2. Принципы функционирования основных радиотехнических систем наблюдения, навигации и связи

2.1 Физические основы радиотехнических методов наблюдения, навигации и связи

Решение задач наблюдения, навигации, связи радиотехническими методами и средствами основывается на использовании электромагнитных волн радиотехнического диапазона.

Волнами радиотехнического диапазона называют электромагнитные волны с частотой колебаний f от 3 кГц до 3…6 ТГц и длиной волны λ в свободном пространстве от 100 км до 0,1 … 0,005 мм.

Радиотехнические средства обеспечения полетов используют следующие основные свойства электромагнитных волн (ЭМВ):

1. Конечная и достаточно стабильная скорость распространения (в вакууме - 299 792 456,2 ± 0,8 м/с). Используется при измерения дальностей;

2. Высокая степень постоянства направления распространения (определяется степенью однородности среды, в которой распространяется ЭМВ). Используется при измерении угловых параметров;

3. Способность преломляться и отражаться (проявляется на границах раздела физических сред). Используется при измерениях радиолокационного типа и радиосвязи);

4. Когерентность. Под когерентностью понимают высокую степень согласованности (корреляцию) радиоволновых процессов, протекающих в различные моменты времени и в разных точках поля. Благодаря когерентности обеспечивается концентрация энергии волн в пространстве и по частотному спектру. Используется для получения требуемых форм диаграмм направленности антенн РТС, селекции движущихся объектов.

Электромагнитные волны состоят из электрической и магнитной составляющих (рис.2.1.) и характеризуются такими параметрами, как длина волны λ, период колебаний Т, частота f, поляризация.

Длина волны λ – кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве, на котором фаза гармонической электромагнитной волны меняется на 360° (рис. 2.1).

Период колебания волны Т— время, в течение которого происходит одно полное изменение напряженности поля, т. е. время, за которое точка радиоволны, имеющая какую-то фиксированную фазу, проходит путь, равный длине волны λ.

Рис.2.1. Электромагнитное колебание.

- вектор электрического поля;

- вектор магнитного поля;

- направление распространения ЭМВ.

Частота колебаний f - число колебаний поля в секунду. Единицей измерения частоты является герц (Гц) — частота, при которой совершается одно колебание в секунду,

Поляризацией называется ориентировка вектора электрического поля волны относительно поверхности земли.

Электромагнитные волны - носители радионавигационной, радиолокационной и связной информации, распространяющиеся в пределах зон действия РТС, претерпевают изменения в зависимости от частотного диапазона и условий их распространения.

Сигнал радиотехнической системы (РТС) представляет собой в исходной точке излучения обычную периодическую функцию времени.

Электрическую составляющую ЭМВ, создаваемую излучателем РТС, можно записать в следующем виде:

, [2.1]

где E_m(t)— амплитуда, определяемая видом амплитудной модуляции от времени;

ω - несущая частота;

φ(t) – фаза сигнала, определяемая законом фазовой или частотной модуляции в зависимости от времени

В результате изменения взаимного положения элементов РТС в пространстве (рис.2.2) радиолиния связи, соединяющая передатчик и приемник, изменяет свою длину R и направление, заданное угловыми координатами β и ε. Поэтому принимаемая в месте расположения М подвижного объекта радиоволна представляет собой пространственно-временную функцию вида

, [2.2]

где τ = R(t)/С - запаздывание сигнала несет информацию о расстоянии R между передатчиком и приемником РТС;

ε – угол места приемника РТС;

β – азимут приемника РТС.

А мплитуда сигнала, принятого антенной с нормированными диаграммами направленности (ДНА) в горизонтальной G(β) и вертикальной G(ε) плоскостях, может быть описана зависимостью

Рис.2.2. Радиолиния в радиотехнической системе

. [2.3]

Оценивая значения, соответствующие максимуму (или минимуму) амплитуды принимаемого сигнала, можно получать информацию об угловом положении излучателя (путем определения направления перемещения фронта волны принимаемого радиосигнала).

Если приемник РТС перемещается относительно передатчика, например, в радиальном направлении, то длина радиолинии связи R будет изменяться по закону

, [2.4]

где коэффициенты V_r =dR/dt и V_r^ = d²R/dt² — соответственно радиальные скорость и ускорение взаимного перемещения излучателя и приемника сигналов.

Из выражения [2.4] следует, что несущая частота ω получит доплеровское приращение _д

_д =  V_r/С + V_r^ /2С [2.5]

Очевидно, что путем анализа изменений параметров радиосигнала при прохождении радиолинии, можно находить такие параметры, как дальность R, азимут β, угол места ε и радиальную скорость .

Если же на передающей стороне РТС изменять параметры излучаемого сигнала определенным образом, то возможна передача по радиолинии различной по функциональному смыслу информации (навигационной, радиолокационной, связной).

Переносчиками информации для решения задач навигации, наблюдения и связи могут быть как немодулированные (монохроматические), так и модулированные, в том числе импульсные, сигналы.

Частотную область, занимаемую электромагнитными волнами, принято делить на следующие радиодиапазоны (табл.2.1.):

Радиоволны распространяются в пределах зоны действия радиотехнической системы и проходят при этом через различные слои земной атмосферы. В зависимости от диапазона электромагнитных волн, атмосфера оказывает различное влияние на характер их распространения.