Ocena skuteczności radarowego wykrywania dronów - zastosowanie symulacji komputerowych

Autor: Przemysław Turos - Doradca ds. Cyfrowej Inżynierii Misji, firma Symkom

Ewolucja zagrożenia

Seria incydentów z udziałem rosyjskich dronów, które naruszyły polską przestrzeń powietrzną lub których szczątki odnaleziono na terenie kraju, stanowi niepokojący sygnał i bezpośrednie wyzwanie dla bezpieczeństwa narodowego. 

W nocy z 9 na 10 września 2025 roku kilkanaście bezzałogowców naruszyło polską przestrzeń powietrzną podczas ataku na Ukrainę. Drony Shahed-136 (Geran-2) czy Gerbera wlatywały na polskie terytorium zarówno z kierunku Ukrainy, jak i bezpośrednio z terytorium Białorusi. 

Kilka dronów zostało zestrzelonych, a incydent wywołał silną reakcję władz polskich. Takie incydenty niosą ze sobą ryzyko działań rozpoznawczych, prowokacyjnych, a potencjalnie nawet dywersyjnych. Te wydarzenia unaoczniają, że tradycyjne podejście do obrony powietrznej, skoncentrowane głównie na załogowych statkach powietrznych i pociskach manewrujących, musi podlegać adaptacji do nowej formy zagrożenia.

Wyzwanie: proliferacja małych i niskowykrywalnych celów

Wyzwanie jakiemu sprostać mają systemy sensoryczne potęguje gwałtowny rozwój technologii bezzałogowych. Współczesne drony, w szczególności małe i średnie UAV wykorzystywane do celów rozpoznawczych i uderzeniowych, charakteryzują się zmniejszonymi sygnaturami w porównaniu do klasycznych samolotów. 

Dzięki zastosowaniu lekkich kompozytów, małych silników elektrycznych oraz specyficznych kształtów, ich skuteczny przekrój radarowy (RCS) jest minimalny. Utrudnia to ich wykrycie przez konwencjonalne systemy radiolokacyjne, projektowane z myślą o większych celach.

Ponadto, dynamika innowacji w zakresie UAV jest wyjątkowo szybka. Ciągła proliferacja nowych modeli – od tanich, komercyjnych dronów modyfikowanych na potrzeby wojskowe, po zaawansowane drony typu stealth – sprawia, że biblioteki sygnatur celów stają się przestarzałe niemal natychmiast po ich utworzeniu. 

Ta ciągła ewolucja nowych platform bezzałogowych tworzy lukę w skuteczności wykrywania, wymagającą od sił zbrojnych nieustannego dostosowywania i modernizowania systemów obrony powietrznej krótkiego i bardzo krótkiego zasięgu. Niska wykrywalność i zmienność taktyk użycia dronów stanowią obecnie jedno z największych wyzwań dla operatorów radarów.

Rola symulacji komputerowych w odpowiedzi na zagrożenie

W świetle tych wyzwań, kluczowe staje się poszukiwanie innowacyjnych i efektywnych kosztowo metod wsparcia procesów decyzyjnych oraz projektowania systemów obronnych. 

Niniejszy artykuł koncentruje się na roli zaawansowanych symulacji komputerowych jako niezbędnego narzędzia do rozwiązania problemu niskiej wykrywalności UAV.

Wykorzystanie symulacji, w tym modelowania przekroju radarowego (RCS) dla nowych i hipotetycznych platform UAV oraz kompleksowych symulacji na poziomie misji (z użyciem Ansys STK), oferuje unikalną możliwość. Pozwala ona na wirtualne testowanie skuteczności istniejących i projektowanych systemów radiolokacyjnych w realistycznych warunkach geograficznych i taktycznych – bez konieczności kosztownych i czasochłonnych testów polowych. 

Symulacje umożliwiają:

• precyzyjne modelowanie sygnatur radarowych (w tym RCS) z dużą dokładnością, co jest kluczowe dla kalibracji radarów. 
• dogłębną analizę wpływu walki elektronicznej (EW) 
• optymalizację taktyki użycia radarów – takich jak: rozmieszczenie systemów, dobór parametrów pracy, czy opracowanie ścieżek lotu dla własnych maszyn w celu minimalizacji ryzyka wykrycia. 

W efekcie, symulacje komputerowe stają się niezastąpionym wsparciem w projektowaniu systemów, prognozowaniu zagrożeń i rozwoju taktyki ich użycia, umożliwiając skuteczną odpowiedź na dynamicznie zmieniający się krajobraz zagrożeń bezzałogowych.

Poniżej opisano wieloetapowe podejście do wykorzystania symulacji inżynierskich w analizie skuteczności wykrywania dronów przez systemy radiolokacyjne.

Krok 1: zbieranie danych pod kątem modelowania RCS

Faza zbierania danych stanowi absolutny fundament całego procesu i ma kluczowe znaczenie dla pozyskania kompleksowych informacji niezbędnych do precyzyjnego modelowania RCS. 

Pierwszym krokiem jest selekcja typów statków powietrznych. Należy określić obiekty, dla których będą gromadzone dane, preferując maszyny o zróżnicowanych kształtach, materiałach i rozmiarach, co zapewni reprezentatywność tworzonych modeli. Jest to szczególnie istotne w odniesieniu do typów aktualnie wykorzystywanych oraz planowanych do wdrożenia, zarówno po stronie NATO, jak i sił przeciwnika.

Gromadzenie danych może odbywać się za pomocą różnorodnych metod:

• pomiary laboratoryjne, mające na celu precyzyjne określenie cech materiałów wpływających na RCS w kontrolowanych warunkach. 
• dane materiałowe pozyskiwane z dostępnych źródeł, takich jak bazy (Ansys Granta Selector), dostarczające informacji o właściwościach materiałów istotnych dla modelu RCS. 
• dane projektowe i konstrukcyjne: informacje o geometrii statków powietrznych, zastosowanych materiałach (w tym materiałach pochłaniających fale radarowe – RAM), a także rozmieszczeniu elementów konstrukcyjnych oraz wyposażenia wewnętrznego i zewnętrznego. 

Na bazie zebranych danych następuje tworzenie modeli 3D statków powietrznych przy użyciu narzędzi takich jak Ansys Discovery. Opracowane lub zaadaptowane modele muszą być szczegółowe, uwzględniając geometrię, strukturę wewnętrzną (w uzasadnionych przypadkach) oraz właściwości materiałowe. Cały proces powinien być uzupełniony odpowiednimi procesami zarządzania i walidacji danych, co oznacza stworzenie zorganizowanej bazy danych dla wszystkich zebranych informacji oraz opracowanie precyzyjnych procedur w celu weryfikacji ich spójności i dokładności.

Krok 2: modelowanie przekrojów radarowych (Ansys Electronics Desktop – HFSS SBR+)

Drugi etap procesu, koncentrujący się na modelowaniu przekrojów radarowych przy użyciu oprogramowania Ansys Electronics Desktop – HFSS SBR+, jest kluczowy dla tworzenia cyfrowych reprezentacji RCS na podstawie wcześniej zebranych danych.

Struktura, której RCS ma zostać obliczony – czy to statek powietrzny, pocisk rakietowy, czy inny obiekt – jest definiowana w środowisku programu jako szczegółowy obiekt 3D. Niezbędne jest, aby każdy element tej struktury miał przypisane właściwości materiałowe, uwzględniające ich wpływ na odbicie i pochłanianie fal elektromagnetycznych, co jest fundamentalne dla dokładności symulacji. Modelowanie uzupełnia właściwa konfiguracja urządzeń radiolokacyjnych, które odpowiadają systemom planowanym do użycia.

Ansys HFSS to także zaawansowane narzędzie do symulacji elektromagnetycznej 3D, wykorzystujące Metodę Elementów Skończonych, które pozwala na precyzyjne modelowanie, projektowanie i analizę złożonych struktur antenowych oraz ich charakterystyk w szerokim zakresie częstotliwości.

Dzięki swojej dokładności i możliwości symulowania wpływu otoczenia oraz zjawisk sprzęgania, HFSS stał się branżowym standardem niezbędnym do weryfikacji wydajności anten przed ich fizyczną realizacją, skracając cykl projektowy i minimalizując koszty związane z budową prototypów.

Krok 3: wykorzystanie RCS w symulacji wykrywania celów (Ansys STK Pro / Ansys STK Premium Air)

Kolejna faza obejmuje wykorzystaniu RCS w symulacji wykrywania celów przy użyciu narzędzi Ansys STK Pro / Ansys STK Premium Air, integruje opracowane wcześniej modele RCS na zaawansowanym poziomie misji. Opracowane modele RCS (lub całe biblioteki) stanowią kluczowy element tych symulacji. 

Proces rozpoczyna się od symulacji warunków geograficznych, gdzie uwzględnia się różnorodne typy terenu (takie jak rzeźba terenu, pokrycie, zabudowa oraz zjawiska meteorologiczne (deszcz, śnieg, mgła), które mają bezpośredni wpływ na skuteczność wykrywania. Ich wpływ na propagację fal radarowych, w tym zjawiska rozpraszania, tłumienia i odbić, jest modelowany w celu dokładnego odwzorowania wpływu otoczenia. 

Równolegle prowadzona jest symulacja warunków taktycznych, polegająca na modelowaniu dynamicznych scenariuszy operacyjnych. Obejmują one ruch statków powietrznych (ich manewry, prędkość, wysokość), rozmieszczenie i działanie systemów radiolokacyjnych, obecność innych obiektów.  

Kolejnym krokiem jest generowanie sygnałów radarowych. Symulacja ta uwzględnia odbierane sygnały radarowe wraz z ich modulacją, szumami, zakłóceniami, a także szczegółowymi cechami sygnatury celu, takimi jak rozrzut sygnału i efekt Dopplera. Całość procesu spina integracja modeli RCS: opracowane wcześniej cyfrowe reprezentacje RCS są włączane do symulacji jako fundamentalna cecha symulowanych celów powietrznych, co pozwala na realistyczną ocenę ich wykrywalności w złożonym środowisku misji.

Należy wspomnieć, że Ansys STK Premium Air obsługuje udoskonalony import rzeczywistych trajektorii statków powietrznych. Na bazie trajektorii (np. dostarczanych przez systemy śledzenia) budowane są modele osiągów statków powietrznych, które stają się podstawą dla modelowania kolejnych profili lotu i modelowania trajektorii. Trajektorie można teraz również dodawać do istniejących profili planu lotu, a nawet dostosowywać i przenosić do innych lokalizacji geograficznych. Dzięki tym możliwościom wierniej i szybciej odtwarza się taktykę użycia różnych typów statków powietrznych.

Krok 4: badania skuteczności systemów radiolokacyjnych i walki elektronicznej (Ansys STK Pro / Ansys STK Premium Air)

Następny etap procesu koncentruje się na analizie i optymalizacji wyników uzyskanych z symulacji. Badania skuteczności systemów radiolokacyjnych i walki elektronicznej (EW), przeprowadzane w środowisku Ansys STK Pro / Ansys STK Premium Air, dostarczają krytycznych informacji dla doskonalenia technologii i procedur.

Analiza wskaźników wykrywalności polega na:

• szczegółowej ocenie prawdopodobieństwa wykrycia celów w zróżnicowanych warunkach, 
• określeniu zasięgu detekcji oraz dokładności, z jaką systemy są w stanie ustalić pozycję i prędkość obiektu. 
• badaniu wpływu środowiska i taktyki. Analizuje się, w jaki sposób warunki geograficzne, przyjęta taktyka działania celów (np. manewry) oraz rozmieszczenie systemów radiolokacyjnych (zarówno naziemnych, jak i pokładowych) wpływają na ogólną skuteczność ich działania.

Kluczowym aspektem jest modelowanie działań walki elektronicznej (EW). Faza ta obejmuje symulację wpływu różnych technik EW, w tym zakłóceń aktywnych (jamming) i pasywnych, na zdolność radarów do poprawnego funkcjonowania. Ostateczne wnioski z symulacji wykorzystuje się do optymalizacji projektów systemów i adaptacji taktyki. Pozwala to na identyfikację słabych punktów w istniejących systemach radiolokacyjnych oraz na projektowanie nowych, bardziej efektywnych rozwiązań. Wreszcie, wyniki te są niezbędne do rozwoju strategii i taktyk, umożliwiając opracowanie optymalnych procedur operacyjnych – zarówno dla pilotów i operatorów (np. definiowanie ścieżek lotu minimalizujących wykrywalność), jak i dla operatorów radarów (np. optymalny dobór parametrów pracy radarów).

Krok 5: analiza danych z oblotów systemów radiolokacyjnych (Ansys STK Test and Evaluation Tool Kit)

Analiza Danych z Oblotów Systemów Radiolokacyjnych (wykonywana w narzędziu Ansys STK Test and Evaluation Tool Kit) jest elementem dodatkowym i opcjonalnym, choć ma dużą wartość jako samodzielny proces. Ta złożona i wieloetapowa analiza ma na celu ocenę i optymalizację działania radaru. 

Proces rozpoczyna się od szczegółowego przygotowania danych: kluczowa jest synchronizacja czasowa danych pochodzących z różnych sensorów (takich jak radar, GPS i INS), co jest niezbędne dla precyzyjnej analizy. Następuje także inspekcja wstępna i weryfikacja w celu sprawdzenia kompletności i spójności danych oraz upewnienia się, że wszystkie sensory działały poprawnie podczas oblotu.

Kolejnym krokiem jest ocena skuteczności systemu radiolokacyjnego. Wymaga ona precyzyjnej wiedzy o pozycji i orientacji platformy lotniczej, co umożliwia właściwą interpretację danych radarowych i ocenę szeregu parametrów, w tym: zasięgu detekcji (maksymalnego dystansu wykrycia celu), dokładności pomiaru pozycji celów (porównanie pozycji zmierzonych z rzeczywistymi, w odniesieniu do odległości, ekspozycji czy profilu lotu), odporności na zakłócenia (naturalne i EW) oraz rozdzielczości (zdolności do rozróżniania blisko położonych celów w odległości i kącie). Cały proces kończy raportowanie i wizualizacja, polegające na sporządzaniu szczegółowych raportów z wnioskami i rekomendacjami, a także wizualizacji danych w formie graficznej (np. wizualizacja 3D), co znacznie ułatwia zrozumienie złożonych wyników i identyfikację potencjalnych problemów.

Podsumowanie

Opisywane powyżej kompleksowe podejście do zagadnienia zastosowania symulacji inżynierskich w analizie skuteczności wykrywania dronów przez systemy radiolokacyjne jest z założenia multidyscyplinarne. Obejmuje modelowanie przekrojów radarowych (RCS) statków powietrznych, wykorzystanie tych modeli w symulacji wykrywania celów w różnorodnych warunkach oraz badanie skuteczności systemów radiolokacyjnych i walki elektronicznej. Podejście wymaga ścisłej współpracy ekspertów z dziedzin takich jak inżyniera materiałowa, radiolokacja, lotnictwo, informatyka, analiza danych i inżynieria systemów. Stanowi natomiast cenne uzupełnienie podejścia opartego na pomiarach laboratoryjnych i próbach w locie.

ZOBACZ, JAK TO DZIAŁA W PRAKTYCE

Dowiedz się więcej na temat zastosowania oprogramowania do Cyfrowej Inżynierii Misji.

Weź udział w bezpłatnym webinarze prowadzonym przez ekspertów Symkom i Wojskowej Akademii Technicznej - ”Cyfrowa Inżynieria Misji (DME) dla platform naziemnych, lotniczych i kosmicznych”

Data: 27 listopada 2025 ZAREJESTRUJ SIĘ

Artykuł sponsorowany