Tecniche di attacco elettronico (prima parte)

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I radar costituiscono ancora lo strumento primario di rilevamento. Le loro prestazioni sono andate aumentando progressivamente e così la loro sofisticazione, soprattutto in termini di EP (Electronic Protection), prima conosciuta come ECCM (Electronic Counter-Counter Measures). Ogni radar è caratterizzato da diversi parametri, come potenza media e di picco, guadagno, lunghezza d’onda, lunghezza e frequenza di ripetizione degli impulsi, polarizzazione del segnale, velocità di rotazione dell’antenna, presenza di lobi secondari, modalità di scansione, forme d’onda, ecc… Non ultime, caratteristiche LPI. I radar moderni sono pieni di sorprese spiacevoli per i velivoli dedicati al disturbo elettronico ed esistono più di 150 tecniche di protezione.

L’attacco elettronico (EA: Electronic Attack, prima ECM: Electronic Counter Measures) utilizza il disturbo, l’inganno, la seduzione, la confusione. E’ in grado di disturbare  la corretta rilevazione dei parametri tipici di un bersaglio, cioè distanza, rotta, velocità. Ogni tecnica ha un nome e una sigla identificativa. Ne esistono almeno 200, con 9000 combinazioni possibili. Spesso infatti è necessario combinare diverse modalità per sopraffare i radar più sofisticati. Anche le tecniche di disturbo meno recenti possono tornare utili, perché sono ancora presenti in quantità sistemi superati ma insidiosi. I moderni disturbatori possono scansionare le bande al ritmo di decine di GHz al secondo, misurare all’istante la frequenza e i principali parametri, penetrare i codici degli impulsi emessi (anti-coded waveform), seguire automaticamente i salti di frequenza e riconoscere i metodi difensivi adottati dai radar. L’argomento è molto difficile.

I disturbatori (jammer), trovano impiego con modalità molto diverse.                

Nel Self-Screen Jamming (SSJ) o Self Protection Jamming (SPJ) sono impiegati per autoprotezione.

Nello Stand-off Jamming (SOJ) il disturbatore è oltre il raggio delle armi nemiche e orbita ad altezza ottimale, schermando le unità in attacco. Essendo distante, però, le unità sono soggette al “burnthrough”, quando la potenza del radar supera quella dei disturbi. E’ facile localizzare il jammer ma non gli aerei d’attacco.

Nell’Escort Jamming (EJ), la piattaforma ECM accompagna gli aerei d’attacco, di solito a quota più alta e in posizione arretrata, formando un corridoio “elettronico” libero.

Nello Stand-forward Jamming (SFJ) o Stand-In Jamming (SIJ), il disturbatore è tra il radar e le unità in avvicinamento. Richiede un posizionamento ottimale ma permette un uso più efficiente della potenza, riducendo l’attenuazione. L’aereo, però, diventa il bersaglio primario per armi antiradiazioni (HOJ), ecco perché è preferibile l’impiego di un UAV, molto vicino al radar per coprire la forza in arrivo.

Noise Jamming (NJ)

Il disturbo è la tecnica più facile da applicare. Sulla frequenza del radar si trasmette rumore di fondo a elevata potenza in modo da coprire il segnale di ritorno. In termini tecnici, aumenta il “thermal noise” nel ricevitore. La potenza richiesta è proporzionale a quella di picco del radar, quindi molto alta. La polarizzazione del segnale deve essere le stessa. Impedisce principalmente la determinazione della distanza e può schermare molti aerei contemporaneamente. E’efficace quando il rapporto disturbo/segnale J/S (jam-to-signal ratio) è maggiore o uguale a 1. Ogni tanto è necessario interrompere l’emissione (look-through), per “ascoltare” le frequenze in arrivo e verificare eventuali cambiamenti nei parametri. I sistemi più sofisticati possono interrompere le emissioni in time-sharing (high speed chop) o con schemi di sicurezza (look over) basati su dati ELINT.

E’ importante non attivare troppo presto i disturbatori: il rischio è il rilevamento passivo (beaconing) che, tra l’altro, consente di tracciare il disturbatore oltre il raggio di scoperta del radar (track on jam) e triangolarne la posizione per la presenza di “strobe”, linee radiali puntate verso la sorgente. Poiché la potenza dell’eco radar del bersaglio varia inversamente alla quarta potenza della distanza e la potenza del jammer, invece, al quadrato della distanza, al diminuire di questa, la potenza dell’eco aumenta più rapidamente ed è richiesta sempre più potenza. Alla fine il rumore generato dal jammer non potrà più nascondere il bersaglio (J/S<1) e il radar potrà vedere attraverso i disturbi (burn through). Anche così, però, il disturbo diminuirà la portata massima del radar. Sfortunatamente, il noise jamming colpisce indiscriminatamente amici e nemici. Il rapporto J/S cresce in proporzione alla potenza del jammer, al guadagno dell’antenna e al quadrato della distanza. Diminuisce in proporzione alla potenza del radar, al guadagno dell’antenna di questo e della traccia (RCS) del bersaglio. E’ infatti molto più facile schermare un velivolo stealth. Non è quindi un rapporto costante.

Spot noise (SPT)

Si focalizza tutta l’energia sulla singola frequenza o su una stretta larghezza di banda (per es. 10 MHz). La “power density” è massima. Il rappporto J/S varia tra 0 e 6 dB, a seconda della modulazione. La procedura può essere altamente automatizzata (Automatic Spot Noise, ASN), in modo che il disturbatore possa agganciarsi alla corretta frequenza al primo segnale ricevuto. Una variante è il Responsive jamming: il jammer è sintonizzato sui radar di interesse, scansiona velocemente le bande, se i radar si attivano inizia il disturbo. Dopo poco si spegne e controlla: se i radar ritrasmettono si riattiva. Il disturbo, a seconda del segnale, può essere continuo (CN), a raffica (Burst), a impulsi (PN), modulato (NSAM), Pseudo-random (PRN), ecc.

Ma oltre a richiedere la conoscenza della precisa frequenza, lo Spot disturba un solo tipo di radar. E non funziona contro radar ad agilità di frequenza. Alcuni disturbatori controllano i cambi di frequenza e modificano di conseguenza le emissioni. Ma l’efficacia dipende dalla rapidità e casualità dei cambi. Il Follower Jammer controlla lo spettro e disturba solo dove appare una frequenza. Ottimo contro radar su spread spectrum, come i frequency hopping.

EP: il radar controbatte proprio cambiando frequenza all’interno della banda (spread spectrum). L’agilità di frequenza avviene a ritmi vertiginosi, anche migliaia di volte al secondo, tanto che, praticamente, ogni impulso è diverso da quello successivo. I moderni disturbatori possono seguire un cambio prevedibile di frequenza (pseudo-random), con algoritmi che consentono la replicabilità, perciò la variazione deve essere casuale (truly random). Si possono adoperare più disturbatori ma senza garanzia di successo.

Un’altra tecnica (polarization canceller) consente di cancellare l’interferenza prendendo il segnale, modificandone l’ampiezza e invertendo la polarità. Quando i due segnali, falso e reale, sono sommati, l’interferenza sparisce. Sfortunatamente esistono jammer “polarization agile”che cambiano rapidamente polarizzazione. Inoltre la cancellazione è inefficace contro disturbatori multipli. A questo si può ovviare con i “cancellatori di polarizzazione monoimpulso” digitali… E il gioco mortale continua.

Swept Spot (SWPT)

Se i radar sono numerosi, si può utilizzare il jamming di “spazzata” (swept-spot), a impulsi o CW (onda continua). Tutta la potenza è spostata (swept) passando attraverso tutte le frequenze della banda utilizzate dal radar, spesso con un segnale modulato in frequenza, con schemi sistematici  regolabili in veloce successione (fast sequential) e con massima “power density”. Il problema è che, in tal modo, non sono disturbate tutte le frequenze contemporaneamente e l’efficacia complessiva è limitata. Le rende comunque tutte periodicamente inutilizzabili. Una variante più sofisticata è l’SOJ (Set-On-Jamming) o SOR (Set on Receiver) che, in time-sharing, rileva, forma una lista prioritaria, e disturba frequenze multiple simultaneamente. Si divide la potenza per poco tempo su ogni frequenza, con “effetto martello”:  simile ad un colpo di martello periodico che impedisce la comprensione di un discorso, così il radar non riesce a recuperare in tempo le funzioni.

EP: i radar moderni sfruttano le pause nel disturbo per ricavare i dati del bersaglio ed eliminare l’interferenza, a meno che il disturbo non sia così forte da generare “ringing” (risonanza) nel ricevitore, problema aggirato col ricevitore Dicke-fix. L’impiego di due disturbatori in swept-spot contemporaneamente, però, rende il disturbo molto efficace.

Noise Cover Pulse (NCP)

Variante del swept-spot nella quale il jammer, dopo aver rilevato la PRF del radar, predice quando arriverà il prossimo impulso e si attiva.  Richiede la sincronizzazione con la PRF (costante o variabile). Di solito precede un ciclo RGPO/VGPO. Permette il disturbo simultaneo di molti radar.

Comb

Simile allo Spot ma con molte frequenze disturbate contemporaneamente, con linee spettrali separate, anche non equamente distanziate, sulla banda di frequenza in una serie di previste frequenze di scansione, sia pure con meno potenza per frequenza (power sharing).

Partial Band Noise (PBN) 

Disturba solo una porzione della banda. Più efficiente ma fratricida. Il PBN può essere implementato nel Swept. 

EP: alcuni radar possono cambiare banda o possono esserci più radar che operano su bande diverse.  Una buona difesa consiste nel “guard band receiver”, con una frequenza adiacente, che oscura  il segnale quando il ricevitore mostra un disturbo. Inoltre lo stesso radar può inviare segnali spurii da un’antenna ausiliaria per mascherare il segnale reale con rumore casuale e rendere difficile la rilevazione della frequenza esatta oltre a sovraccaricare (overload) le difese del bersaglio. Anche l’accurata gestione delle emissioni, in una rete radar, con l’accensione o lo spegnimento in successione dei radar, complica l’opera di disturbo. Altre difese comprendono il salto di frequenza (frequency hopping), antenne a elevato guadagno e  potenza, e l’aumento del duty cycle.

Barrage noise (BAR) e Barrage noise-Swept Amplitude Modulation (BSAM)

Se i radar sono numerosi, di diverse caratteristiche, operano su molte frequenze e bande differenti, si possono impiegare i “jammer di sbarramento”, che non richiedono la conoscenza precisa della frequenza impiegata dal radar. Si disturbano simultaneamente tutte le frequenze di una banda (broadband) con un solo disturbatore. Il disturbo di sbarramento spesso usa segnali in modulazione d’ampiezza che coprono, di solito, il 10 % della banda di frequenza (150-300 MHz). Se si arriva al 25 % dei canali disturbati, anche un radar con salto di frequenza non riesce ad operare. Ma l’effetto può essere limitato, perché l’energia è dispersa su tutte le frequenze e quindi è meno efficace su quella singola. Si riduce drasticamente la Power Density. Ha effetto fratricida nei confronti dei sensori amici. Per i radar il raggio di “burn through” sarà maggiore. La potenza richiesta è alta. Se, per esempio, la potenza di picco dell’eco radar (alla distanza del bersaglio) è pari a 1 kW, il jammer dovrà impegnare 1 kW di potenza ! Se i radar sono 10, dovrà trasmettere 10 kW ! La potenza massima è il fattore dominante: ecco perché metodi simili sono definiti “di forza bruta”. Le forme d’onda del disturbo di sbarramento sono rumore diretto amplificato (DINA, Direct Noise Amplified), rumore a modulazione di frequenza (FM/N) e a modulazione d’ampiezza (AM/N), utile contro i radar TWS.

Per comprendere le elevate potenze in gioco occorre un esempio. Un radar tipo ha una bandwidth di 10 MHz. Se prendo uno “Spot jammer” da 1 kW e distribuisco la potenza sul radar, otterrò 100 W/Mhz. Una buona potenza. Ma se voglio disturbare una intera banda larga 1 GHz (1000 MHz) con un disturbatore di sbarramento (Barrage), ecco che i 1000 Watt iniziali daranno solo 1 W/Mhz.  Per riportare tutto al valore iniziale serviranno 100 kW.

A 90 km di distanza  da un radar ASR-9 di 1,2 MW, un jammer di sbarramento da 100 W (20dBW), nel lobo principale, può ridurne la portata di rilevamento del 78 %. Ma lo stesso disturbatore in modalità Spot, la riduce del 91 %. Per i motivi visti, se la potenza del jammer aumenta di 10 volte (30dBW=1 kW), la portata efficace aumenterà di 3,16 volte. Raddoppiando, invece, la distanza, l’efficacia risulterà ridotta di 4 volte.

Base Noise

Se si conosce la variazione massima della frequenza, si può limitare il disturbo di sbarramento allo stretto indispensabile (Base Noise), senza interferire sulle frequenze vicine.

EP: si può aumentare il duty cycle e impiegare radar ad elevato guadagno (high gain). Questi hanno maggiore efficienza nella conversione della potenza nella direzione voluta, un fascio più stretto e con più energia, e un “burn through” più elevato.

Hole-finding:  dopo una serie di impulsi, il radar controlla il ricevitore per determinare la frequenza col più basso livello di disturbo. Si sposta quindi sulla nuova frequenza tramite l’AFS (Automatic frequency selector). 

Range Bin Masking (RBM)  

Tipo di disturbo ibrido, che combina le caratteristiche dello Spot/Barrage con l’inganno. Efficace contro radar a bassa e media PRF che rilevano la distanza. Il disturbo è temporizzato per cadere entro un intervallo che copre la distanza in cui si può trovare l’aereo. Genera una raffica (burst) di disturbo prima e dopo l’eco reale, di fatto coprendolo. Cattura l’AGC del radar che riduce la potenza per evitare il sovraccarico, così perdendo i bersagli più deboli o quelli lontani. Permette con un Repeater a bassa potenza  di affrontare molti radar, in time sharing.

Tecniche di inganno (Deception)

L’ingannatore, in genere per autodifesa (SPJ), non mira a nascondere l’eco ma fornisce false informazioni di direzione, distanza o velocità, spesso senza che l’operatore nemico se ne accorga. Rispetto ai disturbatori, la potenza richiesta è proporzionale a quella media di funzionamento del radar e al numero di bersagli generati. La potenza media si può ricavare tramite il Duty cycle (o Duty factor) e  può essere molto bassa, dieci, cento, anche mille volte minore di quella di picco. Per avere successo, servono ottimi dati ELINT, un buon programma di disturbo, buoni RWR e DRFM. Gli ingannatori hanno dei problemi: generare movimenti e bersagli credibili, l’espansione dell’eco e il rischio di rilevamento passivo.

Ingannatori della distanza

False Target Generator (FTG) o Multiple False Targets (MFT)

I generatori di falsi bersagli sono impiegati, per esempio, contro radar TWS (track while scan) e possono saturare i computer di falsi ritorni, ritardati rispetto a quelli reali, dando l’illusione di un’enorme quantità di bersagli. Si dividono  in ingannatori non-coerenti (Transponder) e coerenti (Repeater).

Transponder (TPDR o XPDR)  

Riceve gli impulsi, attende un certo tempo, corrispondente al raggio desiderato del falso bersaglio, e lo ritrasmette identico, producendo falsi echi a diverse distanze rispetto al bersaglio reale. Con questo sistema è difficile ottenere bersagli “credibili”, così viene impiegato assieme al disturbo che degrada la rilevazione radar, impedendo di distinguere i falsi bersagli. La potenza richiesta è proporzionale a quella media, con un rapporto J/S di 0 dB. Prendendo l’esempio precedente, se la potenza di picco dell’eco radar è di 1 kW, quella media può essere di 10W o magari di solo 1W ! Impiegando la medesima potenza si potranno generare centinaia di bersagli. Se i radar sono 10, tutti con frequenze diverse, si potranno creare falsi bersagli per tutti, programmando echi diversi per ognuno. E questo è vitale ! Perché il nemico potrebbe eliminare i falsi echi per comparazione (de-ghosting). L’unico neo è la potenza di elaborazione, che contro 10 frequenze diverse, aumenta di 10 volte. Se i radar, invece, emettono tutti sulla stessa frequenza, l’elaborazione aumenta in modo esponenziale, per poter dividere gli impulsi in arrivo (de-interleave). Ma, a parte il fatto che è raro trovare 10 radar uguali tutti a distanza ravvicinata,  l’impiego della stessa frequenza li rende un ottimo bersaglio per uno Spot jammer: si disturbano tutti in una volta sola !

EP: la compressione degli impulsi (pulse compression) rende i radar resistenti ai Transponder.  Migliora la risoluzione, aumenta la potenza media e si riduce il clutter e/o il disturbo. Questo sistema è vulnerabile, però, ai Repeater con DRFM.

Repeater (RPTR)

Produce un falso bersaglio più realistico rispetto al Transponder grazie alla memoria all’interno del jammer. Riceve gli impulsi, li amplifica e, dopo un certo tempo, li rispedisce indietro. Genera frequenze Doppler molto diverse sul radar, con errori di azimuth, raggio e numero di bersagli.

EP: i veri bersagli presentano fluttuazioni del segnale (amplitude scintillation-angular glint), hanno accelerazioni realistiche, mentre i segnali prodotti dai Transponder e dai Repeater sono stabili. I radar “leading-edge”, combinati con agilità di frequenza e processori di segnale avanzati, sono in grado di rilevare le differenze.

Double/Short pulsing: tecnica difensiva  contro i Repeater a impulsi, basata sul controllo del periodo di “pausa” dopo ogni impulso di disturbo.

Range False Target (RFT)

Si trasmettono segnali simili all’eco reale posizionati a distanze differenti, estremamente realistici, cosa possibile con le DRFM.    

EP: si può impiegare la “temporal pulse diversity”, ma è un processo difficoltoso.

Narrow-Band Repeater Noise (NBRN)

In un radar Doppler degrada pesantemente l’aggancio del bersaglio. Provoca la formazione di falsi segnali che appaiono sia sopra che sotto la frequenza dell’eco reale. E’ utilizzata anche la modulazione d’ampiezza. Il risultato è una uniforme distribuzione di “rumore” sulla banda, che maschera così il bersaglio.

Multiple Frequency Repeater (MFR)

Ripetitore coerente in modulazione d’ampiezza che produce un segnale a numerose frequenze, equamente spaziate attorno alla frequenza dell’eco del bersaglio, ognuna con ampiezza più grande di quella dell’eco reale. Induce errori di distanza e calcolo del “range gate” nei radar Pulse Doppler o introduce falsi bersagli nei radar a impulsi in modalità ricerca. Può disturbare anche l’AGC (automatic gain control) dei radar.

Track breaker (interruttori di traccia)

Sono i cosiddetti “gate stealer”o “side-step jammer” impiegati contro radar di tracciamento in modalità STT (singol target track) con PRF basse e medie, e attaccano i meccanismi automatici di inseguimento usando sofisticati Repeater. Forniscono al bersaglio il tempo per eseguire una manovra evasiva. La tecnica è geniale.

Range Gate Pull Off (RGPO) o Range Gate Walk Off (RGWO) o Range Gate Stealing (RGS)

I sistemi RGPO sono apparsi per la prima volta sui bombardieri B-58 nel 1960. Una volta individuato il bersaglio, il radar piazza “range gate” ai suoi lati (“gate” si può tradurre in molti modi: cancello, portone…). Questi oscurano tutti i segnali originati da distanze fuori di uno  stretto intervallo, incrementando il “signal-to-noise ratio” e proteggendo il radar da impulsi di disturbo non sincronizzati. Il radar si concentra su un intervallo di distanze di poche centinaia di metri, che racchiudono la posizione del bersaglio, e non cerca più altri bersagli. Si ottiene il codiddetto “lock-on”. Ma il “range gate” può essere catturato e il radar “sedotto”. Dopo aver rilevato che un radar ha ottenuto il lock-on, il jammer si attiva:

  1. un campione di impulso è amplificato e rispedito indietro quando altri impulsi sono ricevuti. Sembra una pessima idea: l’AGC del radar si sincronizza sul segnale più forte, il bersaglio appare più “evidente” sullo schermo radar. Invece, la trappola sta per scattare ! La potenza viene incrementata e continua finchè la “replica” è molto più forte del vero eco. A questo punto il radar è costretto a ridurre automaticamente la sensibilità del ricevitore, per evitare un sovraccarico. E, ovviamente, il vero eco si perde nel rumore di fondo.
  2. una seconda replica, più forte e con un leggero ritardo, viene trasmessa dopo la prima eco falsa, la cui potenza viene invece ridotta.
  3. Il radar aggancia la replica che viene, rispetto ad ogni nuovo impulso, ritardata progressivamente. Il “range gate”segue la falsa eco, che sembra retrocedere. Questo continua finchè il “gate”si è spostato fuori dalla vera posizione dell’aereo.
  4. L’ingannatore si spegne, lasciando il radar con il “range gate” vuoto (break-lock). Il radar è costretto a tornare in modalità ricerca, perdendo tempo. Se dovesse riacquisire il bersaglio, sarà sufficiente ripetere la procedura. Richiede potenza moderata, con J/S tra 0 e 6 dB.

Range Gate Pull-In (RGPI)

L’RGPO crea falsi bersagli solo a distanze più elevate rispetto a quelle vere, perché i segnali sono inviati con ritardo. Se il radar ha una ripetizione degli impulsi costante si può, però, prevedere l’impulso successivo e creare bersagli a distanze minori (negative time delay), con l’RGPI. 

L’RGPO/RGPI rende impossibile guidare un missile e funziona anche contro radar ad onda continua (CW). E se il missile è dotato di guida HOJ, nel momento in cui l’ingannatore si spegne…Anche il missile perde il bersaglio.

EP: si può ricorrere al controllo manuale. L’operatore può rilevare l’impulso in movimento dal vero eco, e continuare il tracciamento.

Frequency-hopping: il jammer ha bisogno di tempo per analizzare i segnali. L’agilità di frequenza casuale su banda larga, manuale o automatica, rende difficile predire gli impulsi mettendo in difficoltà disturbatori e ingannatori.

Frequency diversity: alcuni radar operano su diverse bande di frequenza, rendendo imprevedibile il tipo di emissione e forzando i disturbatori a coprire una parte maggiore dello spettro.

Jitter PRF: i radar con elevata PRF sono più resistenti perchè hanno una potenza media maggiore ma richiedono una processazione più sofisticata,  la portata massima del radar determina in genere la massima PRF. Ma il radar può effettuare il PRF Jitter, cioè variare in modo rapido e casuale la frequenza di ripetizione degli impulsi su un intervallo (PRI) compatibile con la distanza. La variazione degli impulsi rende il Jammer incapace di calcolare quando arriverà il prossimo impulso. Simile il PRF Stagger, che rende impossibile creare bersagli a distanze minori. Il disturbatore dovrà impegnare l’intero “jitter range” del radar.

Un’altra buona contro-contromisura è il “burn-through”(stesso termine, perchè in relazione col precedente). Abbassando la PRF, le pause sono incrementate e il segnale di ritorno è più forte, al prezzo di minore precisione.

L’RGPO/RGPI  tende a ritardare gli echi di un certo tempo incrementale. Col leading edge track, il radar controlla l’intensità dell’eco, osservando  se “brilla” in modo eccessivo. Se la risposta è affermativa, il radar  traccia il “leading edge” dell’eco reale, cioè la parte ascendente dell’onda, prima del picco massimo di potenza, che viene ignorato.

Double Tracking: l’eco è definito in distanza e velocità (Doppler), questo permette un tracciamento doppio (double tracking). Se il jammer tenta di aprire un “gate” non coerente con l’altro, il disturbo è ignorato.

Overlapped RGPO (OVLP-RGPO) 

Combinazione di due programmi RGPO, il secondo dei quali inizia con un certo ritardo dopo il primo. Crea falsi bersagli multipli in distanza.

Hold Out and Hook (HO&H) 

Siccome non vi è la certezza che il ciclo RGPO abbia catturato il sensore avversario, il jammer ricomincia un nuovo ciclo nella reale posizione del bersaglio. Il primo ciclo, raggiunto il massimo ritardo, continua a trasmettere una replica dalla stessa posizione. Di fatto si trasmettono due impulsi per ogni impulso ricevuto. Uno in accordo col nuovo ciclo RGPO, l’altro continuamente posizionato al bordo esterno del programma RGPO. Quest’ultimo è definito Hook oppure Hold-Out  target. Così facendo si mantiene la modulazione di disturbo angolare, che è continuamente applicata allo Hook target. Quando il range gate si ”aggancia”, il tracking angolare è continuamente esposto all’erronea modulazione.

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