Familia de Radares Tácticos AN/TPS-43/70/75/78/703

 

(Americamilitar.com) - Autor: JC65/Octubre 2016Antecedentes: La empresa norteamericana Westinghouse (actualmente Northrop Grumman) diseño en la década de los 60s un radar en banda S para las funciones tácticas de avanzada de las fuerzas armadas norteamericanas, que llegaría a ser el estándar a compararse para cualquier radar móvil en el mundo. El AN/TPS-43.

Dentro de la nomenclatura de equipos electrónicos militares norteamericanos, las siglas TPS denotan precisamente a un radar que sea fácilmente transportable, y tenga como función principal la búsqueda aérea volumétrica  a medio y largo alcance desde un ambiente terrestre.

La escogencia de la banda S, en particular el rango de frecuencias de entre 2.8 y 3.1 GHz, es decir una longitud de onda decimétrica, se justificó como una solución de compromiso entre el largo alcance requerido y las relativas pequeñas dimensiones de una antena de alta ganancia que pudiese replegarse fácilmente para su transporte aéreo vía un C-130 Hércules.

El diseño fue tan exitoso que ya para el año 2001 eran más de 212 los radares de la serie TPS-43/70/75  producidos, y hoy día se siguen fabricando en la forma del moderno TPS-78, con un costo relativamente muy bajo dentro de lo que al mundo de radares 3D de largo alcance se refiere, menos de 8 millones de US$ para el modelo 70 (en el 2001).

De resaltar que si bien orientado como radar táctico móvil para las fuerzas armadas de USA, para otras naciones su uso debe calificarse como de estratégico.

Conociendo a la familia

La arquitectura bajo la cual se diseño el TPS-43, se ha mantenido a lo largo de toda la familia, evolucionando, eso sí, para aprovechar los adelantos tecnologicos  a nivel de electronica y software. Esta es búsqueda en el cielo a través del movimiento mecánico rotacional en azimuth, y  6 haces simultaneos sobrepuestos en la vertical para la deteminación de la altura mediante técnicas monopulso. Esto garantiza largos periodos de tiempo en la iluminación de todos los objetivos, independientemente de su cota vertical, hasta los 20º, que obviamente esta optimizada a la detección a largo alcance en vez de la de corto alcance a gran inclinación.

Esta filosofía es denominada de stacked-beams o fan beam, la cual es contraria a la de pencil-beam, mas común en la mayoría de los radares de largo alcance. Ambas presentan ventajas y desventajas que se escapan al alcance de este breve artículo, pero que pueden inferirse de la siguiente gráfica:

Northrop Grumman-JC65

Otro aspecto común en la familia es lo que el fabricante denomina como “antena fría”, esto es la ausencia de elementos electrónicos de alta potencia en la misma, tales como módulos T/R, amplificadores o phase-shifters de potencia. Esto resulta ventajoso en cuanto que hace dificil su detección por medio de sistemas electropticos del enemigo, asi como que posibilita que dicha antena sea extremadamente liviana al no requerir elementos de refrigeración, contribuyendo notablemente a su portatibilidad y supervivencia en el campo de batalla.  Como contrapartida esto hace que estas antenas generan una forma de haz fija para cada frecuencia de trabajo, lo que asu vez limita el ancho de banda instantaneo de la misma, aspecto negativo a la hora de plantear medidas anti-ECM.

Otra consecuencia de este diseño es la ubicación de los sistemas de transmisión y amplificación de potencia, recepción y procesamiento, alejados de la antena, debiendo la señal en radiofrecuencia viajar desde esta, a través de la junta rotatoria y guías de ondas, hasta el contenedor  de los equipos electrónicos, generandose grandes pérdidas en dicha señal. En el camino de transmisión esto se puede compensar mediante amplificadores de mayor potencia, en el camino de la recepción esto es algo mas dificil de paliar. El aspecto positivo de esto es que se mejora la mantenibilidad de la electrónica al estar ubicada en un lugar de ambiente controlado.

 Por último se ha de mencionar que desde un principio se proyectó que estos radares contaran con características de alta capacidad de funcionamiento bajo ambientes de alta hostilidad, así que todos poseen gran capacidad de discriminación ante interferencias naturales y provocadas (clutter y jamming), detección y discriminación de objetos en movimiento mediante análisis doppler (MTI y MTD), agilidad de frecuencia pulso a pulso, agilidad de PRF (stagger), intramodulación del pulso por fase, técnicas de reducción de falsas alarmas (CFAR), y selección de trasmisión basado en el analisis de interferencias (JATS).

AN/TPS-43

Wikimedia commons

El miembro original de la familia se caracteriza por una antena paraboloide con un alimentador o feeder múltiple en su foco, responsable de generar en trasmisión, un haz amplio en la vertical (de 20º) y patrón cosecante cuadrado, pero muy angosto en el azimuth (poco mas de 1º). En recepción se discriminan 6 haces sobrepuestos, mediante 6 canales independientes., mas un canal dedicado a la reducción del haz o lóbulo de energía proveniente del eco terrestre (sidelobe blanking) .

El cálculo de la altura del objetivo detectado se realiza mediante la comparación de las magnitudes de su señal en los distintos canales de recepción (monopulso por magnitud), y la identificación amigo-enemigo  (IFF) corre a cargo de 2 canales adicionales (en banda L). 

La etapa amplificadora final del módulo único de transmisión consiste de un tubo de vacío del tipo Klystron, de 2.8 MW de potencia pico, 6700 W en promedio. Los pulsos de trasmisión podían durar hasta 6.5 microsegundos con un PRF de 250 Hz. Mientras que la velocidad de rotación de la antena es de 6 r.p.m.

Para su transporte, la antena se repliega y junto a su base conforman un contenedor de menos de 3400 Kg, similar a otro contentivo de los componentes electrónicos.

El proceso de repliegue y movilización de uno de estos radares puede ser visto en este enlace:

https://www.youtube.com/watch?v=CllRCJJ0o_0

Entre los usuarios latinoameicanos de este modelo se pueden mencionar a Argentina y Venezuela. En particular uno de los ejemplares Argentinos se mostró extraordinariamente útil y eficiente en el conflicto de las Malvinas, actuando desde Puerto Argentino como único radar de alerta temprana en las islas. Tristemente término su vida útil en las mismas funciones, pero en las islas Británicas como parte del botín de guerra capturado.

Varios procesos de modernización se diseñaron y aplicaron a lo largo de la vida activa del 43, incluyendo la sustitución de la antena paraboloide por una de arreglo plano, originandose así , el modelo TPS-70 de nueva producción.

AN/TPS-70

Radar tutorial

Este modelo incorpora un nuevo transmisor del tipo TWT, procesamiento digital de la señal recibida y otras  mejoras de detalle, pero principalmente una antena plana compuesta por 36 guías de ondas con 98 ranuras o elementos radiantes cada una, para un tamaño total de  5.5 x 2.5 mts, dividida en dos paneles colapsables para su transporte. A estas dimensiones se le debe agregar la antena del sistema IFF, que requiere ser instalada mediante una grúa, siendo este uno de los puntos más criticados del diseño que se supone fuese de despliegue ultra-rápido.

Este tipo de antena supuso mejoras sustanciales en cuanto a la reducción de lóbulos laterales indeseados (sidelobes), reduciendo los riegos de ataques por misiles anti radiación (ARM), o interferencias hostiles (jamming), a pesar de reducir el ancho de banda del sistema, operando de 2.9 a 3.1 GHz,  en 16 pasos discretos, variables de un pulso al siguiente.

El resto de la arquitectura general se mantiene, pues la antena usa 22 de las guías de ondas para la generación del fanbeam en trasmisión de (1.1º x 20º), y la totalidad de 36 para los 6 haces en recepción, en particular estos varían su altura, pues el más bajo (dirigido al horizonte) tiene un grosor de 2.3º en altura, y este se hace mayor en los otros progresivamente hasta el último cuya altura alcanza 6º.

Una muy completa tabla de características técnicas fue divulgada por el fabricante hace ya más de 3 lustros, por lo que dichos datos no se consideran clasificados y pertenecen al dominio público (al menos en la versión con amplificador TWT)

Northrop Grumman-JC65

De interés para los aficionados a la militaría, podemos mencionar un alcance instrumental de 444 Kms, una precisión angular de 0.22º, en rango de 107 mts y en altura (a 100nm) de +- 457mts,  una resolución angular de 2.4º y en rango de 490 mts, y un tiempo medio entre fallas de entre 600 y 1000 horas.

AN/TPS-75 y TAFLIR

 Wikimedia commons

 

Estos modelos corresponden a las versiones del 70, para uso de USA y Suiza, respectivamente, los cuales presentan mejoras de detalle, sobre todo a nivel del centro de comando y del software en el análisis de señales.

El proceso de despliegue y repliegue de este radar, así como detalles del centro de control, pueden ser vistos aquí:

https://www.youtube.com/watch?v=6dCQ9KoXzXM

Estos aún mantienen la etapa amplificadora final basada en tubos de vacío, sin embargo tanto el fabricante, como terceras casas, ofrecen paquetes de upgrade aplicables al 43,70 y 75, basados en tecnología 100% estado sólido., llevándolos a un estándar cercano a lo ofrecido con los nuevos modelos TPS-78/703. Mejorando sobretodo la mantenibilidad y disponibilidad del sistema.

Un upgrade de estos puede estar en el orden de los 750.000 US$, lo cual es relativamente económico, considerando las ventajas que ofrece.

AN/TPS-78 y 703

Northrop Grumman

Son los más recientes y modernos modelos de la familia, que ofrecen mejoras sustanciales en cuanto a disponibilidad con un MTBCF muy superior a 2000 horas, permitiéndoles trabajar por períodos de tiempo más prolongados, incluso con supervisión remota.  Obviamente incorporan las mejoras que el proceso de maduración de la familia ha generado.

Entre los detalles a resaltar se encuentran, un más rápido despliegue/repliegue (30/20 min) gracias a la incorporación de la antena IFF a la estructura y su motorización., uso extensivo de componentes de origen comercial (COTS), menor consumo de potencia, reducción del número de unidades reemplazables en el campo, uso extensivo de técnicas de auto-diagnóstico  (bite).

Y aunque los parámetros básicos de perfomance se mantienen (en el 703 no por ser un modelo de medio alcance), no se puede considerar como válida la tabla técnica presentada con el modelo  70, puesto que el paso de electrónica de tubos a una de transistores conlleva la reducción de la potencia pico, manteniendo la promedio, lo que se debe compensar con pulsos de energía más largos en el tiempo.

El más importante cambio, como se ha indicado es la sustitución del TWT por un rack constituido por 16 módulos (más 2 de reserva) amplificadores de potencia de estado sólido actuando en paralelo,  100% intercambiables entre sí,  otorgando una alta redundancia a lo que siempre ha sido el punto débil de los radares en cuanto a mantenibilidad: La etapa final de potencia en transmisión. Este es enfriado por ventilación forzada de aire, evitándose los inconvenientes de la refrigeración por líquidos.

Conclusión

La familia de radares descrita ha sido durante más de 40 años la columna vertebral de muchas fuerzas armadas occidentales, generando grandes beneficios a sus usuarios dada la alta escala de su producción y amplio soporte de mantenimiento brindado, situación que se mantendrá en el tiempo por al menos 2 décadas más. Ofreciendo adecuadas prestaciones  a costos razonables, aunque adoleciendo de un diseño antiguo, no completamente adaptado a las nuevas tecnologías.

Fuentes:

Northrop Grumman, Radartutorial.EU,  Wikipedia, Forecast International, Youtube.

Editado por ErichSaumeth on
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Comentarios

  • jc65
    Publicaciones: 396Soldado 1228

    Saludos,

    Agradezco, a Erich y al foro en general por la oportunidad de difundir este trabajo.

    Quedo a la orden para discutir, aclarar, o corregir cualquiera de los aspectos tratados. Todas las inquietudes serán bienvenidas, no importa lo básica o complicada que sea.

    Editado por jc65 on
  • Prietocol
    Publicaciones: 4,959Brigada 2540

    muy bueno, una pregunta el comprado por colombia no es 100% de estado solido?

    segun lei en las malvinas aparte del tps-43 habia un tps-44 2D operado por el ejercito

  • jc65
    Publicaciones: 396Soldado 1228

    Hola Prieto,

    Los TPS-78 son 100% estado sólido, todos los TPS-70 a nivel mundial fueron entregados con la última etapa amplificadora de tubo de vacío. Ahora si fueron modernizados o no, lo desconozco. Ambos en el inventario de las FAC.

    El hecho de que sean 100% e.s. es de gran importancia si se espera que funcionen continuamente por largos períodos de tiempo, tipo 24/7. Y no digo 24/7/365 pues no es su objetivo ni la costumbre en este tipo de radares.

    Sobre el TPS-44, tienes razón, también operó en las Malvinas, este es 2D y menores prestaciones que el TPS-43. Gracias por la corrección.

    Editado por jc65 on
  • jc65
    Publicaciones: 396Soldado 1228

    Como complemento y para entender como funciona la determinación de la altura de cada objetivo en estos radares, dejo esta gráfica:

    Veamos el avión azul, este es captado simultáneamente por los receptores 1 y 2, y de seguro con mas potencia en uno que en el otro (en la gráfica mas hacia el 2), y como de antemano sé que ángulos cubren estos haces, se podrá afirmar que este está a un ángulo Teta respecto al horizonte de nuestro radar, si a esto le sumamos que el radar determina su distancia, se formará un triángulo rectángulo, del cual sabemos su hipotenusa y el angulo, por trigonoetría se podrá calcular el cateto opuesto. Finalmente se le suma la compensación por la curvatura de la tierra y esa será la altura de nuestro objetivo.

    El avión rojo, es similar el razonamiento pero este es captado por los haces 3 y 4. Nótese que esta estrategia requiere de tantos circuitos de recepción, con sus filtros y demás componentes de hardware, como haces (beams) usemos. Esto obviamente incrementa los costos en circuitería.

    Otra estrategia, la usada por radares de tipo pencil-beam, es que tienen solo un circuito receptor con un solo haz, pero su ángulo de proyección se hace variar de manera que cubra secuencialmente el todo el arco de vigilancia. Aqui se ahorra circuitería de recepción, pero se deben incorporar los componentes necesarios para la variación angular.

     

    Editado por jc65 on
  • Prietocol
    Publicaciones: 4,959Brigada 2540

    en malvinas había apantallamientos en el radar argentino que los ingleses usaban a su favor, me pregunto si el radar colombiano que detecto la intercepción del avión comercial colombiano en venezuela, tiene algún tipo de obstáculo que produzca ese efecto, por la montañosa geografía colombiana

  • jc65
    Publicaciones: 396Soldado 1228

    Saludos y gracias por leer el articulo y sus comentarios.

    Sobre como funcionó el TPS-43 en Malvinas hay muy buena información en la web, para ilustrar el punto traído por Pietrocol está la siguiente imagen:

    Todo lo que volara detrás de los cerros mostrados, quedaría fuera de la zona de detección, a baja y media cota.

    Y es que siempre la ubicación de un radar será una cuestión de compromiso entre la mejor geografía y la logística disponible. En general se buscará el punto mas cercano al área a vigilar, pero lo más alto posible, pero que sea de fácil acceso a los servicios ( electricidad,carreteras,etc.)

    Para ampliar el alcance del llamado radar-horizonte, se busca las mayores alturas posibles, en montañas, pera estas no suelen estar solas, si no formando cordilleras, de manera que si se consigue un área plana para ubicar el radar, desde estas se verán algunos picos mas altos que estorbarán a la detección.

    En el caso específico del reciente incidente, habría que saber cual fue el radar responsable de la detección, de haber sido el de Marandua, este esta a solo 100 msnm, pues la zona es una llanura, no creo que existan cerros que estorben en su horizonte cercano.

    De haber sido, el radar secundario en el Picacho (si se quiere mas probable de ser el responsable), este tiene una envidiable ubicación en una meseta muy alta (3500 msnm) con cerros que apantallan hacia el este y el norte (dirección contraria a la del incidente)

  • jc65
    Publicaciones: 396Soldado 1228

    Para ampliar la respuesta a Pietrocol, les dejo una espectacular imagen del cerro El Picacho, con el radar ATC (Civil 2D que combina primario y secundario) sobre una torre en primer plano, y una proyección hacia el Nor-Oeste indicando los posibles apantallamientos debido a la cordillera Andina.

    En segundo lugar, el efecto pernicioso de este tipo de obstáculos, si este es lejano se creará una pequeña sombra, pero si es cercano dicha sombra crecerá. Digamos que el radar esta a 100 mts de altura, y el obstáculo alcanza 500mts de altura, la sombra al radar que produce no solo afectará a lo que este detrás a 500 mts o menos de altura, sino que su efecto se extenderá a grandes cotas.

    Por último el patrón real de radiación en recepción del TPS-43, a la izquierda una guía como referencia angular, nótese lo estrecho de los 20º, a la derecha una imagen expandida de esos 20º de manera que se detalle mejor. Allí se observan los 6 lóbulos o haces numerados en rojo, los ángulos que cubren y las alturas a la que corresponden dichos ángulos a medida que crece la distancia. 

  • Prietocol
    Publicaciones: 4,959Brigada 2540

    jc hay algun cambio en el rendimiento de un radar o de alguna banda een especifico por la diferencia de altura SNM, ??

  • Prietocol
    Publicaciones: 4,959Brigada 2540

    una imagen de los apantallamientos en las malvinas, y con montañas de poca altura

  • jc65
    Publicaciones: 396Soldado 1228

    Excelentes gráficas que nos traes Prietrocol, impresionantes!, muestran lo que indicaba sobre sombras o áreas sin cobertura tanto a baja  (como era de suponerse) como a alta cota.

    Se crean unas especies de callejones, por donde pudieran penetrar las fuerzas enemigas, allí entran a jugar los llamados "gap-filler", estos son radares de menor alcance y costo, con mayor movilidad que se deben situar de forma de negar estos callejones al enemigo. 

    Sobre el otro comentario: El funcionamiento de radares grandes, a gran altura, puede verse limitado en cuanto que a veces se rellenan las guías de ondas con algún gas inerte a presión, y se pueden generar fugas de este. Pero si esta funcionando el hecho de que el aire a gran altura es menos denso, en teoría puede incrementar los alcances por menor absorción de las ondas (de su energía). Sin embargo hay ciertas alturas, en las que se forman las nubes, que por el contrario aumentan la atenuación. 

    La atenuación se produce debido a que las moléculas del aire, especialmente las de H2O,  02 y CO2, absorben parte de la energía de estas ondas transformandola en calor, y dependiendo del tamaño de la molécula, atenuará en mayor o menor grado ciertas frecuencias.

    Por ejemplo a 2.45 GHz, las moléculas de agua entran en resonancia, de allí que esta frecuencia sea la usada en hornos de micro-ondas. En términos generales a menor frecuencia ==> menor atenuación, pero existen picos y valles de dicha atenuación:

    Aqui una gráfica de la misma contra la frecuencia para 2 alturas diferente, mostrando los elementos responsables de esta.

    De interés para el tema es que, al diseñar un radar de largo alcance se preferirán las bajas frecuencias de las bandas VHF, UHF, L y como indique en el artículo, la S como solución de compromiso, pues si bien tiene una mayor atenuación, permite construir radares de antenas relativamente pequeñas. Las bandas C,X y K tienen aún mayores atenuaciones atmosféricas. 

  • Prietocol
    Publicaciones: 4,959Brigada 2540

    otras buenas imágenes del funcionamiento del TPS-43, me extraña lo limitado de los recursos argentinos, una vez hubo una falla que causaba interrupciones y no podían apagar el radar el suficiente tiempo para poder localizar la falla porq ocurrió justo cuando mas operaciones de asalto en helo realizaban los ingleses para tomar las elevaciones cerca de puerto argentino, entonces el tps-44 tomaba las riendas cuando se apaga el radar principal, pero como dijo jc65 este radar era de menos prestaciones.

    Editado por Prietocol on
  • AndresKumako
    Publicaciones: 10,609Subteniente 7093

    Lo que no entiendo es por qué no ubicaron dos radares, si lo de los apantallamientos era tan evidente...

    Además se me hace que ubicaron ese radar en el peor sitio posible...

  • Prietocol
    Publicaciones: 4,959Brigada 2540

    aveces no se puede instalar el radar donde uno quiere, y los recursos argentinos eran limitados, ellos se preocupaban mas de vigilar su territorio continental y dejaban sus radares para vigilar a chile o posibles ataques ingleses a su territorio y solo arriesgaron a uno de sus preciados tps43  en malvinas

  • AndresKumako
    Publicaciones: 10,609Subteniente 7093

    Pero lo arriesgaron mal.

    ¿Cómo lo vas a poner en un lugar "tan bajo" y detrás de un cerro?

    ¿O es que esperaban que los británicos los atacaran desde el extremo oriente de Las Malvinas, desde mar abierto?

    ¿Nadie pensó que les podían llegar desde el norte, cómo efectivamente pasó?

  • jc65
    Publicaciones: 396Soldado 1228

    Yo pienso que el factor fundamental de esa ubicación, era la logística.

    A la orilla del pueblo (su punto mas alto) , cerca del camino principal, allí disponían de electricidad, o combustible para los generadores eléctricos, facilidad de acceso por el camión transporte, acceso a comunicaciones ,centro de mando y defensas AA y cobijo para los operadores. Un factor adicional es que le complicaba un bombardeo masivo sin exponer a la población civil.

    Como ejercicio mental, habría que imaginarse como se complicaría la logística si lo hubiesen colocado en algunos de los cerros al fondo de la foto.  

    Editado por jc65 on
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