Tutkajärjestelmät panssarikaluston sensoreina

Pienikokoinen millimetrialueen tutka on kehittymässä panssarikaluston uudeksi sensoriksi. Se kykenee havaitsemaan maaleja ja uhkaavia kohteita oloissa, joissa lämpökamera tai ihmissilmä ovat voimattomia. Myös pienistä kappaleista, esimerkiksi vihollisen ampumista kranaateista voidaan saada ilmaisuun riittävä signaali. Sopivan näyttöjärjestelmän kautta voidaan tuottaa panssaritaistelua tukeva elektroninen karttakuva.

Johdanto

Kansainvälisissä alan julkaisuissa on jo jonkin aikaa esiintynyt selviä viitteitä siitä, että tavanomaisten infrapuna-, laser- ym. sensoreiden rinnalle ollaan mm. Yhdysvalloissa ja Venäjällä kehittelemässä tai ottamassa käyttöön panssarivaunuihin soveltuvia radioteknisiä tutkia [1]. Näillä pyrittäneen mm. täydentämään havaintokykyä savun, pölyn tai sateen läpi ja samalla vähentämään vastustajan käyttämien naamiointikeinojen tehoa. Ajatuksena voi olla joko oman asejärjestelmän tulivaikutuksen parantaminen tai suojautuminen vihollisen tulelta tai tietenkin näiden yhdistelmä. Venäjällä on lisäksi otettu käyttöön puhtaasti panssarintorjuntaohjusryhmän tarpeisiin soveltuva tutka [2]. Kaikissa tunnetuissa järjestelmissä näyttäisi olevan joitakin yhteisiä teknisiä piirteitä.

Panssaritutkan rakenne

Periaatteessa toimivan tutkan voi rakentaa mille tahansa radiotaajuudelle, jolle on saatavilla tarvittavia komponentteja. Tärkeimpiä rakenneosia ovat antenni, lähettimen pääteaste, vastaanottimen etuaste ja signaalinkäsittely-yksikkö. Tyypilliset ilmavalvontatutkat käyttävät esimerkiksi muutaman gigahertsin taajuutta. Näissä järjestelmissä antennit ovat suuria, läpimitaltaan useita metrejä. Jotta radioteknisen tutkan keskeisin osa - siis antenni - voidaan suunnitella ja rakentaa kyllin pienikokoiseksi mielekästä ajoneuvo- tai panssarivaunuasennusta varten, on tutkan toimintataajuuden oltava kyllin suuri. Tavallisesti tämä johtaa millimetrialueelle eli yli 30 GHz käyttöön. Esimerkiksi kaupalliset autojen törmäyksenestotutkat toimivat n. 77 GHz alueella. Näillä taajuuksilla kyetään toteuttamaan vaikkapa alle metrin läpimittaisella heijastinantennilla kapea säteilykuvio, jolloin maalien tai uhkaavien kohteiden sivusuuntainen erottelu on riittävä, usein parempi kuin 1 aste. Toisaalta näin suuresta toimintataajuudesta seuraa, että lähetysteho jää vaatimattomaksi, ellei haluta käyttää erittäin kalliita komponentteja. Millimetritutkan vastaanottimelta edellytetäänkin erinomaisia signaalinkäsittelyominaisuuksia, jotka puolestaan voidaan nykytekniikalla toteuttaa esimerkiksi nopeilla ja tehokkailla DSP- (Digital Signal Processor) piireillä.

Maalien havaitseminen ja seuranta

Tuhottava maali tai uhkaava kohde voi periaatteessa sijaita missä tahansa puolipallon muotoisessa avaruudessa. Tämä johtaa siihen, että tutkan on syytä kyetä tarkkailemaan hyvin suurta tilavuutta kyllin nopeasti. Teknisesti ongelma voidaan ratkaista esimerkiksi yhdistämällä paraboloidiheijastinantenniin vaiheohjattu syöttö tai käyttämällä kokonaisuudessaan aktiivista antenniryhmää, kuten näyttäisi olevan laita amerikkalaisessa järjestelmässä [1]. Antenniryhmässä mikään ei liiku mekaanisesti, vaan keilaus saadaan aikaan elektronisilla tempuilla ja keila voi kääntyä yhdessä millisekunnissa täyden ympyrän. Samalla voidaan haluttaessa tuottaa useitakin hallittuja keiloja, joilla voidaan seurata lukuisa maaleja tai uhkaavia kohteita. Ryhmä voidaan koota vaunun tornin ympärille eräänlaisiksi paneeleiksi tai myös kokonaan erilliseksi, pienellä mastolla kohotettavaksi sylinteriksi. Haittana ryhmätekniikassa on toki hinta, joka johtuu paitsi rakenteen monimutkaisuudesta myös aktiivisten komponenttien suuresta määrästä.

Panssaritutkan käyttötilanne poikkeaa perinteisestä ilmavalvonta- tai maalinosoitustutkasta erityisesti siksi, että myös täysin liikkumattomat maalit on kyettävä havaitsemaan. Liikkuvan maalin ilmaisu Doppler-ilmiön perusteella ei ole siis aina mahdollista. Avuksi voidaan ottaa esimerkiksi millimetrialueella helpohkosti saavutettava etäisyyssuuntainen erottelukyky, joka yhdistettynä kapeaan keilaan tuottaa mosaiikkimaisen kuvan tutkan näytölle. “Tekniset” kohteet kuten ajoneuvot tai rakennukset erottuvat varsin selvästi luonnon muovaamista epäsäännöllisyyksistä. Sopivan näyttöjärjestelmän kautta voidaan tällä periaatteella tuottaa myös vaunumiehistölle radiotekninen “kartta” lähiympäristöstä. Tieura, sillat, pylväät yms. rakenteet ovat erotettavissa. Tiettävästi ainakin saksalaiset ovat menetelmää kokeilleet [4]. Ohjuksien ja kranaattien havaitseminen omasuojatoimia varten voi puolestaan nojautua Doppler-prosessointiin, koska radiaaliset nopeudet ovat hyvin suuria. Amerikkalaiset ovat kesällä 2003 suorittamissaan koeammunnoissa kyenneet havaitsemaan yli 1500 m/s nopeudella ammutun kranaatin.

Millimetriaaltoalueen tutkatekniikan sovelluskohteita panssariasejärjestelmissä

Millimetriaaltoalueen tutkatekniikan hyödyntäminen asejärjestelmissä on alkutaipaleella. Sovelluskohteista saatavilla oleva tietoa on hyvin rajallista. Tämä johtuu lähinnä tiedon salaisuudesta. Pääosa sovelluskohteista onkin vasta suunnittelupöydällä.

Kuva 1. Venäläisvalmisteinen BMP-3 rynnäkköpanssarivaunun alustalle asennettu PST- ohjusjärjestelmä Khrizantema-S (AT-15).

Ainoa millimetriaaltoaluetta hyödyntävä ja käyttöönotettu järjestelmä on venäläinen panssarintorjuntaohjus- järjestelmä (kuva 1). Järjestelmän ohjuksen ohjauksessa voidaan käyttää kahta erilaista menetelmää. Oletus menetelmänä on millimetriaaltotutkaa hyödyntävä automaattinen järjestelmä. Varamenetelmänä on puoliautomaattinen laserhakeutumiseen perustuva menetelmä. Vaunulla voidaan ampua samanaikaisesti kahta maalia kaikissa sää olosuhteissa. Millimetriaaltotutkan avulla kyetään ampumaan myös helikopteria tai matalalla lentävää lentokonetta. Osoituksena millimetriaaltoalueen länsimaissa tapahtuvasta tutkimuksesta on kirjallisuudessa esitetty mm. USA:n armeijan teknisen tutkimuslaitoksen tiedote ja kuva tutkan soveltuvuudesta mm. M1A2 Abrams – taistelupanssarivaunun osajärjestelmäksi (kuva 2).

Kuva 2. Tutka osana M1A2 taistelupanssarivaunun asejärjestelmää.

Amerikkalaisten lisäksi mitä ilmeisimmin myös ranskalaiset ovat tietoisia millimetriaaltoalueen tekniikan hyödyllisyydestä panssariasejärjestelmissä, sillä ranskalaista sotateollisuutta edustava GIAT Industries -yritys on esitellyt millimetriaaltoalueen häiveteknistä tietämystä hyödyntävän taistelupanssarivaunun prototyypin (kuva 3). Vaunu on valmistettu tutkasäteilyä imevästä materiaalista ja torni sekä peitetty telakoneisto on muotoiltu siten, että vaunun tutka poikkipinta-ala on mahdollisimman pieni. Häivevarusteet on suunniteltu vähentämään vaunun infrapuna- ja tutkakuvaa. Valmistajan testitulosten perusteella vaunu on vaikeampi havaita mm. lämpötähtäimillä, tutkalla ja millimetriaaltoalueella toimivilla laitteilla.

Kuva 3. Ranskalainen GIAT Industries:n valmistama taistelupanssarivaunu tutkielma.

Millimetritutka suomalaisessa maastossa

Suomessa on vuodesta 2001 lähtien tutkittu Puolustusvoimien teknillisen tutkimuslaitoksen ja Teknillisen korkeakoulun yhteistyönä millimetritutkiin liittyvää tekniikkaa ja suomalaisten olosuhteiden vaikutusta tällaisen tutkan suorituskykyyn. Kansainvälisissä julkaisuissa, esim. [5], esitetään millimetrialueen ongelmiksi merkittävä sadevaimennus, joka lyhentäisi mittausetäisyyttä sekä tutkanäytölle kasvillisuudesta aiheutuva välke, joka puolestaan tekisi maalien erottamisen luonnollisesta taustasta vaikeammaksi. Suomalaisessa maastossa tehdyt pitkäkestoiset mittaukset näyttäisivät kuitenkin viittaavan siihen, että olosuhteemme poikkeavat varsin ratkaisevasti esimerkiksi amerikkalaisista. Esimerkiksi havumetsä, harva lehtimetsä tai pensaikko eivät välttämättä estä tutkan käyttöä. Voidaankin arvioida, että potentiaalisen vihollisen kohtuullisen nykyaikaisella millimetritutkalla saavutetaan oloissamme likimain 20 kilometrin havaintoetäisyys keskimääräiseen maaliin. Sivusuuntainen erottelukyky 1000 metrin matkalla lienee muutamia kymmeniä senttimetrejä, etäisyyserottelu joitakin metrejä. Suorituskyky vaikuttaa riittävältä sekä vaunujen tulenjohdon että omasuojajärjestelmien tarpeisiin.

Heikki Heikkilä, Pekka Eskelinen, Jukka Ruoskanen

Viitteitä
[1] B. Rivers, "American Report", The Journal of Electronic Defense, vol 26, No 9, September 2003, s. 18
[2] Jane’s Defence Weekly, vol 39, No 7, February 2003
[3] Multispectral stealth kit for armoured vehicles – Technical data. WWW-muodossa: US_ftech_kdfm.pdf 23.11.2003
[4] R. Schneider, "Modellierung der Wellenausbreitung für ein bildgebendes Kfz-Radar", Karlsruhe, 1998
[5] N. Currie, R. Hayes ja R. Trebits, Millimeter-Wave Radar Clutter, Artech House Books, 1992