地形追従レーダー

地形追従レーダー（TFR）は、超低空飛行する航空機が地上から比較的一定の高度を自動的に維持し、敵のレーダーによる探知を困難にする軍事航空宇宙技術です。これは、地面密着飛行または地形密着飛行と呼ばれることもあります。地表飛行という用語も当てはまりますが、通常は地形追従レーダーを使用しない低空飛行の軍用ヘリコプターに関連してより一般的に使用されます。 ^[1]

TFR システムは、航空機の前方でレーダー ビームを垂直にスキャンし、レーダー反射の範囲と角度を事前に計算された理想的な操縦曲線と比較することによって機能します。地形と理想的な曲線の距離を比較することにより、システムは、航空機が事前に選択された距離 (通常は 100 メートル (330 フィート) 程度) だけ地形を離れる操縦を計算します。TFR を使用すると、航空機は、非常に低い高度と高速で地形を自動的に追跡できます。

地形追従レーダーは、似た名前の地形回避レーダーとは異なります。地形回避システムは水平方向にスキャンして地図のような表示を作成し、ナビゲーターはそれを使用して高地の地形を回避するルートを計画します。この 2 つの技術は、多くの場合、1 つのレーダー システムで組み合わせられています。ナビゲーターは地形回避モードを使用して、谷などの低地の地形を通過する理想的なルートを選択し、次に TFR モードに切り替えて、そのルートを最低高度で飛行します。

このコンセプトは、1950年代にコーネル大学航空研究所で最初に開発された。1959年にフェランティ社でTSR-2機で使用するために初めて量産型が製造され、 1962年にイングリッシュ・エレクトリック社のキャンベラ試験場で初飛行した。^{[2] [3]} TSR-2プロジェクトは最終的に中止されたが、このコンセプトは1960年代と70年代の攻撃機や阻止機に広く配備され、ジェネラル・ダイナミクスF-111、パナビア・トーネード、スホーイSu-24「フェンサー」などが含まれていた。 1990年代を通じてステルス機技術が広く導入されたことで、対空兵器を回避するための解決策として低高度飛行が減ったため、この技術はもはや一般的ではなくなった。このクラスの航空機のほとんどは退役したが、Su-24とトーネードはまだ一定数使用されている。

このシステムは、レーダーが上下にスキャンしながら、ペンシルビーム レーダー信号を航空機の前方の地面エリアに向けて送信することによって機能します。 ^[4]信号は一連の短いパルスとして送信され、これらのパルスが地面から反射すると非常に強力な反射が生成されます。パルスが地形を往復するのにかかる時間から、航空機の前方の地形までの距離が測定されます。^[5]航空機に対する角度は、較正された電圧を返す垂直ジンバルのセンサーによって返されます。^[6]

レーダーがパルスを送信しているのと同時に、ファンクションジェネレーターは好ましい操縦曲線を表す変動電圧を生成しています。これはスキージャンプ台に似た形状で、航空機の下は平らで、前方に向かって上向きにカーブしています。この曲線は、航空機が一定の重力加速度で操縦している場合にとる経路を表し、航空機の下の平らな部分は前方に少し伸びており、制御ラグのためにその操縦を開始する前に航空機が直線で移動する距離を表しています。結果として得られる複合曲線は、パイロットが選択した望ましいクリアランス距離によって変位します。^[6]

パルスのタイミングは垂直スキャンよりもはるかに高速であるため、1つのパルスの角度は固定されています。パルスが送信されると、関数発生器がトリガーされます。戻りが検出されると、システムはその瞬間のジェネレータの出力とレーダーの角度センサーの出力を合計します。結果として得られる電圧は、実際の位置と望ましい位置の間の角度を表します。電圧が正の場合、地形が曲線の上にあることを意味し、負の場合は下にあることを意味します。^[7]この差は角度誤差として知られています。

航空機を誘導するために、これらの一連の測定が、1回の完全な垂直スキャンの期間にわたって、最大距離10キロメートル（6.2マイル）程度まで行われます。スキャン中の角度誤差の正の最大値または負の最小値が記録されます。その電圧は、選択された負荷係数で操縦しながら、地形上の所望のクリアランス高度を維持するために航空機が飛行する必要があるピッチ角の変化を表しています。^{[6]これは、}自動操縦装置に入力するか、パイロットのヘッドアップディスプレイに表示できます。このプロセスにより、一定の操縦負荷で地形上を上昇および下降する継続的に計算された経路が生成されます。^[5]

この単純なアルゴリズムの問​​題点は、計算された経路では、航空機が丘の頂上に近づくと、機体が正のピッチを維持することです。その結果、航空機は上昇しながら頂上を飛び越え、谷に向かって再び下降し始めるまでにしばらく時間がかかります。この効果は「バルーニング」として知られています。これに対処するために、実際のユニットには、より大きな変位に対して航空機がより急速に上昇する追加の項が適用されました。その結果、航空機は通常よりも早く目的のクリアランス高度に到達し、頂上に到達する前に水平飛行になりました。^[7]

レーダーは視線上にある物体しか見ることができず、他の丘の後ろにある丘を見ることはできない。飛行機が谷に突っ込んで急上昇しなければならなくなるのを防ぐため、負のG制限は一般に低く、約半分のGだった。このシステムは水上でも問題があり、レーダービームは前方に散乱し、波が高い場合を除いて飛行機にほとんど信号が返ってこなかった。このような状況では、システムは電波高度計を使用して一定のクリアランスに戻る。^[7]

地形回避は通常、相対的に行われます。つまり、物体の絶対高度は重要ではありません。場合によっては、クリアランスの量またはその欠如を示す絶対数値を提供することが望ましい場合があります。航空機に対する特定の特徴の上部の高さは、h = H - R sin φで計算できます。ここで、Hは電波高度計で測定された地上高度、φは角度、Rはレーダーで測定された距離、hは現在の飛行経路上の物体の高さです。^[8]航空機と地形の間のクリアランスは、H - hです。^[9]

TFRのコンセプトは、コーネル航空研究所で米空軍航空システム部門のために行われた研究にまで遡ります。^[7]これにより、「オートフライト」として知られるシステムが開発されました。^[10]

航空機に搭載された初期のレーダーは、ビーム幅が 4 度程度の円錐スキャンシステムを使用していました。ビームが地面に当たると、信号の一部が航空機に向かって散乱し、航空機が前方の地面までの距離を測定できるようになります。斜め下を見ると、レーダーの円形ビームの近辺と遠辺が地面で楕円形に広がります。このパターンからの反射によって「ブリップ」が生成され、レーダー ディスプレイ上で同様に広がり、地形回避を行うには精度が足りませんでした。^[9]ただし、航空機の下の地面の低解像度の地図のような表示を生成するには精度が足り、戦時中にH2S レーダーが開発されました。^[11]

地形追従に必要な精度を提供するために、TFR システムはモノパルス レーダーの概念に基づく必要があります。モノパルス技術は、従来の設計と同じ幅のビームを生成しますが、多くの場合偏光を使用して無線信号に追加情報を追加します。その結果、2 つの別々の信号がわずかに異なる方向に送信され、中央で重なり合うことになります。信号を受信すると、受信機はこの追加情報を使用して信号を再び分離します。これらの信号が垂直に向いている場合、下側のビームからの信号は航空機に近い地面に当たり、以前のレーダーの場合と同様に広がったブリップを生成します。一方、上側のビームは同様のブリップを生成しますが、少し離れた場所にあります。2 つのブリップが重なり合って、拡張された楕円を生成します。^[12]

モノパルス技術の重要な特徴は、信号が非常に特殊な方法で重なり合うことです。信号の 1 つを反転して合計すると、正弦波のような電圧出力が得られます。ビームの正確な中心点は、電圧がゼロと交差する場所です。これにより、信号の中線と正確に揃い、簡単な電子機器を使用して簡単に識別できる測定結果が得られます。ゼロ交差が発生する正確な瞬間を計ることで、距離を正確に決定できます。数キロメートル離れた物体の測定では、通常、メートル単位の精度が達成されます。^[9]

コーネル大学の報告書は英国で取り上げられ、そこで新しい攻撃機の構想の基礎となり、最終的にはBAC TSR-2として登場した。TSR-2プロジェクトは1955年のGOR.339の発表とともに正式に開始され、必要な低空飛行性能を提供するためにTFRの使用がすぐに決定された。王立航空研究所は、部屋いっぱいに広がる個別電子機器を使用してシステムのシミュレーターを構築した。^[7]

同じ時期に、イギリス空軍は最新の迎撃機であるイングリッシュ・エレクトリック・ライトニングを導入していた。ライトニングには、エディンバラのフェランティが開発した世界初の航空機搭載型モノパルスレーダー、AIRPASSシステムが搭載されていた。ライトニングの場合、モノパルス信号は水平角を正確に測定するために使用され、AIRPASSコンピューターが長距離で効率的な迎撃コースを描画できるようにした。TFRで使用する場合、変更する必要があったのは、アンテナを回転させて水平角ではなく垂直角を測定することだけだった。^[12]

当然のことながら、フェランティは1957年か58年にレーダー部品の契約を獲得した。^[13]プロジェクト開始直後の1959年に、プロジェクトリーダーのガス・スコットは近くのグレンロセスにあるヒューズ・マイクロサーキットに移り、チームはグレッグ・スチュワートとディック・スターリングに引き継がれた。最初のシステムは余剰のAI.23B AIRPASSから構築され、^[14]トレーラーに取り付けてランドローバーで牽引してテストすることができた。^[15]重要な問題は、返される信号の量が地形によって大きく変わることである。建物の垂直の壁は部分的なコーナーキューブを生成し、砂や乾いた地面からの信号よりも約1000万倍強い信号を返す。急速に変化する信号に対処するために、 100 dBの範囲の自動ゲイン制御が開発された。^[9]

レーダーのビーム幅は狭く、航空機が横に吹き飛ばされたり、物体の近くで旋回を開始した場合、航空機の飛行経路の両側にある物体が潜在的な危険となる可能性がありました。これを回避するため、レーダーはO字型のパターンでスキャンし、飛行経路の8度上から12度下まで垂直にスキャンし、飛行経路の左右に数度移動しました。^[12]さらに、システムは計器から旋回速度を読み取り、スキャンパターンをさらに左または右に移動して、航空機が将来存在する地形を測定しました。^[9]

システムのテストは、フェランティ試験飛行隊の既存のDC-3 ダコタと、1961/62 年の冬からイングリッシュ エレクトリック キャンベラを使用して実施されました。試験機には、航空機の計器やレーダー ディスプレイを監視するものも含め、さまざまな方向を監視するカメラが搭載されていました。これにより、飛行後に地上でシステムを徹底的に検査することができました。各飛行は約 100 マイル以上の飛行のデータを返し、そのような飛行は 250 回以上行われました。初期のテストでは、測定値にランダム ノイズが見られ、測定値が役に立たなくなっていました。これは最終的に、地形が通常は遠くにあり、最大の増幅を必要とするスキャン パターンの最上部で、自動ゲイン制御が非常に高いゲインを使用するためであることが判明しました。これには、アンテナのサイド ローブで不要な反射が発生し、干渉を引き起こすまで増幅されるという副作用がありました。この問題は、O字型パターンからU字型パターンに移行し、上向きにスキャンするときにのみゲインが増加するようにすることで対処しました。これにより、下向きに移動するときに高ゲインに再調整されることを防ぎ、低地の地形が高ゲインでサイドローブに現れるのを回避しました。^[6]

開発中の電子機器の進歩により、当初の真空管電子機器はトランジスタ化が進み、システム全体がはるかに小型化されました。^{[12] [a]システムがさらに開発されると、より高速なテストのために}ブラックバーン・バッカニアに移されました。テストは、市内のフェランティのレーダー開発施設に近いエディンバラ空港のRAFターンハウスで行われました。 ^[9]

テスト中、レーダーは航空機の自動操縦システムに接続されておらず、すべての制御は手動で行われた。曲線は、最大負荷が 0.5 G になるように選択された。^[b]飛行経路は、AIRPASSヘッドアップ ディスプレイのドットで示された。パイロットは、航空機の速度ベクトル インジケーター (小さなリング) がドットの中央に来るまでピッチングして、計算された経路をたどった。テストでは、パイロットはすぐにシステムに自信を持つようになり、悪天候でも最小クリアランス設定で飛行することに満足していた。^[9]

パイロットがシステムに慣れるにつれ、エンジニアは選択されたクリアランスを継続的に下げていき、平均30メートル（98フィート）のクリアランスで安全かつスムーズに操作できることを実証しました。これは、山の尾根、見えない谷、さらには崖面を含む起伏の多い地形でテストされました。また、ケアン・オ・マウントやカーク・オ・ショッツ送信所のテレビアンテナ、フォース川にかかる橋、頭上の電力線などの人工物の上でも適切に誘導できることが分かりました。^[5]

コーネルの研究は早くから始まっていたが、理由はよく記録されていないが、米国でのさらなる開発は、概念が半完成の形でしばらく中断された。これは、1960 年の U-2 事件の後、劇的に変化した。この事件により、ソ連上空の高高度飛行から低高度の「侵入者」アプローチへの急速な切り替えがもたらされた。^[10]短期的には、さまざまな航空機向けに多数の地形回避レーダーが導入された。米国で最初の真の TFR はテキサス インスツルメンツのAN/APQ-101 であり、これにより同社は長年にわたって TFR のマーケット リーダーとなった。1960 年代初頭、同社はファントムIIの RF-4C バージョン、陸軍のグラマン OV-1 モホーク、およびジェネラル ダイナミクス F-111 用の高度なAN/APQ-110システム向けにTFRシステムを開発した。^[16]

さまざまな理由から、TSR-2 プロジェクトは 1965 年に中止され、代わりに同様のレーダーをベースにした同様のコンセプトのプラットフォームである F-111 が購入されました。フェランティの設計とは対照的に、APQ-110 は、計算されたカーブの降下プロファイルの G 力を 0.25 G から 1 G に変更し、常に最大 3 G のプルアップを可能にする「ハード」、「ソフト」、「ミディアム」の乗り心地設定など、いくつかの追加コントロールを提供しました。また、プライマリ ユニットが故障した場合に備えてホット バックアップを提供する 2 番目の電子機器セットと、さまざまなシステム障害が発生した場合に 3 G プルアップを実行するフェイルセーフ モードも含まれていました。

結局、F-111はTSR-2と同じく遅延とコスト超過に見舞われた。いくつかのコンセプトを検討した後、イギリス空軍は最終的にバッカニアを使用することを決定した。このプラットフォームはフェランティレーダーで広範囲にテストされていたが、この潜在的なアップグレードは採用されなかった。この状況に不満を抱いたイギリス空軍は、フランス空軍との協議を開始し、F-111に非常によく似た航空機であるBAC/ダッソーAFVGが登場した。最初の交渉が成功した後、イギリスはF-111Kのオプションを放棄した。その後まもなく、マルセル・ダッソーが積極的にプロジェクトを妨害し始め、フランスは1967年に最終的にプロジェクトを放棄した。^[17]

翌年、英国政府はより広範囲の国々との交渉を開始し、最終的にパナビア トーネードに至りました。テキサス インスツルメンツは、F-111 TFR での経験を活かして、トーネード IDS のレーダー契約を獲得しました。

地形追従レーダーは主に軍の攻撃機で使用され、非常に低い高度（時には 100 フィート/30 メートル以下）で高速飛行を可能にします。敵のレーダーによる探知や対空システムによる迎撃には目標への視線が必要なので、低空で高速飛行すると、航空機をできるだけ地形の陰に隠すことで、航空機が探知されやすい時間を最小限に抑えることができます。これは地形マスキングとして知られています。

しかし、レーダー放射は、遮蔽地形がなければ敵の対空システムによって比較的容易に検出され、航空機を標的にすることができます。したがって、地形追従レーダーの使用は、地形マスキングによる生存率の向上と、航空機が視認された場合の標的にされやすさとの間の妥協点となります。

自動化されたシステムにも限界があり、地形追従レーダーを備えたすべての航空機は、飛行できる高度と速度に制限があります。システムの応答時間、航空機の重力加速度制限、天候などの要因によって、航空機の飛行が制限されることがあります。レーダーは、すぐ近くの地形の向こう側に何があるのか​​を判断できないため、鋭い地形の尾根の上では飛行経路が「バルーニング」し、高度が不必要に高くなることがあります。さらに、無線アンテナや電柱などの障害物は、レーダーによって遅れて検出され、衝突の危険が生じる可能性があります。

複数の乗組員がいる航空機では、レーダーは通常ナビゲーターによって使用され、これによりパイロットは低空飛行という極めて集中的な作業以外の飛行の側面に集中することができます。ほとんどの航空機では、パイロットがコックピットのスイッチで乗り心地の「硬さ」を選択することもできます。これにより、航空機が地面にどれだけ近づこうとするか、パイロットに及ぼされる力を選択できます。

トルネード IDSなどの一部の航空機には 2 つの独立したレーダーがあり、小さい方のレーダーは地形追従に使用されます。ただし、フェーズド アレイレーダーを搭載したラファールなどの最新の航空機には、ビームを電子的に操作して前方と地面を監視するために使用できる単一のアンテナがあります。

地形追従レーダーは、地上の地図を作成し、その上を一定の高度で飛行したい民間航空機で使用されることがあります。

軍用ヘリコプターには地形追従レーダーが搭載されている場合もあります。ヘリコプターは速度が遅く機動性が高いため、通常は固定翼航空機よりも低空飛行が可能です。

現在では、市販の無人航空機に搭載できるシステムがあり、地中探査用の地中レーダーや磁気測定センサーを搭載できる。これは不発弾の発見や考古学の分野で活用されている。^[18]

高速低高度飛行では、地形追従レーダーを使用する以外の方法はほとんどありません。地形参照ナビゲーション システムである TERPROM は、限定的ではありますが、パッシブな地形追従機能を提供します。

• フェーズドアレイ
• アクティブ電子走査アレイ

• Blain, Bill (2011-07-24). 「TSR2 地形追従レーダーの開発 – 1959 年から 1964 年」(PDF) 。2011 年 7 月 24 日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
• メイソン、ジョン、フッド、ハロルド (1964 年 2 月 21 日)。「攻撃機は新型レーダーで敵地を突進する」。エレクトロニクス マガジン。
• スターリング、ディック、スチュワート、グレッグ（1971年4月1日） 。「地形追従レーダーの開発」。航空機工学と航空宇宙技術。43 （4）：13–15。doi ：10.1108 / eb034756。
• Mu, Jiasong; Liang, Qilian; Wang, Wei; Zhang, Baoju; Pi, Yiming (2015). The Proceedings of the Third International Conference on Communications, Signal Processing, and Systems. Springer. ISBN 9783319089911。
• フェランティのストライクおよび地形追跡レーダー。

• Ferranti Strike and Terrain Following Radar、AIRPASS II の開発と運用コンセプトの詳細を網羅した長編映画
• Krachmalnick, FM; Vetsch, GJ; Wendl, Michael (1968). 「自動地形追従のための自動飛行制御システム」(PDF) . Journal of Aircraft . 5 (2): 168–175. doi :10.2514/3.43925. 2009年2月26日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。