رادار تتبع التضاريس

يعود تاريخ مفهوم TFR إلى دراسات أجريت في مختبر كورنيل للملاحة الجوية لقسم أنظمة الطيران التابع للقوات الجوية الأمريكية . ^{[ 7 ]} وقد أدى ذلك إلى تطوير نظام يُعرف باسم "Autoflite". ^{[ 10 ]}

استخدمت الرادارات المبكرة المثبتة في الطائرات أنظمة مسح مخروطية بعرض حزمة يبلغ حوالي أربع درجات. عندما تصطدم الحزمة بالأرض، يتشتت جزء من الإشارة عائدًا نحو الطائرة، مما يسمح لها بقياس المسافة إلى الأرض أمامها. عند النظر لأسفل بزاوية، ينتشر جانبا الحزمة الدائرية للرادار، القريب والبعيد، على شكل قطع ناقص على الأرض. ينتج عن هذا النمط "نقطة" تنتشر بشكل مماثل على شاشة الرادار ، وهي غير دقيقة بما يكفي لتجنب التضاريس. ^{[ 9 ]} ومع ذلك، كانت دقيقة بما يكفي لإنتاج عرض يشبه الخريطة منخفضة الدقة للأرض أسفل الطائرة، مما أدى إلى تطوير رادار H2S خلال الحرب . ^{[ 11 ]}

لتحقيق الدقة المطلوبة لتتبع التضاريس، يجب أن تعتمد أنظمة تتبع التضاريس على مفهوم رادار النبضة الأحادية . تُنتج تقنية النبضة الأحادية شعاعًا بنفس عرض التصميم التقليدي، ولكنها تُضيف معلومات إضافية إلى الإشارة اللاسلكية، غالبًا باستخدام الاستقطاب ، مما ينتج عنه إرسال إشارتين منفصلتين في اتجاهين مختلفين قليلًا مع تداخلهما في المنتصف. عند استقبال الإشارات، يستخدم جهاز الاستقبال هذه المعلومات الإضافية لفصل الإشارات مرة أخرى. عندما تكون هذه الإشارات موجهة رأسيًا، تصطدم الإشارة من الشعاع السفلي بالأرض بالقرب من الطائرة، مُنتجةً وميضًا ممتدًا كما في حالة الرادارات السابقة، بينما يُنتج الشعاع العلوي وميضًا مشابهًا ولكن على مسافة أبعد قليلًا. يتداخل الوميضان لتكوين شكل بيضاوي ممتد. ^{[ 12 ]}

تتمثل السمة الرئيسية لتقنية النبضة الأحادية في تداخل الإشارات بطريقة محددة للغاية؛ فإذا عُكست إحدى الإشارات ثم جُمعت، ينتج جهد كهربائي يشبه الموجة الجيبية . وتتقاطع نقطة منتصف الشعاع تمامًا مع الصفر. ينتج عن ذلك قياس دقيق يتوافق مع خط منتصف الإشارة، ويمكن تحديده بسهولة باستخدام إلكترونيات بسيطة. ويمكن بعد ذلك تحديد المدى بدقة عن طريق قياس لحظة تقاطع الجهد مع الصفر. وعادةً ما تُحقق دقة تصل إلى متر واحد لقياس الأجسام التي تبعد كيلومترات. ^{[ 9 ]}

تم اعتماد تقارير جامعة كورنيل في المملكة المتحدة، حيث شكلت أساسًا لمفهوم ناشئ لطائرة هجومية جديدة ، والتي ظهرت لاحقًا باسم BAC TSR-2 . بدأ مشروع TSR-2 رسميًا مع إصدار التقرير GOR.339 عام 1955، وسرعان ما استقر على استخدام تقنية TFR لتوفير الأداء المطلوب على ارتفاعات منخفضة. وقد قامت المؤسسة الملكية للطائرات ببناء جهاز محاكاة للنظام باستخدام إلكترونيات منفصلة، ​​شغل مساحة غرفة كاملة. ^{[ 7 ]}

خلال الفترة نفسها، كان سلاح الجو الملكي البريطاني يُدخل أحدث طائراته الاعتراضية ، وهي طائرة إنجلش إلكتريك لايتنينغ . زُوّدت طائرة لايتنينغ بأول رادار أحادي النبضة محمول جواً في العالم، وهو نظام AIRPASS الذي طورته شركة فيرانتي في إدنبرة . في حالة طائرة لايتنينغ، استُخدمت إشارة النبضة الأحادية لقياس الزاوية الأفقية بدقة، مما مكّن حاسوب نظام AIRPASS من رسم مسار اعتراض فعال على المدى البعيد. وللاستخدام في عمليات الرصد الجوي، كان التغيير الوحيد المطلوب هو تدوير الهوائي لقياس الزاوية الرأسية بدلاً من الأفقية. ^{[ 12 ]}

لم يكن مفاجئًا أن فازت شركة فيرانتي بعقد توريد مكون الرادار في عام 1957 أو 1958 تقريبًا. ^{[ 13 ]} بعد فترة وجيزة من بدء المشروع، في عام 1959، غادر قائد المشروع، غاس سكوت، إلى شركة هيوز مايكروسيركتس في غلينروثيس القريبة ، وتولى غريغ ستيوارت وديك ستارلينغ قيادة الفريق. بُني النظام الأولي من جهاز AI.23B AIRPASS فائض، ^{[ 14 ]} وكان من الممكن تركيبه على مقطورة وسحبه بواسطة سيارة لاند روفر للاختبار. ^{[ 15 ]} تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في أن قوة الإشارة المُعادة تختلف اختلافًا كبيرًا باختلاف التضاريس؛ إذ تُنتج الجدران الرأسية للمبنى مكعبًا جزئيًا في الزاوية يُعيد إشارة أقوى بحوالي 10 ملايين مرة من الإشارة القادمة من الرمال أو الأرض الجافة. ولمعالجة الإشارات سريعة التغير، طُوّر نظام تحكم آلي في الكسب بمدى 100 ديسيبل. ^{[ 9 ]} 

كان عرض حزمة الرادار ضيقًا لدرجة أن الأجسام على جانبي مسار طيران الطائرة قد تشكل خطرًا محتملاً إذا ما انحرفت الطائرة جانبًا بفعل الرياح أو بدأت بالانعطاف بالقرب من الجسم. ولتجنب ذلك، كان الرادار يمسح بنمط على شكل حرف O، عموديًا من 8 درجات فوق مسار الطيران إلى 12 درجة أسفله، مع التحرك بضع درجات يمينًا ويسارًا من مسار الطيران. ^{[ 12 ]} إضافةً إلى ذلك، كان النظام يقرأ معدلات الدوران من الأجهزة ويُحرك نمط المسح إلى اليسار أو اليمين لقياس التضاريس التي ستكون الطائرة فيها مستقبلًا. ^{[ 9 ]}

أُجريت اختبارات النظام باستخدام طائرة DC-3 داكوتا التابعة لشركة فيرانتي للاختبارات ، وبدءًا من شتاء 1961/1962، طائرة إنجلش إلكتريك كانبرا . حملت طائرات الاختبار كاميرات موجهة في اتجاهات مختلفة، بما في ذلك كاميرات موجهة لأجهزة الطائرة وشاشات الرادار. سمح هذا بفحص النظام بدقة على الأرض بعد الرحلة. سجلت كل رحلة بيانات لرحلات تجاوزت حوالي 100 ميل، وقد نُفذ أكثر من 250 رحلة من هذا النوع. أظهرت الاختبارات الأولية وجود تشويش عشوائي في القياسات، مما جعلها غير صالحة للاستخدام. تبين لاحقًا أن السبب هو استخدام نظام التحكم التلقائي في الكسب لكسب عالٍ جدًا في أعلى نمط المسح، حيث تكون التضاريس عادةً على مسافات طويلة وتتطلب أكبر قدر من التضخيم. كان لهذا أثر جانبي يتمثل في تضخيم انعكاسات زائفة في الفصوص الجانبية للهوائي إلى درجة التسبب في تداخل. تمت معالجة هذه المشكلة بالانتقال من نمط على شكل حرف O إلى نمط على شكل حرف U، والسماح بزيادة الكسب فقط عند المسح لأعلى لمنعه من إعادة الضبط إلى كسب عالٍ عند التحرك لأسفل، وبالتالي تجنب ظهور التضاريس المنخفضة في الفصوص الجانبية ذات الكسب العالي. ^{[ 6 ]}

أتاحت التطورات في مجال الإلكترونيات خلال مرحلة التطوير إمكانية استبدال إلكترونيات الصمامات المفرغة الأصلية بالترانزستورات بشكل متزايد ، مما أدى إلى إنتاج نظام أصغر حجمًا بشكل عام. ^{[ 12 ] [ أ ]} ومع استمرار تطوير النظام، نُقل إلى طائرة بلاكبيرن بوكانير لإجراء اختبارات بسرعات أعلى. أُجريت الاختبارات من قاعدة سلاح الجو الملكي البريطاني في مطار إدنبرة ، بالقرب من موقع تطوير الرادار التابع لشركة فيرانتي في المدينة. ^{[ 9 ]}

أثناء الاختبار، لم يكن الرادار متصلاً بنظام الطيار الآلي للطائرة، وكان التحكم يدويًا بالكامل. تم اختيار المنحنى لإنتاج حمولة قصوى تبلغ نصف قوة الجاذبية الأرضية. ^{[ ب ]} تم تحديد مسار الطيران بنقطة على شاشة عرض رأسية لنظام AIRPASS . اتبع الطيار المسار المحسوب عن طريق إمالة الطائرة حتى يتمركز مؤشر متجه سرعة الطائرة، وهو عبارة عن حلقة صغيرة، حول النقطة. في الاختبارات، اكتسب الطيارون ثقة كبيرة في النظام بسرعة، وكانوا سعداء بتشغيله بأقل إعداد للارتفاع المسموح به حتى في الأحوال الجوية السيئة. ^{[ 9 ]}

مع ازدياد إلمام الطيارين بالنظام، قام المهندسون بتقليص الارتفاع المحدد تدريجيًا حتى أثبت النظام قدرته على العمل بأمان وسلاسة على ارتفاع متوسط ​​يبلغ 30 مترًا فقط (98 قدمًا) . وقد تم اختبار ذلك على تضاريس وعرة، بما في ذلك سلاسل الجبال والوديان العمياء وحتى واجهات المنحدرات. كما تبين أنه قادر على التوجيه بشكل صحيح فوق عوائق اصطناعية مثل هوائيات التلفزيون في كيرن أو مونث ومحطة كيرك أو شوتس للإرسال ، والجسور فوق نهر فورث ، وخطوط الكهرباء العلوية . ^{[ 5 ]} 

على الرغم من البداية المبكرة لعمل كورنيل، ولأسباب غير موثقة جيدًا، توقف تطوير المفهوم في الولايات المتحدة لفترة من الزمن عند مرحلة شبه مكتملة. تغير هذا الوضع جذريًا بعد حادثة طائرة التجسس يو-2 عام 1960 ، والتي أدت إلى التحول السريع من التحليق على ارتفاعات عالية فوق الاتحاد السوفيتي إلى نهج "الاختراق" على ارتفاعات منخفضة. ^{[ 10 ]} على المدى القصير، تم طرح عدد من رادارات تجنب التضاريس لمجموعة متنوعة من الطائرات. كان أول رادار حقيقي لتجنب التضاريس في الولايات المتحدة هو AN/APQ-101 من شركة تكساس إنسترومنتس ، والذي جعل الشركة رائدة في سوق رادارات تجنب التضاريس لسنوات عديدة. في أوائل الستينيات، طورت الشركة أنظمة رادارات لتجنب التضاريس لطائرة فانتوم 2 من طراز RF-4C، وطائرة غرومان موهوك OV-1 التابعة للجيش ، ونظام AN/APQ-110 المتطور لطائرة جنرال دايناميكس F-111 . ^{[ 16 ]}

لأسبابٍ عديدة، أُلغي مشروع TSR-2 عام 1965 لصالح شراء طائرة F-111، وهي منصة ذات مفهوم مشابه تعتمد على رادار مماثل. وعلى عكس تصميم فيرانتي، قدّم رادار APQ-110 العديد من عناصر التحكم الإضافية، بما في ذلك إعداد جودة الركوب لثلاثة مستويات: "قاسٍ" و"ناعم" و"متوسط"، والذي يُغيّر قوة التسارع (G) لملف هبوط المنحنى المحسوب من 0.25 إلى 1 G، مع السماح دائمًا برفع أقصى قدره 3 G. كما تضمن مجموعة إلكترونية ثانية لتوفير نظام احتياطي فوري في حال تعطل الوحدة الأساسية، وأنماط أمان تُفعّل رفعًا أقصى قدره 3 G في حالة حدوث أعطال مختلفة في النظام.

في نهاية المطاف، واجه مشروع طائرة إف-111 تأخيرات وتجاوزات في التكاليف، على غرار ما حدث مع طائرة تي إس آر-2. وبعد دراسة عدة مفاهيم، قرر سلاح الجو الملكي البريطاني استخدام طائرة بوكانير. ورغم أن هذه الطائرة خضعت لاختبارات مكثفة باستخدام رادار فيرانتي، إلا أن هذا التحديث المحتمل لم يُعتمد للخدمة. أدى استياء سلاح الجو الملكي البريطاني من هذا الوضع إلى بدء مناقشات مع نظرائه الفرنسيين، وظهور طائرة بي إيه سي/داسو إيه إف في جي ، وهي طائرة مشابهة جدًا لطائرة إف-111. وبعد مفاوضات أولية ناجحة، تخلت المملكة المتحدة عن خياراتها المتعلقة بطائرة إف-111 كيه. وبعد ذلك بوقت قصير، بدأ مارسيل داسو بتقويض المشروع بشكل فعّال، والذي تخلى عنه الفرنسيون في نهاية المطاف عام 1967. ^{[ 17 ]}

في العام التالي، بدأت الحكومة البريطانية مفاوضات مع مجموعة أوسع من الدول، مما أدى في النهاية إلى مشروع طائرة بانافيا تورنادو . واستغلت شركة تكساس إنسترومنتس خبرتها في طائرة إف-111 تي إف آر للفوز بعقد الرادار لنظام الكشف المتكامل للطائرة تورنادو.

يُستخدم رادار تتبع التضاريس بشكل أساسي من قبل الطائرات الهجومية العسكرية، لتمكينها من التحليق على ارتفاعات منخفضة للغاية (أحيانًا أقل من 30 مترًا ) وبسرعات عالية. ولأن رصد الرادار من قبل رادارات العدو واعتراضه بواسطة أنظمة الدفاع الجوي يتطلبان خط رؤية مباشر للهدف، فإن التحليق على ارتفاع منخفض وبسرعة عالية يقلل من الفترة الزمنية التي تكون فيها الطائرة عرضة للرصد إلى أدنى حد ممكن، وذلك عن طريق إخفائها خلف التضاريس قدر الإمكان. يُعرف هذا باسم التمويه بالتضاريس .

مع ذلك، يمكن لأنظمة الدفاع الجوي المعادية رصد انبعاثات الرادار بسهولة نسبية عند غياب التضاريس التي تحجب الرؤية، مما يسمح باستهداف الطائرة. لذا، يُعد استخدام الرادار المُتتبع للتضاريس حلاً وسطاً بين زيادة فرص النجاة بفضل التمويه بالتضاريس، وسهولة استهداف الطائرة عند رصدها.

حتى الأنظمة الآلية لها حدود، وجميع الطائرات المزودة برادارات تتبع التضاريس لها قيود على مدى انخفاضها وسرعتها. عوامل مثل زمن استجابة النظام، وحدود قوة التسارع للطائرة، والظروف الجوية، كلها عوامل تحدّ من قدرات الطائرة. ولأن الرادار لا يستطيع تحديد ما وراء التضاريس المباشرة، فقد يعاني مسار الرحلة من "الارتفاع المفاجئ" فوق التضاريس الوعرة، حيث يصبح الارتفاع مرتفعًا بشكل غير ضروري. علاوة على ذلك، قد يتأخر الرادار في رصد العوائق مثل هوائيات الراديو وأبراج الكهرباء، مما يشكل خطر اصطدام.

في الطائرات التي تضم أكثر من طاقم، يستخدم الملاح الرادار عادةً، مما يسمح للطيار بالتركيز على جوانب أخرى من الرحلة بدلاً من مهمة التحليق المنخفض الشاقة للغاية. كما تتيح معظم الطائرات للطيار اختيار مستوى مقاومة الهواء عبر مفتاح في قمرة القيادة، وذلك للموازنة بين مدى حرص الطائرة على البقاء قريبة من الأرض والقوى المؤثرة على الطيار.

تحتوي بعض الطائرات، مثل تورنادو آي دي إس، على رادارين منفصلين، يُستخدم الأصغر منهما لتتبع التضاريس. أما الطائرات الحديثة، مثل رافال المزودة برادارات المصفوفة الطورية ، فتستخدم هوائيًا واحدًا يُمكن استخدامه للرؤية الأمامية والأرضية، وذلك عن طريق توجيه الحزم إلكترونيًا.

• بلين، بيل (24 يوليو 2011). "تضاريس TSR2 في أعقاب تطوير الرادار - من 1959 إلى 1964" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 24 يوليو 2011.
• ماسون، جون؛ هود، هارولد (21 فبراير 1964). "طائرات الهجوم تحلق فوق التضاريس المعادية باستخدام رادار جديد" . مجلة الإلكترونيات .
• ستارلينج، ديك؛ ستيوارت، جريج (1 أبريل 1971). "تطوير رادار تتبع التضاريس" . هندسة الطائرات وتكنولوجيا الفضاء . 43 (4): 13-15 . doi : 10.1108/eb034756 .
• مو، جياسونغ؛ ليانغ، كيليان؛ وانغ، وي؛ تشانغ، باوجو؛ بي، ييمينغ (2015). وقائع المؤتمر الدولي الثالث للاتصالات ومعالجة الإشارات والأنظمة . سبرينغر. ISBN 9783319089911.
• رادار فيرانتي للضربات وتتبع التضاريس .