Modelling of Radar Detection Evasion using Terrain Masking and Exposure Index Based on Raster Cells for Helicopter Path Planning

Currently in the Malaysian Army, there is neither software nor hardware that could assist helicopter path planners during terrain analysis for the purpose of evading radar detection. The planning is conducted manually based on intelligent guess and experience which may lead to inefficient and ineffective plan. The aim of the research was to come up with models which could assist the planners to identify appropriate paths by exploiting local terrain attributes to maximise terrain masking. A thorough literature review was conducted with regards to radar signature of helicopters, radar performance, terrain masking modelling and path planning algorithms. Comprehensive interview was conducted with experienced helicopter pilots in gathering current procedures practised in path planning. Interviews were also conducted with radar operators from various surveillance Unit. The review suggested that the Doppler characteristics of helicopter by looking at depression angles needs to be investigated since radars are frequently positioned on high grounds in order to have better coverage. Some essential information, algorithms and secondary data gathered from the literature review were also used in establishing theoretical framework for the experimenting and modelling. An experiment was conducted to confirm the ability of radar to detect hovering helicopter looking from the top. Main equipment used for the experiment were model helicopter and radar module operating in Continuous Wave (CW) mode. The rest of the research was conducted based on software modelling environment. The raw data or primary data used throughout the research was obtained from the Malaysian Department of Mapping and Survey. The main software used for the modelling was ArcMap which is a geospatial analysis software and most of the analysis was conducted based on raster analysis generated by the software. Terrain elevation was the core parameter in the modelling development. Masking Index in forms of Terrain Exposure Index (TEI) and Terrain Masking Index (TMI) were developed based on Line of Sight (LOS) which were used as quantifiers to gauge the extent of exposure and masking. Three main models were developed to evade radar detection for three different circumstances. The first model was developed to identify the best path when the locations of radars is unknown, the second model was to fly outside a known radar coverage and the third model was to fly through a known radar coverage. An algorithm was also formulated using Artificial Neural Network (ANN) to optimise flight profile using MATLAB. In terms of the overall results, the experiment on detecting helicopter at certain depression angles confirmed that a hovering helicopter can still be detected through the rotations of the main or tail rotor blades though the fuselage may be masked by ground clutter. The three developed models were capable of establishing paths which were global minimum in terms Cost Distance and Masking Index. The developed TEI and TMI quantifiers were tested extensively to determine the effectiveness of the established paths. Finally, the algorithm formulated using ANN was found to be proficient in optimising the established paths in terms of balancing the degree of exposure and the speed of helicopters.

Buat masa ini di dalam Tentera Darat Malaysia, tidak ada perkakasan ataupun perisian yang boleh membantu perancangan laluan penerbangan helikopter semasa analisis rupa bumi bagi tujuan mengelakkan dari pengesanan radar. Perancangan hanya dilaksanakan secara manual berdasarkan tekaan kepada pintar serta pengalaman juruterbang di mana pendekatan ini boleh membawa kepada laluan penerbangan yang tidak efektif dan efisien. Matlamat penyelidikan ini adalah untuk menghasilkan model yang boleh membantu perancang dalam mengenal pasti laluan penerbangan yang optima dengan mengeksploitasi sifat rupa bumi tempatan untuk memaksimumkan masking sesuatu laluan penerbangan untuk helikopter. Kajian literatur yang teliti telah dijalankan terhadap radar signature sesebuah helikopter, prestasi radar dalam mengesan helikopter, pemodelan muka bumi dan algoritma perancangan laluan penerbangan. Temuramah yang komprehensif telah dijalankan dengan juruterbang yang berpengalaman dalam mengumpul prosedur yang diamalkan dalam perancangan laluan. Temuramah juga telah diadakan dengan operator radar daripada pelbagai unit pengawasan. Kajian literatur merumuskan bahawa kemampuan radar untuk mengesan helicopter yang berlegar lebih rendah dari aras radar perlu dilakukan kerana kerap kali radar ditempatkan di tanah tinggi bagi mendapatkan liputan yag lebih luas. Beberapa maklumat penting, algoritma dan data sekunder yang dikumpul daripada kajian literatur juga digunakan untuk mewujudkan rangka kerja teori untuk eksperimen dan pemodelan. Satu eksperimen telah dijalankan untuk mengesahkan keupayaan radar yang digunakan untuk mengesan helikopter yang berlegar Iebih rendah dari aras radar. Peralatan utama yang telah digunakan untuk eksperimen adalah model helikopter dan modul radar yang beroperasi dalam mode CW. Perisian utama yang digunakan untuk pemodelan adalah Arcmap manakala data mentah yang digunakan dalam pemodelan diperolehi dari Jabatan Pemetaan dan Ukur Malaysia. Perisian Arcmap merupakan perisian geospatial yang membolehkan analisis dilaksanakan dan kebanyakan analisa yang telah dilaksanakan adalah berdasarkan kepada analisis raster yang dihasilkan dengan menggunakan perisian Arcmap. Ketinggian rupa bumi merupakan parameter utama dalam pembangunan model. Masking Indeks yang terdiri dari index pendedahan rupa bumi (TEI) dan indek penyamaran rupa bumi (TMD telah dibangunkan berdasarkan garis penglihatan terus (LOS). Masking lndexs telah digunakan secara meluas sebagai tanda aras untuk mengukur pendedahan terhadap sesuatu pengesanan. Tiga model utama telah dibangunkan untuk mengelak pengesanan oleh radar dalam tiga keadaan yang berbeza. Model pertama telah dibangunkan untuk menghasilkan laluan apabila kedudukan radar tidak diketahui, model kedua adalah untuk menghasilkan laluan di luar liputan radar dan model ketiga adalah untuk menghasilkan laluan merentasi liputan radar. Algoritma juga telah dibangunkan dengan menggunakan rangkaian neural tiruan (ANN) untuk mengoptimumkan profil penerbangan terhadap sesuatu laluan yang telah dikenalpasti. Percubaan mengesan helikopter dari sudut yang tinggi telah mengesahkan bahawa pantulan gelombang Doppler dari helikopter yang berlegar masih boleh dikesan melalui bilah utama atau ekor walaupun pantulan dari fuselaj mungkin tidak dapat dikesan disebabkan gangguan muka bumi. Tiga model yang dibangunkan mampu menghasilkan laluan yang terbaik dalam aspek jarak penerbangan dan keupayaan untuk mengelak dari dikesan oleh radar. Algoritma yang dirumuskan dengan menggunakan ANN pula mampu menghasilkan profit penerbangan yang optimum dari segi mengimbangi tahap pendedahan kepada pengesan radar dengan kelajuan helikopter.