1.6 Выводы по главе

Таким образом, устанавливаемые и используемые на территории Российской Федерации иностранные технические средства наблюдения и контроля в виде ионозондов по совокупности своих характеристик представляют собой полноценные средства технической разведки способные вести наблюдение за воздушно-космическими объектами.

2. Методика оценки разведывательных возможностей ионозондов

Задачей радиолокационного обнаружения является обнаружение целей и измерение их параметров положения и движения. Обнаружение цели представляет собой операцию, связанную с выделением отраженных от цели сигналов на фоне внешних помех и флюктуационных шумов приемника. Выделение полезного сигнала может быть выполнено с определенной степенью достоверности, которая, прежде всего, может быть охарактеризована вероятностью обнаружения цели [21]. Оценку разведывательных возможностей ионозондов целесообразно начать с расчета дальности радиолокационного наблюдения. Так как целью данной работы является доказательство того, что ионозонды могут использоваться и используются в качестве технических средств разведки, начнем рассмотрение с простейшего случая обнаружения цели в свободном пространстве. Анализ будем вести, предполагая, что атмосфера однородна, присутствует затухание электромагнитных волн в атмосфере. Для космических объектов рассмотрим затухание электромагнитных волн при прохождении через ионосферу.

Пусть в некоторой точке пространства на расстоянии R от ионозонда находится цель с эффективной площадью рассеяния . Излучаемая передающей антенной электромагнитная волна на достаточно большом удалении имеет сферический фронт, ограниченный пределами диаграммы направленности [27]. На этом основании плотность потока мощности прямой волны в точке цели равна ,

где - мощность излучаемых колебаний;

- коэффициент направленного действия передающей антенны.

Согласно определению эффективной площади рассеивания цели [13], плотность потока мощности в точке расположения приемной антенны определяется:

.

Умножая величину на эффективную площадь приемной антенны , находим мощность отраженного сигнала на входе приемника

.

В описании характеристик ионозондов иностранного производства, как правило, не указываются значения коэффициента направленного действия передающей антенны и эффективной площади приемной антенны [76]. Однако, из теории антенн известна зависимость между эффективной площадью антенны и ее коэффициентом усиления по мощности

,

которая справедлива для любого направления в зоне излучения и приема рассматриваемой антенны [79]. Величина также пропорциональна площади раскрыва антенны

.

Коэффициент использования площади зависит от распределения поля в раскрыве антенны. Если во всем раскрыве поле одинаково по фазе и интенсивности, то коэффициент равен единице. Для большинства радиолокационных антенн [53]. Таким образом, знание хотя бы одного из трех параметров , , позволяет вычислить недостающие характеристики, необходимые для расчетов. Кроме того, коэффициент направленного действия и коэффициент усиления приемной антенны связаны соотношением

,

где - коэффициент полезного действия антенны.

Как правило, для радиолокационных антенн и можно полагать, что .

Тогда мощность принимаемого сигнала можно записать в виде [47]:

.

Отсюда видно, что по мере увеличения расстояния до цели R мощность отраженных сигналов быстро уменьшается. Дальность цели, при которой мощность уменьшается до порогового значения , является максимальной дальностью действия ионозонда по данной цели [47].

.

Если для приема и передачи используется одна и та же антенна, то . При рассмотрении импульсных систем вместо следует подставлять мощность излучаемого импульса . Для выделения в оконечном устройстве отраженных сигналов с достоверностью не менее заданной необходимо, чтобы отношение сигнал/шум на входе приемника было не меньше некоторой вполне определенной величины , называемой коэффициентом различимости. Т.е. .

Мощность внутренних шумов приемника, приведенная к его входу, равна ,

где k – постоянная Больцмана;

N – коэффициент шума приемника;

Т – абсолютная температура;

- полоса пропускания приемника.

Тогда . Наибольшее отношение сигнал/шум на выходе приемного тракта импульсной системы имеет место при оптимальном значении полосы пропускания приемника ,

где - постоянный безразмерный коэффициент, зависящий от формы импульса и по величине близкий к единице [55]. Таким образом, считая, что полоса приемника выбрана оптимальной, имеем

.

Можно выразить излучаемую в импульсе мощность через среднюю мощность излучения за период повторения импульсов .

Практика радиолокационного наблюдения показывает, что волны длиннее 10 сантиметров даже при неблагоприятных метеорологических условиях испытывают малое затухание в тропосфере [71]. Поэтому при расчете радиолокационных станций дециметрового и метрового диапазонов затухание можно не учитывать. Ионозонды в своей работе используют декаметровый диапазон, следовательно, затухание в тропосфере из рассмотрения можно исключить. Так как цели радиолокационного наблюдения ионозондов находятся на достаточно больших высотах, влияние земной поверхности также не учитывается.

Обнаружение сигналов может проводиться по различным статистическим критериям и для различных уровней априорных данных, что, в конечном счете, определяет выражения для вероятности ошибки обнаружения. Процедура обнаружения сигналов осуществляется по критерию максимума правдоподобия либо по критерию Неймана-Пирсона [91]. Средняя вероятность ошибки обнаружения при использовании этих критериев определяется для возможных случаев:

- случая известной начальной фазы принимаемого сигнала (случай когерентного обнаружения) и известного момента поступления сигнала длительностью Т, являющейся временем обнаружения сигнала;

- случая наличия случайных флуктуаций фазы обнаруживаемого радиосигнала (случай некогерентного обнаружения);

Для критерия максимума правдоподобия средняя вероятность ошибки обнаружения при когерентном приеме определяется выражением:

,

где - интеграл вероятности ошибки;

- отношение сигнал/шум на входе обнаружителя.

Вероятность обнаружения радиосигнала, в этом случае, определяется выражением:

.

При некогерентном обнаружении средняя вероятность ошибки обнаружения определяется выражением:

.

а вероятность обнаружения радиосигнала - выражением:

.

В случае, когда последствия ошибок сугубо неравнозначны (пропуск цели и ложная цель), а априорная информация о распределениях вероятностей символов отсутствует, используют критерий Неймана-Пирсона [91]. В соответствии с ним оптимальным решением считается то, которое обеспечивает минимизацию вероятности пропуска сигнала (ошибки второго рода) при заданной вероятности ложного его приема (ошибки первого рода).

Согласно критерию Неймана-Пирсона должна задаваться вероятность ложной тревоги (Р_лт), т.е. вероятность превышения выходным шумом при t=T порогового уровня [75].

Для случая когерентного приема вероятность ложной тревоги определяется выражением:

.

По заданной вероятности ложной тревоги Р_лт однозначно определяется уровень , а зная его, находим вероятность правильного обнаружения:

.

В случае, когда фаза радиосигнала является случайной величиной, распределенной равномерно в интервале [- π, π], а амплитуда сигнала также является случайной величиной, распределенной по рэлеевскому закону (некогерентный прием), вероятность ложной тревоги определяется выражением [84]:

.

где  - пороговый уровень. По заданной вероятности ложной тревоги Р_лт  определяется уровень h₀ и затем находится вероятность правильного обнаружения:

.

где – дисперсия амплитудного множителя радиосигнала в канале с рэлеевскими замираниями.

На рисунке 2.1 показана зависимость вероятности обнаружения радиосигнала от отношения сигнал/шум на входе обнаружителя при использовании критерия максимума правдоподобия и критерия Неймана-Пирсона (заданная вероятность ложной тревоги ).

Рисунок 2.1 - Зависимость вероятности обнаружения радиосигнала от отношения сигнал/шум на входе обнаружителя

При дальнем обнаружении целей зондирующий сигнал испытывает на себе влияние ионосферы. Это влияние зависит от множества факторов, таких как солнечный цикл, сезон, широта, время суток и т.д.

Рисунок 2.2 - Солнечные циклы и сезонная зависимость областей E и F

Рисунок 2.3 - График широтных вариаций

Рисунок 2.4 - Частоты слоев Е и F для трассы Сингапур — Хо-ши-Мин

Рисунок 2.5 - Пример суточных и сезонных вариаций в поглощении (Сидней, 2,2 МГц)

Согласно современным представлениям ионосфера состоит из отрицательно заряженных свободных электронов и положительно заряженных ионов, в основном молекулярного кислорода O⁺ и окиси азота NO⁺. Ионы и электроны образуются в результате диссоциации молекул и ионизации нейтральных атомов газа солнечным рентгеновским и ультрафиолетовым излучением. Для того чтобы ионизовать атом необходимо сообщить ему энергию ионизации, основным источником которой для ионосферы является ультрафиолетовое, рентгеновское и корпускулярное излучение Солнца. Верхние слои атмосферы Земли, расположенные на высотах более 50 км, ионизируются излучением Солнца, вследствие чего там появляются свободные электроны и положительные ионы. Таким образом, ионосфера занимает область земной атмосферы на высоте от 50-60 км до нескольких тысяч километров от поверхности Земли [61]. Степень ионизации газов, входящих в состав ионосферы, зависит от их плотности, энергии солнечного излучения и космических лучей, а также коэффициента поглощения этой энергии газами. В среднем ионосфера квазинейтральна, т.е. число электронов и отрицательных ионов равно числу положительных ионов. Основными процессами, формирующими состояние ионосферы, являются ионизация, рекомбинация, диффузия плазмы и направленный дрейф заряженных и нейтральных частиц. К числу основных физических свойств ионосферы относится способность отражать радиоволны декаметрового диапазона, именно в этом диапазоне работает большинство ионозондов. Установлено, что ионосфера Земли имеет слоистую структуру. Существует несколько максимумов концентрации свободных электронов N(z), называемых слоями D, E, F1, F2. Определяющую роль в отражении радиоволн от ионосферы играет слой F - верхний слой ионосферы. Здесь наиболее высокая степень ионизации (доля заряженных частиц порядка 10^–4). Она расположена на высоте более 150 км над поверхностью Земли и играет основную отражательную роль при дальнем распространении радиоволн высокочастотных КВ диапазонов [57]. В летние месяцы область F распадается на два слоя – F₁ и F₂. Слой F1 может занимать высоты от 200 до 250 км, а слой F₂ как бы «плавает» в интервале высот 300–400 км. Обычно слой F₂ ионизирован значительно сильнее слоя F₁. Ночью слой F₁ исчезает, а слой F₂ остается, медленно теряя до 60% степени своей ионизации. Выше области F концентрация электронов медленно спадает с высотой. Ниже слоя F на высотах от 90 до 150 км расположен слой E, ионизация которого происходит под воздействием мягкого рентгеновского излучения Солнца. Степень ионизации слоя E ниже, чем слоя F, днем прием станций низкочастотных КВ диапазонов 31 и 25 м происходит при отражении сигналов от слоя E. Обычно это станции, расположенные на расстоянии 1000–1500 км. Ночью в слое E ионизация резко уменьшается, но и в это время она продолжает играть заметную роль в приёме сигналов станций диапазонов 41, 49 и 75 м. Самая нижняя область ионосферы – область D расположена на высотах между 50 и 90 км. Здесь сравнительно мало свободных электронов. От области D хорошо отражаются длинные и средние волны, а сигналы станций низкочастотный КВ диапазонов сильно поглощаются. После захода Солнца ионизация очень быстро исчезает и появляется возможность принимать дальние станции в диапазонах 41, 49 и 75 м, сигналы которых отражаются от слоев F₂ и E [71]. Наличие свободных электронов в верхних слоях атмосферы определяет существование ионосферного канала связи (ИКС) около Земли. Электромагнитные волны декаметрового диапазона, излученные из какого-либо пункта А, расположенного на поверхности Земли, отражаются от ионосферы, как при вертикальном, так и при наклонном падении и возвращаются на Землю в некотором пункте В. Большой интерес для приёма сигналов высокочастотных КВ диапазонов 16, 13 и 11 м представляют возникающие в области E прослойки (облака) сильно повышенной ионизации [39]. Площадь этих облаков может изменяться от единиц до сотен квадратных километров. Этот слой повышенной ионизации получил название – спорадический слой E и обозначается Es. Облака Es могут перемещаться в ионосфере под воздействием ветра и достигать скорости до 250 км/час. Летом в средних широтах в дневное время происхождение радиоволн за счет облаков Es за месяц бывает 15–20 дней. В районе экватора он присутствует почти всегда, а в высоких широтах обычно появляется ночью. Иногда, в годы низкой солнечной активности, когда нет прохождения на высокочастотных КВ диапазонах, на диапазонах 16, 13 и 11 м с хорошей громкостью вдруг появляются дальние станции, сигналы которых многократно отразились от Es. При наклонном падении радиоволн на ионосферу дальность распространения, даже при однократном отражении волны, лежит в пределах от десятков до 3000 км. Таким образом, создается ионосферный канал связи, который широко используется для различных целей, связанных с передачей информации. Известно, что плазма, находящаяся во внешнем магнитном поле, представляет собой анизотропную среду. При распространении электромагнитных волн эффект анизотропии проявляется в том, что реакция среды на внешнее поле различна в зависимости от направления распространения поля. Установлено, что в ионосфере по одному направлению могут распространяться две волны, характеризующиеся своими фазовыми скоростями, поглощением и поляризацией. Эти волны принято называть характеристическими (ХВ) (обыкновенной и необыкновенной). При этом, как при наличии, так и отсутствии поглощения обе ХВ поляризованы эллиптически, причем их фазоры не равны. Экспериментальная проверка основных выводов теории о поляризации волн, отраженных от ионосферы показала, что поляризация ХВ действительно эллиптическая, различная и существенно зависит от конкретных физических условий. Поскольку электронная концентрация и частота соударений электронов в ионосферной плазме флуктуируют около своих средних значений, являясь случайными функциями времени, то фазоры ХВ, вообще говоря, также являются случайными функциями [74]. Атмосфера Земли подвержена воздействию многих физических факторов. Вследствие неоднородности ионизации верхних слоев атмосферы излучением Солнца диэлектрическая проницаемость ионосферы является функцией координат и времени. Фаза электромагнитной волны при распространении в такой среде изменяется по закону, связанному с законом изменения диэлектрической проницаемости. В процессе распространения радиоволны в ионосфере происходит смещение ее несущей частоты на некоторую величину. Это явление называется эффектом Доплера в ионосфере. Для двух ХВ показатели преломления ионосферы различны и, следовательно, фазы двух ХВ, также различны. Присутствие в ионосфере движущихся крупномасштабных неоднородностей электронной концентрации обусловливает коррелированное изменение доплеровских частот двух характеристических волн, что приводит к квазипериодическим интерференционным замираниям поля в пространстве и времени. Отсюда становятся понятными некоторые величины, необходимые для расчета затухания радиоволн в ионосфере. Гирочастота в ионосфере определяется соотношением:

где е, т – заряд и масса электрона,

– модуль вектора напряженности магнитного поля в ионосфере,

с – скорость света;

Плазменная частота ионосферы равна:

,

где N – концентрация электронов в ионосфере.

Рисунок 2.6 - Профиль электронной концентрации в ионосфере

Короткие волны распространяются на дальние расстояния путем отражения от ионосферы и поверхности Земли. Такой способ распространения называют скачковым и характеризуют расстоянием скачка  числом скачков n, углами выхода и прихода  и , максимальной применимой частотой (МПЧ) и наименьшей применимой частотой (НПЧ). Расстояние скачка зависит от высоты отражающего слоя, рабочей частоты и диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости; оно меняется в зависимости от времени года, сезона и уровня солнечной активности [81]. В среднем максимальное расстояние скачка принимают равным: при отражении от слоя F₂ 4000 км, при отражении от слоя F₁  3000 км, при отражении от слоя Е 2000 км. Максимальное расстояние скачка имеет место при направлении излучения волны по касательной к горизонту, однако у реальных антенн максимум излучения направлен под некоторым углом к горизонту [72], что приводит к уменьшению максимального расстояния скачка. Если ионосфера однородна в горизонтальном направлении, то  = и траектория волны симметрична.  Минимальное расстояние скачка, для которого выполняется условие отражения:

( 2.1)

Чтобы волна могла быть принята на определенном расстоянии от передатчика, во-первых, должно выполняться условие отражения волны от ионосферы и, во-вторых, напряженность электрического поля полезного сигнала в данном месте должна превышать уровень помех. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот [56]. Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не выше значения, определяемого формулой (2.1). Из этого условия выбирают максимальную применимую частоту (МПЧ), являющуюся верхней границей рабочего диапазона для данного расстояния. Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере. Наименьшую применимую частоту (НПЧ) определяют из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электрического поля сигнала должна превышать уровень шумов, а, следовательно, поглощение сигнала в слоях ионосферы должно быть не больше допустимого.

Рисунок 2.7 - Механизмы распространения коротких волн

Ионосфера имеет несколько максимумов ионизации, вблизи которых могут отражаться радиоволны [55]. В зависимости от рабочей частоты, угла 60 и состояния ионосферы отражение может происходить в той или иной области ионосферы: при этом возможны различные траектории распространения волн. Как показала статистическая обработка многочисленных наблюдений, на трассе протяженностью до 3000 км наиболее часто наблюдаются модели траекторий распространения радиоволн, изображенные на рисунке 2.7. На линии протяженностью 1500 км наиболее часто одновременно приходят волны, дважды отраженные от слоев F а Е (Рисунок 2.7, модель V); на линии протяженностью 3000 км распространение происходит чаще путем одного отражения от слоя F. В годы минимума солнечной деятельности часто наблюдается отражение только от слоя F. Преимущественной модели траектории распространения волны не существует. Вероятность появления той или иной модели зависит от протяженности трассы и уровня солнечной активности [67].