[Analisi speciale] Ricerca sulle capacità di riconoscimento di tre radar a banda tradizionale, comprese le bande S, C e X, nei sistemi anti-UAV

L’ampio dispiegamento di veicoli aerei senza pilota (UAV) sta rimodellando il panorama della difesa offensiva nella difesa di sicurezza a bassa quota e nei moderni scontri sui campi di battaglia. Dalla ricognizione tattica su piccola scala agli attacchi kamikaze fino agli assalti a sciame e agli attacchi a lungo raggio a livello strategico, gli UAV sono diventati un fattore cruciale che altera le dinamiche del campo di battaglia. Essendo la "prima linea di difesa" nei sistemi anti-UAV, la selezione della banda dei radar determina direttamente l'efficienza di identificazione dei bersagli UAV e la velocità di risposta delle catene di difesa. Caratterizzate rispettivamente da proprietà elettromagnetiche distinte, le tre bande radar principali – S, C e X – coprono scenari applicativi differenziati e soglie di capacità per il rilevamento UAV. Sia che si tratti di grandi UAV integrati da ricognizione o di droni in miniatura di livello consumer, che operino in ambienti complessi di contromisure elettromagnetiche o condizioni meteorologiche estreme, l’adattabilità tecnica, i meriti tattici e gli inconvenienti operativi pratici dei radar in diverse bande esercitano profondi impatti sulla logica di costruzione e sulle strategie di allocazione delle risorse dei sistemi di difesa anti-UAV.

1. Caratteristiche e differenze dei radar in banda S, C e X

L'identificazione di veicoli aerei senza pilota (UAV) da parte dei radar è essenzialmente un processo che prevede la trasmissione di onde elettromagnetiche di bande di frequenza specifiche, la ricezione di segnali di eco riflessi dai bersagli, l'estrazione di parametri caratteristici fondamentali come la distanza del bersaglio, la velocità, l'assetto e la sezione trasversale del radar (RCS) attraverso l'elaborazione del segnale e quindi il completamento del rilevamento del bersaglio, del tracciamento della traiettoria e della discriminazione degli attributi. La classificazione delle bande S, C e X deriva dalle differenze nelle gamme di frequenza dello spettro elettromagnetico. Tali differenze influenzano direttamente le loro prestazioni in indicatori chiave tra cui caratteristiche di propagazione, larghezza del fascio, risoluzione e capacità anti-interferenza e, in definitiva, definiscono il limite della loro capacità di identificare vari tipi di UAV. In base alla logica fondamentale dell'equazione della portata del radar, la portata di rilevamento è correlata positivamente alla potenza di trasmissione e al guadagno dell'antenna, correlata negativamente al segnale minimo rilevabile e proporzionale a un quarto della potenza dell'RCS target. Le proprietà elettromagnetiche delle diverse bande di frequenza esercitano un impatto su questi parametri critici, determinando una differenziazione graduale delle capacità di identificazione dei bersagli.

Nello specifico, la banda S copre una gamma di frequenze compresa tra 2 e 4 GHz con lunghezze d'onda di 10-15 centimetri, rientrando nella banda delle onde medie. Il suo vantaggio principale risiede nella bassa perdita di propagazione delle onde elettromagnetiche nell’atmosfera, con un coefficiente di attenuazione di soli 0,01–0,03 dB/km, che offre una forte capacità di penetrazione. La banda C opera a frequenze di 4–8 GHz con lunghezze d'onda di 3,75–7,5 centimetri, posizionandosi nella zona di transizione tra onde medie e corte, raggiungendo un equilibrio tra perdita di propagazione (0,05–0,1 dB/km) e risoluzione. La banda X si estende su frequenze di 8-12 GHz con lunghezze d'onda di 2,5-3,75 centimetri, classificate come banda a onde corte. Presenta un'ampiezza di fascio ridotta e una risoluzione della portata migliore di 1 metro, ma soffre di una perdita di propagazione atmosferica notevolmente maggiore (0,1–0,3 dB/km) ed è molto più suscettibile alle condizioni meteorologiche come pioggia, neve e nebbia. Queste caratteristiche distintive della banda corrispondono direttamente ai requisiti fondamentali del rilevamento dei droni: la banda S è ottimale per l'allarme precoce a lungo raggio, la banda C si concentra sull'identificazione equilibrata a medio raggio e la banda X è specializzata nel tracciamento a corto raggio ad alta precisione. Insieme, le tre bande formano un sistema di capacità naturalmente complementare.

Vale la pena notare che esiste una relazione interattiva critica tra le caratteristiche RCS dei veicoli aerei senza pilota (UAV) e la selezione della banda d'onda. I dati pubblici mostrano che l’RCS dei micro-UAV può essere compreso tra 0,001 e 0,005 metri quadrati, l’RCS dei piccoli UAV è di circa 0,01-0,02 metri quadrati e l’RCS dei grandi UAV integrati da ricognizione è pari a circa 0,1 metri quadrati. Derivato dall'equazione della portata del radar, quando l'RCS del bersaglio scende da 0,1 metri quadrati a 0,01 metri quadrati, il raggio di rilevamento dello stesso radar verrà ridotto di oltre il 40%; se l'RCS scende ulteriormente a 0,001 metri quadrati, il campo di rilevamento si ridurrà di oltre il 60%. Questa regola determina direttamente che l'alta risoluzione della banda X è più adatta per identificare micro-UAV a basso RCS, mentre il vantaggio di rilevamento a lungo raggio della banda S la rende più adatta per agganciare bersagli UAV di grandi dimensioni.

2.Vantaggi, svantaggi e scenari applicabili dei tre principali radar in banda d'onda

(I) Radar in banda S: il "sentinella a bassa quota" per l'allarme precoce su un'ampia area

I punti di forza principali del radar in banda S risiedono nella sua duplice caratteristica di rilevamento a lunga distanza e forte adattabilità ambientale. Beneficiando di una bassa perdita di propagazione atmosferica, è in grado di rilevare veicoli aerei senza pilota (UAV) con un RCS di 0,1 metri quadrati a una distanza compresa tra 15 e 25 chilometri, e il suo raggio di rilevamento per grandi UAV con un RCS di 1 metro quadrato può anche superare i 30 chilometri. Può coprire efficacemente zone di protezione su vasta scala come le linee di confine, le periferie delle basi militari, le centrali nucleari e i grandi parchi industriali, fornendo al sistema di difesa una finestra di allerta precoce da 3 a 8 minuti, sufficiente per supportare lo spiegamento e la risposta delle armi di intercettazione. Nel frattempo, le onde elettromagnetiche della banda S vantano una penetrazione molto più forte in condizioni meteorologiche avverse tra cui pioggia, neve e foschia rispetto alle onde della banda X. In caso di precipitazioni di 20 millimetri all'ora, il suo raggio di rilevamento si attenua solo dal 10% al 15%, consentendo il funzionamento continuo in qualsiasi condizione atmosferica e in qualsiasi momento senza interferenze significative da parte della luce e delle variazioni meteorologiche. In termini di identificazione multi-bersaglio, grazie all’ampio margine di potenza e alla larghezza di banda di elaborazione del segnale, il radar in banda S può tracciare dozzine o addirittura centinaia di bersagli aerei simultaneamente, garantendogli la capacità fondamentale di contrastare attacchi UAV in sciame su piccola scala.

Tuttavia, i suoi svantaggi sono altrettanto evidenti e insostituibili. Innanzitutto, la risoluzione è relativamente bassa. A causa della sua lunga lunghezza d'onda, l'ampiezza del fascio varia generalmente da 1 a 2 gradi, rendendo difficile catturare con precisione le caratteristiche dettagliate dei piccoli veicoli aerei senza pilota (UAV). È estremamente difficile identificare i micro-UAV con una sezione radar (RCS) inferiore a 0,1 metri quadrati ed è incline a confonderli con bersagli a bassa quota come uccelli e palloni aerostatici. In secondo luogo, l’interferenza dei disturbi a bassa quota è grave. In terreni complessi, tra cui gruppi di edifici urbani e aree montuose, i segnali di disturbo riflessi dal suolo condividono caratteristiche di frequenza simili con i segnali di eco degli UAV, aumentando il tasso di falsi allarmi. Anche algoritmi avanzati come Moving Target Indication (MTI) e Pulse Doppler (PD) non sono in grado di filtrare completamente le interferenze generate dai disturbi. In terzo luogo, l'apparecchiatura è caratterizzata da grandi dimensioni e da un elevato consumo energetico. L'antenna di un tipico radar ad allineamento di fase in banda S solitamente copre un'area compresa tra 2 e 5 metri quadrati e pesa diverse tonnellate. Il suo dispiegamento mobile richiede veicoli dedicati o posizioni fisse, non riuscendo a soddisfare le esigenze della difesa mobile tattica in prima linea. Pertanto, i radar in banda S sono più adatti per l'allarme precoce su vasta area in posizioni strategiche e operative fisse, fungendo da "occhi a lungo raggio" dei sistemi di difesa anti-UAV.

(II) Radar in banda C: un tuttofare versatile con prestazioni bilanciate
Caratterizzato da prestazioni bilanciate come attributo principale, il radar in banda C raggiunge un equilibrio ottimale tra raggio di rilevamento e precisione di identificazione, rendendolo l'opzione principale per i sistemi di difesa anti-UAV di piccole e medie dimensioni. Può rilevare UAV con un RCS di 0,1 metri quadrati da 8 a 15 chilometri di distanza e micro-UAV con un RCS di 0,01 metri quadrati a una distanza di circa 4-6 chilometri, un livello di prestazioni tra i radar in banda S e in banda X. Può soddisfare i requisiti di protezione di aree di medie dimensioni come parchi industriali, parchi logistici e sedi di grandi eventi, e fungere anche da componente di copertura delle lacune a medio e corto raggio nei sistemi di difesa su larga scala. Rispetto al radar in banda S, il radar in banda C ha una lunghezza d'onda più corta e la larghezza del suo raggio può essere ridotta da 0,5 a 1 grado, offrendo una risoluzione notevolmente migliorata. Può tracciare l’assetto di volo e la traiettoria degli UAV con maggiore precisione, raggiungendo una precisione di identificazione superiore all’85% per gli UAV di piccole e medie dimensioni. Rispetto al radar in banda X, subisce una minore attenuazione della propagazione atmosferica. Sotto una pioggia di 20 millimetri all'ora, il suo raggio di rilevamento diminuisce solo dal 20% al 25%, garantendogli una maggiore adattabilità alle condizioni meteorologiche e prestazioni di identificazione più stabili in condizioni meteorologiche avverse.

I limiti della banda C si riflettono principalmente in due aspetti. Innanzitutto, rimane la pressione nel filtrare i disturbi a bassa quota. Sebbene superino le prestazioni della banda S, i segnali di disturbo possono comunque compromettere la precisione dell'identificazione in ambienti complessi come gruppi di edifici densi e aree boscose. Per ridurre il tasso di falsi allarmi sono necessarie tecnologie di fusione multisensore come l’integrazione radar-elettro-ottica e l’integrazione radar-acustica. In secondo luogo, la sua capacità anti-interferenza elettromagnetica è moderata. Poiché la banda C è una banda di frequenza comune per l'aviazione civile e le comunicazioni satellitari, è suscettibile alle interferenze dei segnali elettromagnetici civili. In ambienti con intense contromisure elettromagnetiche, i suoi segnali sono vulnerabili alla soppressione o all’inganno, minando l’identificazione stabile dei bersagli dei droni. Inoltre, i radar in banda C presentano dimensioni e livello di consumo energetico compresi tra quelli dei radar in banda S e X, consentendo l'implementazione mobile montata su veicoli. Tuttavia, non hanno sufficiente mobilità e flessibilità rispetto ai radar portatili in banda X. Nel complesso, le prestazioni bilanciate dei radar in banda C offrono la più ampia adattabilità; possono costruire in modo indipendente sistemi di difesa anti-drone di piccole e medie dimensioni e possono anche essere integrati in grandi reti di difesa per ottenere una complementarità coordinata.

(III) Radar in banda X: "cacciatori a corto raggio" per l'identificazione di precisione

Sfruttando le caratteristiche della lunghezza d'onda corta, i radar in banda X rappresentano la soluzione principale per l'identificazione precisa dei droni e la guida all'intercettazione a corto raggio, con i loro punti di forza principali che risiedono nella doppia innovazione dell'alta risoluzione e delle robuste prestazioni anti-disturbo. Grazie alle loro lunghezze d'onda estremamente corte, l'ampiezza del fascio può essere ridotta a 0,1–0,5 gradi e la risoluzione della portata può raggiungere entro 0,5 metri. Possono distinguere chiaramente le caratteristiche dettagliate di piccoli droni come i profili di forma e il numero dei rotori e persino identificare con precisione i micro-droni con un RCS di soli 0,01 metri quadrati a una distanza di 3 chilometri. Mostrano un'eccezionale efficienza di identificazione contro bersagli bassi, lenti e piccoli, inclusi i droni suicidi FPV e le munizioni vaganti. Ancora più importante, i radar in banda X possono estrarre le tracce di frequenza micro-Doppler generate dalla rotazione dei rotori dei droni per distinguere con precisione i droni in bilico da oggetti interferenti come i disturbi del terreno e gli uccelli. Ad esempio, il radar XENTA-C della Danimarca raggiunge una precisione di identificazione superiore al 95% per i droni in volo rilevando i segnali micro-Doppler del rotore, affrontando in modo efficace il punto critico fondamentale dell'identificazione di piccoli bersagli a bassa quota.

Il suo più grande punto debole risiede nel suo raggio di rilevamento corto, che è significativamente influenzato dalla perdita di propagazione atmosferica e dalle condizioni meteorologiche: il raggio di rilevamento per gli UAV con un RCS di 0,1 metri quadrati è di soli 6-10 chilometri, mentre il raggio di rilevamento per i micro-UAV con un RCS di 0,01 metri quadrati è inferiore a 3 chilometri, rendendolo adatto solo per scenari di protezione a corto raggio come zone libere di aeroporti, aree centrali di strutture critiche e luoghi di eventi su larga scala. In condizioni meteorologiche avverse, il degrado delle prestazioni del radar in banda X è più evidente. Quando le precipitazioni raggiungono i 20 mm all'ora, il campo di rilevamento può diminuire dal 40% al 50% e può addirittura ridursi di oltre il 60% in caso di tempo nebbioso. Nel frattempo, è suscettibile alle interferenze elettromagnetiche e la sua stabilità operativa in ambienti elettromagnetici complessi si basa su tecnologie anti-interferenza come il salto di frequenza e lo spettro diffuso. Tuttavia, i radar in banda X vantano notevoli vantaggi in termini di volume e consumo energetico. La dimensione dell’antenna dei radar miniaturizzati in banda X può essere ridotta a meno di 0,5 metri quadrati con un peso inferiore a 100 chilogrammi e possono anche essere implementati in modo portatile per soddisfare le esigenze di difesa a livello tattico per le squadre di prima linea e le applicazioni mobili montate su veicoli. Di conseguenza, i radar in banda X sono più applicabili all'identificazione tattica precisa a corto raggio e alla guida all'intercettazione, fungendo da "ultima linea di difesa" nei sistemi di difesa anti-UAV.