF PCL — fakt, który napędza trwające badania nad VHF PCL jako uzupełnieniem konwencjonalnego radaru obrony powietrznej.

PCL zapewnia również naturalną warstwę nadzoru antydronowego, gdy jest rozmieszczony z oświetlaczami DVB-T. Małe UAV stanowią niezwykle trudny cel dla radaru aktywnego — ich niska RCS, niska prędkość i niska wysokość działają przeciwko konwencjonalnemu wykrywaniu — lecz systemy PCL oparte na DVB-T z odpowiednią eliminacją zakłóceń pasywnych wykazały powtarzalne wykrywanie czterowirnikowych UAV na odległości 5–20 km, wystarczające do zapewnienia alarmu i wskazań celu dla bardziej skoncentrowanych czujników RF lub interceptorów kinetycznych. Integracja z łańcuchami wskazań celu oprogramowania RF do wykrywania dronów została zademonstrowana w wielu europejskich i izraelskich programach terenowych.

Kluczowy wniosek: Radar pasywny nie jest zamiennikiem radaru aktywnego w środowiskach o wysokim zagrożeniu — jest warstwą uzupełniającą. Radar aktywny zapewnia precyzyjną jakość toru i dokładność kierowania ogniem, której PCL nie może dorównać. PCL zapewnia trwałe skryte pokrycie, przewagę w wykrywaniu samolotów trudnowykrywalnych na VHF oraz czujnik, którego nie można zaatakować pociskami przeciwradarowymi. Warstwowa architektura obrony powietrznej łącząca obie jest bardziej przeżywalna i zdolna niż każda z osobna.

Integracja z dowodzeniem i kontrolą

Wartość systemu PCL jest realizowana tylko wtedy, gdy jego dane torów docierają do operatorów i systemów, które mogą na nich działać. Integracja z obrazem sytuacji powietrznej i szerszym systemem dowodzenia i kontroli wymaga uwagi zarówno wobec formatu danych, jak i opóźnienia.

Dane torów są zazwyczaj formatowane w ASTERIX (All-purpose Structured Eurocontrol Surveillance Information Exchange) Kategoria 48 dla torów monoradarowych lub Kategoria 240 dla wideo czujnika. Systemy zasilające infrastrukturę wspólnego obrazu powietrznego NATO mogą alternatywnie używać VMF (variable message format) lub STANAG 4607, jeśli wymagana jest integracja wskaźnika ruchomych celów naziemnych obok torów powietrznych. Integracja Link 16 — przekazywanie torów PCL do taktycznego obrazu powietrznego — wymaga terminala zdolnego do obsługi przebiegu i jest standardem dla instalacji obrony powietrznej baz NATO.

Wymagania dotyczące opóźnienia dla wskazań celu obrony powietrznej zazwyczaj nakazują opóźnienie toru end-to-end poniżej 2 sekund od echa celu do aktualizacji wyświetlania. To napędza opisane wcześniej obliczanie CAF przyspieszane przez GPU i ogranicza dopuszczalny interwał koherentnego przetwarzania — dłuższa integracja poprawia czułość wykrywania, lecz zwiększa opóźnienie. 1-sekundowy interwał koherentnego przetwarzania ze 100 ms przetwarzania GPU i 500 ms opóźnienia łańcucha śledzenia jest osiągalny na obecnym sprzęcie i spełnia wymagania opóźnienia obrony powietrznej dla większości klas celów.