PROBLEMY IDENTYFIKACJI PRZESZKÓD POWODUJĄCYCH PRZESŁANIANIE WIĄZKI RADARU NA PRZYKŁADZIE RADARU METEOROLOGICZNEGO

Transkrypt

1 jr dr inż. Marek BRZOZOWSKI gr inż. Urszula KOŁODZIEJSKA Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia PROBLEMY IDENTYFIKACJI PRZESZKÓD POWODUJĄCYCH PRZESŁANIANIE WIĄZKI RADARU NA PRZYKŁADZIE RADARU METEOROLOGICZNEGO Streszczenie: W artykule przedstawiono probley związane z wybore iejsc lokalizacji urządzeń radarowych na przykładzie analizy warunków pracy stacjonarnego radaru eteorologicznego. Artykuł zawiera oówienie sposobu analizy właściwości pozycji przewidzianej do instalacji radaru oraz przykładową analizę warunków pracy radaru stacjonarnego, ukierunkowaną na identyfikację przeszkód terenowych powodujących przesłanianie wiązki radarowej. PROBLEMS WITH IDENTIFICATION OF OBSTACLES WITHIN METEOROLOGICAL RADAR ANTENNA BEAM Abstract: The article presents probles associated with the choice of locations for the radar equipent at the exaple of the working conditions of stationary eteorological radar. Article will discuss the way of analysis of the properties entry for the installation of radar and a saple analysis of working conditions for stationary radar, aied at identifying obstacles causing shadowing radar bea. 1. Wstęp Proble wyboru iejsca rozwinięcia i pracy urządzeń radiolokacyjnych jest analizowany od oentu wynalezienia pierwszego radaru. Efektywność pracy radaru jest ściśle uzależniona od iejsca jego stania, tzn. od obecności w sąsiedztwie przeszkód terenowych wywołujących zakłócenia lub blokujących rozchodzenie się proieniowania elektroagnetycznego, eitowanego przez radar. Przeszkody wpływające na proieniowanie radarowe ożna podzielić na dwie zasadnicze grupy. Do pierwszej z nich należą naturalne przeszkody terenowe, czyli wzniesienia terenu, akweny wodne, skały itp., a także roślinność w postaci zespołów leśnych, zarośli oraz pojedynczych dużych drzew. Do drugiej grupy przeszkód, wpływających na warunki pracy radaru w danej lokalizacji, ożey zaliczyć przeszkody sztuczne, czyli będące dziełe człowieka. Są to przede wszystki budynki i kopleksy zurbanizowane, wysokie aszty i koiny oraz słupy energetyczne. Z działalnością człowieka związane są także zakłócenia elektroagnetyczne generowane przez aszyny, urządzenia przeysłowe oraz różnego rodzaju systey łączności. Występowanie w rejonie pracy radaru źródeł zakłóceń elektroagnetycznych często oże być przyczyną trudnych do interpretacji anoalii w pracy radaru. Przediote niniejszego artykułu nie będzie jednak lokalizacja źródeł zakłóceń 55

2 elektroagnetycznych i ich eliinacja, a probley związane z analizą właściwości pozycji przewidzianej jako iejsce pracy radaru, ze szczególny uwzględnienie występowania kątów zakrycia horyzontu powodowanych przez różnego typu zasłony terenowe. 2. Probley występujące na etapie wyboru iejsca pod lokalizację urządzeń radarowych. Metody analizy warunków pracy radaru w iejscu rozwinięcia. Do jednych z najważniejszych czynników, ograniczających ożliwości taktycznotechniczne urządzeń radiolokacyjnych, należą czynniki fizyczne. Wybór odpowiedniej lokalizacji pod budowę radaru stacjonarnego, jest o tyle istotny, iż bardzo często późniejsza eliinacja błędów, związanych z nieprawidłowy usytuowanie wieży radarowej, jest bardzo trudna, kosztowna a czasai wręcz nieożliwa. Przediote naszych rozważań będą głównie uwarunkowania terenowe, które deterinują zasięg wykrywania obiektów powietrznych. Wybierając iejsce pracy radaru należy, na podstawie paraetrów radaru ającego stanąć w danej lokalizacji (.in. kąty elewacji wiązki antenowej), danych o terenie i przewidywanej wysokości zawieszenia anteny, wykonać syulację potencjalnych zasięgów wykrywania. Wiąże się to z analizą ap topograficznych, oraz wstępną weryfikacją właściwości danej lokalizacji wykonanej w oparciu o nueryczny odel terenu, uwzględniający wysokości n.p.. Dzięki takiej analizie, znając współrzędne pozycji (np. przeprowadzając poiar za poocą odbiorników GPS), ożey wstępnie określić przeszkody terenowe ogące ieć wpływ na ewentualne skrócenie zasięgu wykrywania radaru. Należy jednak paiętać, że tego typu apy zawierają jedynie inforacje o ukształtowaniu terenu, nie uwzględniając przeszkód w postaci zespołów leśnych, pojedynczych drzew, okolicznych zabudowań, asztów telekounikacyjnych itp. Z tego względu, należy za poocą teodolitu wykonać dodatkowo poiar katów zakrycia w iejscu, gdzie docelowo zaierzay zainstalować radar. Kąt zarycia jest to kąt elewacyjny zawarty iędzy płaszczyzną pozioą, przechodzącą przez środek elektryczny anteny radaru a prostą przechodzącą przez środek elektryczny anteny i wierzchołek danej przeszkody terenowej. Na podstawie wyznaczonych wartości kątów zakrycia oblicza się potencjalne zasięgi wykrywania radaru. Zasięgi wyznacza się dla wybranych wysokości obiektów powietrznych, np. 1, 3, 5, 1, 3. Sporządzane wykresy potencjalnych stref wykrywania dają inforacje o właściwościach pozycji na której a być rozwinięty radar, przy uwzględnieniu kątów zakrycia określonych dla danej pozycji na podstawie odelu terenu oraz kątów zierzonych za poocą teodolitu. W przypadku analizy nowej pozycji pod wieżę radarową, otrzyane wartości kątów zakrycia należy skorygować o przewidywaną wysokość zawieszenia anteny radaru. Przedstawiona etoda identyfikacji potencjalnych przeszkód ogących powodować przesłanianie wiązki radaru oże zostać także zastosowana w przypadku stwierdzenia nieprawidłowej pracy radaru już pracującego w danej lokalizacji 56

3 3. Identyfikacja przeszkód terenowych powodujących przesłanianie wiązki radarowej na przykładzie stacjonarnego radaru eteorologicznego W 1 r. w Wojskowy Instytucie Techniczny Uzbrojenia przeprowadzono analizę warunków pracy stacjonarnego, dopplerowskiego radaru eteorologicznego typu Meteor 5C. Radar ten pracował z polaryzacją liniową, horyzontalną w paśie MHz. Skanowanie przestrzeni odbywało się na kątach elewacji,5, 1,4, 2,4, 3,4, 5,3, 7,7, 1,6, 14,1, 18,5, oraz 23,8, wiązką ołówkową o szerokości 1. Wysokość zawieszenia anteny nad terene wynosiła 35. Podczas eksploatacji radaru użytkownik stwierdził, że w pracy radaru występują następujące anoalie: całkowity brak wykryć radarowych w sektorze azyutalny w sytuacji skanowania przestrzeni na elewacji,5 (Rys.1), oraz zauważalne braki wykryć radarowych w sektorze azyutalny w sytuacji skanowania przestrzeni na elewacji 1,4. Rys.1 Dane uzyskane od użytkownika radaru W związku z zaistniały problee, przeprowadzona ocena warunków pracy radaru eteorologicznego objęła: a) analizę wpływu ukształtowania terenu na warunki pracy radaru, b) poiar kątów zakrycia w iejscu pracy radaru, c) określenie potencjalnych zasięgów wykrywania radaru z uwzględnienie poierzonych kątów zakrycia, d) analizę archiwalnych danych radarowych, e) ocenę ożliwości poprawy warunków pracy radaru na analizowanej pozycji. Na podstawie analizy wpływu ukształtowania terenu na warunki pracy radaru ożna było stwierdzić, że wiązka radaru oże być przesłaniana, w analizowany sektorze azyutalny przez pasa wzgórz, leżące w odległości 25-3 k. W celu oceny stopnia przesłaniania wiązki przez te przeszkody obliczono kąty zakrycia 57

4 w oparciu o odel terenu (Rys.2) oraz wyliczono potencjalne zasięgi wykrywania radaru na przykładowych wysokościach: 1, 3, 5, 1, 3 (Rys. 3). Rys.2 Wartości kątów zakrycia radaru eteorologicznego obliczone na podstawie odelu terenu Rys.3 Wykresy potencjalnych zasięgów wykrywania radaru z uwzględnienie kątów zakrycia określonych tylko na podstawie odelu terenu Wartości kątów zakrycia wyliczono z zależności trygonoetrycznych w oparciu o różnice wysokości przeszkody i wysokości zawieszenia anteny oraz odległości przeszkody od radaru. W obliczeniach uwzględniono również wpływ krzywizny ziei na różnice wysokości poiędzy przeszkodai i anteną radaru. W wyniku analizy ukształtowania terenu wokół iejsca pracy radaru, kątów zakrycia wynikających z przeszkód terenowych określonych na podstawie odelu terenu, oraz wyliczonych potencjalnych zasięgów wykrywania obiektów powietrznych, 58

5 prawdopodobna wydała się ożliwość przesłaniania wiązki radarowej przez wzgórza znajdujące się w analizowany sektorze azyutalny w odległości od 25 do 3 k od radaru. Jednak po porównaniu wyników analizy z zobrazowanie radaru stwierdzono, że w sektorze , przy skanowaniu przestrzeni na pierwszej elewacji (kąt elewacji osi wiązki równy,5 ) na zobrazowaniu nie widać żadnych wykryć również na odległościach niejszych niż 25 k. Taki wynik analizy danych z odelu terenu wraz z inforacją, że częściowe przesłanianie wiązki radarowej jest również zauważalne przy skanowaniu przestrzeni na drugiej elewacji (kąt elewacji osi wiązki równy 1,4 ) wskazywały na to, że przeszkody blokujące sygnały radarowe w analizowany sektorze uszą znajdować się w bezpośredni sąsiedztwie radaru. Całkowity brak wyryć w analizowany sektorze wskazywał, że sygnały radarowe są blokowane jeszcze w strefie artwej radaru, czyli na odległościach poniżej 5 od radaru. W związku z powyższy wykonane zostały poiary kątów zakrycia w iejscu stania radaru. Poiary kątów zakrycia wykonano za poocą teodolitu geodezyjnego z poziou galerii technologicznej zaontowanej na wieży radarowej, u podstawy anteny radaru (Rys. 4). Analizując zaieszczony poniżej wykres ożna zauważyć, że w analizowany przypadku doinowały kąty zakrycia poierzone teodolite, wynikające z zalesienia i przediotów terenowych występujących w bezpośredni sąsiedztwie radaru. W sektorze azyutalny od 193,8 do 294,3 kąty zakrycia ają wartość powyżej. Maksyalne zakrycie wynosi 1,339. Przesłanianie horyzontu powoduje kopleks leśny porastający wzgórze znajdujące sie w bezpośredni sąsiedztwie radaru. Rys. 4 Wykres kątów zakrycia radaru eteorologicznego. Kolor czerwony wartości otrzyane na podstawie odelu terenu. Kolor niebieski wyniki poiarów za poocą teodolitu Poniżej przedstawiono potencjalne strefy wykrywania radaru obliczone na podstawie kątów zakrycia poierzonych teodolite (Rys. 5). 59

6 Rys. 5 Wykresy zasięgów wykrywania radaru eteorologicznego obliczonych z uwzględnienie rzeczywistych kątów zakrycia zierzonych za poocą teodolitu Wykonując poiary za poocą teodolitu oszacowano także wysokość drzew porastających wzgórze. Poiary wykonano na południowej ścianie lasu, a oszacowana wysokość drzew w ty iejscu (na skraju lasu) wyniosła około 22. Dodatkowo, w trakcie poiarów terenowych w iejscu stania radaru stwierdzono, że różnica wysokości poiędzy pozioe podstawy wieży radaru a wierzchołkie wzgórza znajdującego się na południe - południowy zachód od radaru wynosi około 15,7. Wynik ten jest zbieżny z danyi uzyskanyi na podstawie analizy odelu terenu, gdzie różnica poiędzy pozioe iejsca posadowienia wieży a wierzchołkie wzgórza wynosiła około 15. Poiary terenowe wykonano za poocą odbiornika GPS typu R3 firy Trible. Wyniki poiarów autonoicznych udokładniono w trybie postprocessingu względe peranentnej stacji referencyjnej PROS (Proszowice) działającej w raach ogólnopolskiej sieci ASGEUPOS. Przyjując jako aksyalną różnicę wysokości poiędzy podstawa wieży radaru a wierzchołkie wzgórza wartość 15,7, wykonano analizę wpływu zian wysokości drzew porastających wzgórze na strefę widzialności radaru. Analizowany dalej przekrój wzgórza odpowiada przekrojo na azyutach od do 25 z korektą aksyalnego przewyższenia do wartości 15,7 w przedziale odległości od od radaru. Jako punkt wyjścia analizy przyjęto stan obecny, czyli aksyalną zierzoną wartość kątów zakrycia spowodowanych przez las porastający wzgórze: 1,339. Taki kąta zakrycia na analizowany profilu wzgórza powodują drzewa o wysokości 25,85. w ty przypadku należy rozuieć jako pozio na koronach drzew dający efekt zwartej struktury gałęzi (poijane są pojedyncze pędy stanowiące faktyczne wierzchołki drzew). Na poniższych rysunkach przedstawiono zobrazowanie przesłaniania wiązki radaru kolejno na trzech dolnych elewacjach anteny:,5, 1,4, 2,4. 6

7 Pozio podstawy wieży Odległość Rys. 6 Zobrazowanie przesłania wiązki radaru przy następujących paraetrach: kąt podniesienia anteny w elewacji,5, wysokość drzew 25,85, aksyalna wartość kąta zakrycia 1, Pozio podstawy wieży Odległość Rys. 7 Zobrazowanie przesłania wiązki radaru przy następujących paraetrach: kąt podniesienia anteny w elewacji 1,4, wysokość drzew 25,85, aksyalna wartość kąta zakrycia 1, Pozio podstawy wieży Odległość Rys. 8 Zobrazowanie przesłania wiązki radaru przy następujących paraetrach: kąt podniesienia anteny w elewacji 2,4, wysokość drzew 25,85, aksyalna wartość kąta zakrycia 1,3 61

8 Biorąc pod uwagę fakt, że las stanowiący przeszkodę przesłaniającą wiązkę radarową znajduje się jeszcze w fazie wzrostu, należy liczyć się z dalszy stopniowy pogarszanie się warunków pracy radaru. Pogorszenie należy rozuieć jako ożliwe zwiększenie się przesłanianego sektora azyutalnego oraz wartości aksyalnych kątów zakrycia. Las porastający wzgórze w analizowany sektorze jest jednolity siedliskie Buka zwyczajnego. Zgodnie z ogólnie dostępnyi źródłai inforacji, w postaci stron internetowych oraz źródeł encyklopedycznych, a także w opinii lokalnego Nadleśnictwa, lasy bukowe w rozpatrywany rejonie geograficzny ogą osiągać wysokość do 35. Na poniższych rysunkach przedstawiono zobrazowanie przewidywanego przesłaniania wiązki radarowej dla wysokości lasu odpowiednio: 3, 35 i Pozio podstawy wieży Odległość Rys. 9 Zobrazowanie przesłania wiązki radaru przy następujących paraetrach: kąt podniesienia anteny w elewacji 2,4, wysokość drzew 3, aksyalna wartość kąta zakrycia 2,291 Osiągnięcie przez drzewa porastające wzgórze wysokości 3 spowoduje częściowe przesłanianie wiązki radarowej dla elewacji anteny równej 2,4 oraz całkowite przesłanianie wiązki na elewacjach,5 i 1, Pozio podstawy wieży Odległość Rys. 1 Zobrazowanie przesłania wiązki radaru przy następujących paraetrach: kąt podniesienia anteny w elewacji 5,3, wysokość drzew 35, aksyalna wartość kąta zakrycia 4,33 62

9 Osiągnięcie przez drzewa porastające wzgórze wysokości 35 spowoduje częściowe przesłanianie wiązki radarowej dla elewacji anteny równej 5,3 oraz całkowite przesłanianie wiązki na elewacjach,5, 1,4, 2,4 i 3, Pozio podstawy wieży Odległość Rys. 11 Zobrazowanie przesłania wiązki radaru przy następujących paraetrach: kąt podniesienia anteny w elewacji 5,3, wysokość drzew, aksyalna wartość kąta zakrycia 8,371 Biorąc pod uwagę fakt, że użytkownik radaru nie a ożliwości ingerencji w proces użytkowania i eksploatacji obszarów leśnych powodujących przesłanianie wiązki radarowej, dalszy rozważanio poddano jedynie działania odnoszące się do saego obiektu radarowego rozuianego jako radar i wieża na której został on zaontowany. Zakładając, że radar iałby pracować i pełnić swą funkcję w obecnej lokalizacji należałoby zwiększyć wysokość zawieszenia anteny nad terene czyli podwyższyć wieżę radarową. Poniżej przedstawiono wyniki analizy wysokości wieży w funkcji zieniającej się wysokości drzew stanowiących główną przeszkodę tłuiąca wiązkę radarową. Przyjując założenie, że obecna wysokość drzew wynosi około 25,85 i nie ulegnie zwiększeniu, to do zapewnienia optyalnych warunków pracy radaru konieczne jest podwyższenie wieży (rozuianej jako pozio zawieszenia anteny nad terene) do wysokości 42. Syulacja takiej konfiguracji pracy radaru została przedstawiona na poniższy rysunku Pozio podstawy wieży Odległość Rys. 12 Zobrazowanie przesłania wiązki radaru przy następujących paraetrach: kąt podniesienia anteny w elewacji,5, wysokość drzew 25,85, aksyalna wartość kąta zakrycia -,89, wysokość wieży: 42 63

10 Biorąc jednak pod uwagę tepo wzrostu drzew w okresie od uruchoienia radaru do chwili obecnej oraz uwzględniając ogólne dane o aksyalnej wysokości jaką oże osiągnąć las bukowy w polskich warunkach glebowych i kliatycznych, należy założyć, że wysokość lasu będzie się zwiększać. Poniżej przedstawiono więc wyniki syulacji wyaganej wysokości wierzy radarowej przy założeniu, że aksyalna wysokość drzew wzrośnie odpowiednio do 3 i Pozio podstawy wieży Odległość Rys. 13 Zobrazowanie przesłania wiązki radaru przy następujących paraetrach: kąt podniesienia anteny w elewacji,5, wysokość drzew 3,, aksyalna wartość kąta zakrycia -,59, wysokość wieży: Pozio podstawy wieży Odległość Rys. 14 Zobrazowanie przesłania wiązki radaru przy następujących paraetrach: kąt podniesienia anteny w elewacji,5, wysokość drzew 35,, aksyalna wartość kąta zakrycia -,59, wysokość wieży: Wnioski Przedstawione w niniejszy artykule rozważania wskazują, że probleatyka doboru iejsca pracy urządzeń radarowych jest jak najbardziej aktualna. Mio ogronego technologicznego postępu, jaki uwidocznił się w konstrukcji nazienych urządzeń radiolokacyjnych w ostatni dwudziestoleciu, radary sae z siebie nadal nie są w stanie zniwelować błędów, jakie są popełniane na etapie wyboru ich iejsca pracy. 64

11 Szczególnie optyalizacja warunków pracy stacjonarnych obiektów radarowych wyaga uwzględnienia wielu czynników i pogodzenia niejednokrotnie swoistych sprzeczności. Lokalizując radar przyszły użytkownik stara się przede wszystki zapewnić u takie warunki pracy w postaci lokalizacji i np. wysokości wieży antenowej, aby praca radaru była jak najbardziej efektywna. Miarą tej efektywności jest ożliwość wykrywania obiektów będących przediote zainteresowania użytkownika w całej strefie wykrywania radaru wynikającej z jego paraetrów technicznych. Wszelkie czynniki powodujące ograniczenie tej strefy powodują utratę efektywności wykorzystania danego urządzenia. Z drugiej jednak strony każdy użytkownik podlega wielu ograniczenio w swobodny doborze iejsca rozwinięcia swoich urządzeń radarowych. Do głównych czynników liitujących ożliwość lokalizacji urządzeń radarowych w lokalizacjach optyalnych z punktu widzenia stref wykrywania radaru należy zaliczyć: ożliwość pozyskania gruntu pod lokalizację radaru, obecność lub ożliwość budowy dróg dojazdowych do wybranych lokalizacji, dostępność linii zasilających, ograniczenia prawne w lokalizacji urządzeń radarowych wynikające z przepisów o ochronie środowiska lub lokalnych planów zagospodarowania, itp. Wyienione wyżej czynniki, wpływające na ożliwą lokalizację radaru, powinny być przesłanką dla potencjalnych użytkowników do dołożenia odpowiedniej staranności w sprawdzeniu czy dana lokalizacja radaru spełnia obecnie ich wyagania oraz czy w jej otoczeniu nie znajdują się czynniki, które ogą wpłynąć na pogorszenie warunków pracy radaru w przyszłości. Obecna technika daje szereg narzędzi uożliwiających precyzyjną i jednocześnie relatywnie tanią analizę przydatności potencjalnych lokalizacji urządzeń radarowych w terenie. Do tych narzędzi należą: precyzyjne odbiorniki GPS, uożliwiające wykonanie szybkich i dokładnych poiarów terenowych, cyfrowe apy topograficzne, nueryczne odele terenu, zdjęcia lotnicze i satelitarne, precyzyjne geodezyjne przyrządy iernicze do poiarów terenowych. Dane zebrane za poocą wyienionych narzędzi, po obróbce za poocą narzędzi prograowych, dają jasną i szybką inforację o bieżących właściwościach danej lokalizacji oraz ogą być bazą dla syulacji warunków pracy radaru na danej pozycji w funkcji zieniających się czynników otoczenia takich, jak wysokość lasów, pojawienie się w sąsiedztwie radaru planowanych do realizacji budowli architektonicznych. Wszystkie analizy wykonywane przed podjęcie decyzji o lokalizacji radaru ają na celu unikniecie błędnych decyzji. W przypadku stacjonarnych urządzeń radarowych, usunięcie wpływu błędów wynikających z wyboru iejsca rozwinięcia radaru lub przygotowanej infrastruktury technicznej w postaci zbyt niskich wież pod anteny radarów, jest zawsze bardzo kosztowne, a czasai wręcz niewykonalne przy zachowaniu akceptowalnych kosztów realizacji. Literatura [1] Gajderowicz I., Kartografia ateatyczna dla geodetów, wydanie II, Wydawnictwo Akadeii Rolniczo-Technicznej, [2] Laparski J., Navstar GPS od teorii do praktyki, Wydawnictwo Uniwersytetu Warińsko-Mazurskiego, 1. [3] Misra P., Global Positioning Syste, Signals, Measureens, and Perforance, Ganga-Jauna Press, 1. [4] Specht C., Syste GPS - Wydawnictwo Bernardiniu Sp.z o.o., Pelpin 7. [5] ppłk dr inż. Andrzej Gałecki, Uwarunkowania terenowe a zasięg rozpoznania radiolokacyjnego, WAT Warszawa 3. 65

12 66