Звичайний радар сам себе видає. Він випромінює мегавати імпульсної потужності, і будь-який супротивник, оснащений приймачем попередження про радіолокаційне опромінення, може виявити випромінювання, тріангулювати позицію випромінювача та вразити його високоточним ударом чи протирадіолокаційною ракетою. Пасивний радар повністю перевертає цю динаміку: він приймає, але ніколи не випромінює, використовуючи океан комерційної мовної енергії, що вже заповнює атмосферу — FM-радіо, цифрове аудіомовлення, цифрове телебачення та стільникові базові станції — як опортуністичні підсвічувачі. Сенсор є електромагнітно безшумним. Приймачу перехоплення нічого виявляти.

Цей підхід, формально званий пасивною когерентною локацією (PCL), за останні два десятиліття перейшов від академічної цікавинки до оперативного розгортання. Поєднання високопродуктивних приймачів програмно-визначуваного радіо, обробки сигналів з прискоренням на GPU та дедалі щільніших мереж комерційного мовлення зробило PCL життєздатним як постійне, недороге доповнення до активних радарних систем у протиповітряній обороні баз, спостереженні за кордоном та широкоплощинному моніторингу повітряного простору.

Принцип пасивної когерентної локації

PCL використовує бістатичну радарну геометрію: передавач (комерційна мовна станція, якою оператори PCL не керують) і приймач (система PCL) фізично розділені, на відміну від звичайного моностатичного радара, де передавач і приймач спільно використовують одну апертуру. Коли літак або транспортний засіб перехоплює енергію від мовного передавача, мала частка цієї енергії розсіюється в напрямку приймача PCL. Порівнюючи прийнятий сигнал прямого шляху від передавача з відбиттям від цілі, система може вилучити бістатичну дальність (суму довжин шляхів передавач-до-цілі плюс ціль-до-приймача, мінус прямий шлях передавач-до-приймача), доплерівську швидкість і — за наявності кількох приймальних вузлів чи кількох підсвічувачів — приблизну позицію у двох або трьох вимірах.

Сигнал прямого шляху виконує подвійну функцію: він діє як опорний канал, забезпечуючи копію сигналу, необхідну для обробки узгодженим фільтром, і водночас являє собою домінантне джерело завад, яке має бути придушене перед тим, як можна буде виявити відбиття від цілі. Керування цією подвійністю опорного каналу є центральною проблемою обробки сигналів у проектуванні систем PCL.

Ключовий висновок: Оскільки система PCL не випромінює жодної радіочастотної енергії, вона за своєю природою має нульову ймовірність перехоплення та нульову ймовірність виявлення з точки зору супротивника. На відміну від LPI (з низькою ймовірністю перехоплення) активних радарів, які зменшують виявлюваність випромінювання через проектування сигналу, пасивний радар повністю усуває випромінювання — роблячи його невиявним для будь-якої сучасної чи передбачуваної технології приймачів попередження про радіолокаційне опромінення.

Вибір підсвічувача: FM, DAB, DVB-T і 5G

Вибір підсвічувача визначає дальність виявлення системи PCL, роздільну здатність за дальністю та роздільну здатність за Доплером — а отже, які класи цілей вона може надійно виявляти.

FM-мовлення (87,5–108 МГц). FM-передавачі є найбільш широко використовуваним підсвічувачем PCL. Потужності передачі 10–100 кВт, майже всеспрямовані діаграми антен і географічні щільності одного передавача на 30–50 км у більшості Європи та Північної Америки роблять покриття FM по суті повсюдним. Дальності виявлення 200–300 км проти великих літаків регулярно демонструються в польових випробуваннях. Суттєвим обмеженням є роздільна здатність за дальністю: сигнали FM займають приблизно 100 кГц смуги, що відповідає бістатичній роздільній здатності за дальністю приблизно 1500 м — занадто грубо, щоб відділити малі цілі від наземних завад чи розрізнити близько розташовані об'єкти. FM PCL найкраще підходить для широкоплощинного спостереження за звичайними літаками та гелікоптерами.

Цифрове аудіомовлення DAB (174–240 МГц). Сигнали DAB займають приблизно 1,5 МГц миттєвої смуги, покращуючи роздільну здатність за дальністю приблизно до 100 м. Структура сигналу OFDM у DAB, з чітко визначеними пілот-піднесучими, спрощує вилучення опорного каналу та покращує якість функції взаємної невизначеності. Системи DAB PCL продемонстрували надійне виявлення літаків середнього розміру на дальностях до 150 км і початкові виявлення дронів у середовищах з низьким рівнем завад. Щільність передавачів DAB у багатьох регіонах нижча, ніж у FM, що створює прогалини в покритті, які вимагають обстеження місць розташування підсвічувачів перед розгортанням системи.

Цифрове телебачення DVB-T (470–790 МГц). DVB-T забезпечує найкращу роздільну здатність за дальністю серед усталених підсвічувачів PCL, при ширині каналу 7,6 МГц даючи бістатичну роздільну здатність за дальністю приблизно 20 м. На частотах UHF поширення є більш прямолінійним, ніж у FM, що зменшує максимальну дальність виявлення проти низьколітних цілей, але покращує відношення сигнал-завада в багатьох геометріях. DVB-T PCL є на сьогодні кращим підсвічувачем для виявлення малих UAV, де поєднання достатньої роздільної здатності за дальністю та за Доплером дозволяє відділяти повільні мікро-UAV від нерухомих наземних завад. Максимальна дальність виявлення проти великих літаків зазвичай становить 100–150 км.

5G NR (sub-6 ГГц). Базові станції 5G new radio являють собою новий підсвічувач PCL із широкосмуговими характеристиками (до 100 МГц ширини каналу в діапазонах sub-6 ГГц), що могли б дати бістатичну роздільну здатність за дальністю нижче 2 м — достатню для отримання зображення транспортних засобів і виявлення дуже малих UAV. Вилучення опорного каналу із сигналів 5G NR складніше, ніж із мовних сигналів, оскільки 5G використовує передачі з керованим променем і динамічний розподіл ресурсів, що вимагає декодування фізичного рівня 5G у реальному часі для реконструкції переданого опорного сигналу. Дослідницькі демонстрації показали обнадійливі результати; оперативні системи PCL, що використовують 5G, ще не є широко розгорнутими, але являють собою напрям розвитку можливостей на наступне десятиліття.

Ключовий висновок: Вибір підсвічувача — це не одноразове проектне рішення. Добре спроектована пасивна радарна система має бути здатна одночасно використовувати кілька типів підсвічувачів — запускаючи паралельні ланцюги обробки для FM, DAB і DVB-T — і зливати отримані звіти про виявлення. Цей мультипідсвічувальний підхід компенсує прогалини в покритті, покращує безперервність виявлення в секторах наближення та дозволяє системі плавно деградувати, а не відмовляти, коли конкретний передавач виходить з ефіру на обслуговування.

Конвеєр обробки сигналу

Ланцюг обробки сигналу PCL є більш обчислювально інтенсивним на одне виявлення, ніж звичайний активний радар, оскільки опорний сигнал вилучається із середовища, а не генерується локально. Основні етапи є послідовними в усіх реалізаціях PCL, незалежно від типу підсвічувача.

Захоплення опорного та оглядового каналів. Приймач PCL вимагає щонайменше двох приймальних каналів: опорного каналу, спрямованого на підсвічувач, щоб захопити сигнал прямого шляху як опору обробки, та одного чи більше оглядових каналів з антенами, спрямованими в бік оглядового об'єму. Високопродуктивні системи використовують решітки з 8–32 оглядових елементів для забезпечення можливості просторової фільтрації для придушення завад та оцінки напрямку приходу. Опорний канал зазвичай використовує спрямовану антену з високим співвідношенням передньої та задньої сторін, щоб максимізувати відношення сигнал-шум прямого шляху, відхиляючи при цьому відбиття від цілей.

Придушення завад прямого шляху. Сигнал прямого шляху від підсвічувача приходить в оглядовий канал на 40–80 дБ вище рівнів відбиття від цілі. Придушення виконується адаптивною фільтрацією: сигнал опорного каналу використовується для оцінки та віднімання компонента прямого шляху з оглядового каналу. Алгоритми, такі як найменші середні квадрати (LMS) або рекурсивні найменші квадрати (RLS), застосовуються для відстеження повільно змінюваних багатопроменевих завад. Потрібні глибини придушення 50–80 дБ; неспроможність досягти належного придушення DPI породжує рівень шуму, що маскує всі цілі, окрім найсильніших.

Обчислення функції взаємної невизначеності. Після придушення DPI сигнал оглядового каналу корелюється з опорним каналом за діапазоном гіпотез бістатичної затримки (дальності) та доплерівської частоти. Ця двовимірна взаємна кореляція — функція взаємної невизначеності (CAF) — є аналогом узгодженого фільтра PCL у звичайному радарі. Кожна комірка в CAF відповідає конкретній гіпотезі бістатичної дальності та радіальної швидкості. Відбиття від цілей з'являються як піки в CAF за їхніми координатами бістатичної дальності та Доплера.

Обчислення CAF є домінантним обчислювальним навантаженням в обробці PCL. Для 1-секундного інтервалу когерентної обробки при смузі FM CAF одного підсвічувача вимагає порядку 109 операцій множення-накопичення. Прискорення на GPU з використанням CUDA або OpenCL зменшує це до затримки нижче 100 мс для роботи в реальному часі. Системи з великою кількістю каналів, що обробляють кілька підсвічувачів одночасно, вимагають спеціалізованих обчислювальних вузлів GPU, а не серверного обладнання загального призначення.

Придушення завад: ECA і STAP. Навіть після придушення DPI сильні відбиття від нерухомої місцевості — пагорбів, будівель, вітрових турбін — домінують в оглядовому каналі й мають бути придушені перед виявленням. Розширений алгоритм придушення (ECA) застосовує просторовий фільтр через елементи оглядової решітки, щоб спроектувати геть підпростір завад, використовуючи той факт, що відбиття від завад приходять з фіксованих азимутів і можуть бути охарактеризовані з даних. Просторово-часова адаптивна обробка (STAP) розширює це до спільної просторово-доплерівської фільтрації, забезпечуючи додаткове розрізнення завад для повільнорухомих цілей. Реалізації ECA-STAP на сучасному обладнанні GPU досягають придушення завад 40–60 дБ.

Виявлення CFAR і відстеження. Після придушення завад детектор з постійним рівнем хибних тривог (CFAR) застосовує адаптивний поріг через CAF, щоб ідентифікувати комірки-кандидати цілей, підтримуючи при цьому контрольований рівень хибних тривог, незалежний від локальних рівнів шуму та завад. Виявлення передаються до трекера, який застосовує фільтрацію Калмана або відстеження за множинними гіпотезами (MHT), щоб асоціювати виявлення між інтервалами обробки та формувати підтверджені траси. Вихідні дані трас виражаються в бістатичних координатах; перетворення в декартові вимагає знання позиції підсвічувача та позиції приймача — обидві з яких мають бути обстежені з точністю до 100 м.

Мультистатичне злиття та генерація повітряної картини. Один вузол PCL забезпечує бістатичну дальність, Доплер і — за використання оглядової решітки — напрямок приходу. Два вузли, що спільно використовують один підсвічувач, забезпечують достатньо пар бістатичної дальності для реконструкції декартової позиції. Три чи більше вузлів або підсвічувачів надмірно визначають позицію, уможливлюючи оцінку позиції методом найменших квадратів із точністю зазвичай у діапазоні 300–1000 м для систем на основі FM і 50–200 м для систем DVB-T. Вихідні дані трас форматуються в ASTERIX Cat 48 або еквівалент і передаються на платформу SIGINT або спільну оперативну картину повітряної обстановки.

Оборонні застосування: що уможливлює PCL

Властивість нульового випромінювання PCL створює оперативні можливості, які активний радар не може відтворити. Система PCL, розгорнута на передовій оперативній базі, не розкриває нічого про свою присутність засобам радіоелектронної боротьби супротивника. Вона забезпечує постійне покриття, не споживаючи електромагнітний спектр і не створюючи сигнатуру випромінювача, яку може використати ворожа система наведення. У спірних середовищах, де активні радарні майданчики регулярно стають мішенями, PCL може підтримувати повітряне спостереження без жодної тактичної сигнатури.

Друга та часто недооцінювана перевага стосується малопомітних літаків. Радіопоглинальні матеріали оптимізовані для мікрохвильових частот, що використовуються звичайними радарами керування вогнем та пошуку (зазвичай 3–18 ГГц). Системи FM і DAB PCL працюють на частотах VHF/UHF, де глибина проникнення радіопоглинальних покриттів більша за товщину покриття, а резонансні ефекти в конструкції літака можуть породжувати підвищену бістатичну RCS. Малопомітні літаки, що видаються по суті невидимими для активного радара X-діапазону, можуть породжувати виявні відбиття на системах VHF PCL — факт, що спричинив поточні дослідження VHF PCL як доповнення до звичайного радара протиповітряної оборони.

PCL також забезпечує природний шар спостереження для протидії дронам при розгортанні з підсвічувачами DVB-T. Малі UAV являють собою надзвичайно складну ціль для активного радара — їхня низька RCS, мала швидкість і низька висота — усе працює проти звичайного виявлення — але системи DVB-T PCL з належним придушенням завад продемонстрували повторюване виявлення квадрокоптерних UAV на 5–20 км, достатнє для забезпечення тривоги та цілевказівки для більш сфокусованих RF-сенсорів чи кінетичних перехоплювачів. Інтеграцію з ланцюгами цілевказівки програмного забезпечення виявлення дронів за RF було продемонстровано в кількох європейських та ізраїльських польових програмах.

Ключовий висновок: Пасивний радар не є заміною активного радара у середовищах з високим рівнем загроз — це доповнювальний шар. Активний радар забезпечує точність якості траси та точність керування вогнем, яку PCL не може зрівняти. PCL забезпечує постійне приховане покриття, перевагу виявлення малопомітних літаків на VHF та сенсор, який не може бути вражений протирадіолокаційними ракетами. Багатошарова архітектура протиповітряної оборони, що поєднує обидва, є більш живучою та спроможною, ніж кожен окремо.

Інтеграція з командуванням і управлінням

Цінність системи PCL реалізується лише тоді, коли дані її трас досягають операторів і систем, які можуть на них діяти. Інтеграція з повітряною картиною та ширшою системою командування та управління вимагає уваги як до формату даних, так і до затримки.

Дані трас зазвичай форматуються в ASTERIX (All-purpose Structured Eurocontrol Surveillance Information Exchange) Категорії 48 для монорадарних трас або Категорії 240 для відео сенсора. Системи, що передають дані в інфраструктуру спільної повітряної картини NATO, можуть альтернативно використовувати VMF (variable message format) або STANAG 4607, якщо поряд із повітряними трасами потрібна інтеграція індикатора наземних рухомих цілей. Інтеграція Link 16 — передача трас PCL до тактичної повітряної картини — вимагає термінала з підтримкою сигналу й є стандартом для установок протиповітряної оборони баз NATO.

Вимоги до затримки для цілевказівки протиповітряної оборони зазвичай вимагають наскрізної затримки траси нижче 2 секунд від відбиття цілі до оновлення відображення. Це зумовлює описане раніше обчислення CAF з прискоренням на GPU й обмежує допустимий інтервал когерентної обробки — довше інтегрування покращує чутливість виявлення, але збільшує затримку. 1-секундний інтервал когерентної обробки з обробкою на GPU 100 мс і затримкою конвеєра відстеження 500 мс досяжний на сучасному обладнанні й відповідає вимогам затримки протиповітряної оборони для більшості класів цілей.