Литература / Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы (1990)

Кроме рассмотренных источников потерь должны быть учтены потери при распространении сигнала, а также влияние отражений от земной поверхности.

§ 9.3. ВЛИЯНИЕ ОТРАЖЕНИЯ РАДИОВОЛН ОТ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РЛС

Сигналы, отраженные земной поверхностью и другими отражателями, попадающими в пределы ДНА РЛС и на­ зываемыми местными предметами (местниками), интер­ ферируют с прямыми сигналами (прошедшими по прямой), существенно влияя на дальность действия и другие пара­ метры РЛС.

Рассмотрим влияние на дальность действия РЛС отражения радиоволн от земной поверхности для случая, когда ее можно считать зеркально отражающей плос­ костью, что реально соответствует прохождению радио­ волн над спокойной поверхностью моря при расстоянии до цели, намного меньшем дальности горизонта.

£= — = 11 +готе~'у| = I1 +rol(cosy-/siny)| =

°£.

гагФ

Рис. 9.2

220

Ро = Р„, что позволяет независимо от поляризации радио­

где йА, Нп—высоты расположения антенны РЛС и цели. Таким образом, множитель Fo изменяется по синусои­ дальному закону, достигая максимального значения Fo = 2 в направлениях, где аргумент синуса равен нечетному числу л/2, и падает до нуля в направлениях, где аргумент равен целому числу л. Следовательно, зависимость Fo от

использовании одной антенны для излучения и приема сигнала обобщенное уравнение дальности (9.7) с учетом

При обнаружении низкорасположенных объектов (низколетящих целей) Dzs>Hn, угол р мал и F0~4~hflHnl(k^D). При этом цель находится в нижней части первого лепестка результирующей ДНА и максимальная дальность обна­ ружения

8л£нС2оай1Н^

(9.Н)

Таким образом, дальность обнаружения кораблей и низколетящих ЛА связана с энергией 'зондирующего импульса уже корнем восьмой степени и для увеличения дальности действия РЛС в два раза энергию импульса требуется увеличить в 256 раз.

Условием, при котором цель считается низколетящей,

2л/7гАнД л является неравенство —(------ |<-7, позволяющее принять

221

при превышении которого для расчета £>Омажс можно использовать формулу (9.11). Для увеличения DOu„tc необ­ ходимо увеличивать отношение /гА/Хи.

Отсюда следует также, что для приближения к РЛС на возможно малое расстояние, оставаясь необнаруженным, ЛА должен лететь на минимально возможной высоте На. Именно это условие и выполняется при полете крылатых ракет.

При отражении радиоволн от неровной или слабо проводящей поверхности введенные ранее предположения

меньше, чем для идеально отражающей поверхности, хотя лепестковый характер диаграммы изменения сигнала в за­ висимости от угла места цели сохранится.

До сих пор рассматривалось радиолокационное наблю­ дение на дальностях, при которых земная поверхность могла считаться плоской. Кривизна земной поверхности ограничивает дальность радиолокационного обнаружения. В оптическом диапазоне волн дальность наблюдения ограничена дальностью прямой видимости (дальностью горизонта)

превышает £)г, то расчет £>мажс выполняют по полученным интерференционным формулам с учетом поправки на кривизну Земли. При выполнении условия 7iA <§; На учет сферичности Земли сводится к замене истинной высоты расположения цели Ни (рис. 9.3) приведенной высотой

ЯЦП = ЯЦ + ДЯ=ЯЦ- —.

При этом вид зоны обнаружения в вертикальной плоскости (диаграммы видимости) остается таким же, как и для «плоской» Земли, а ее поверхность имеет вид кривой (рис. 9.3), уравнение которой Д//= —/)2/(2А,). Линии рав­ ных высот На = const будут параллельны этой линии. Из диаграммы рис. 9.3 видно, что кривизна земной поверх­ ности уменьшает дальность радиолокационного наблюде-

222

Рпс. 9.3

ния низко расположенных объектов. Для сохранения даль­ ности необходимо увеличивать высоту расположения ан­ тенны РЛС или энергетический потенциал станции, по­ вышая энергию зондирующего импульса, направленность антенны и чувствительность приемника.

В реальных условиях работы РЛС приходится учиты­ вать также влияние рельефа местности и наличие сильно отражающих объектов вокруг РЛС на зоны ее обнару­ жения. Создаваемые ими дополнительные отражения ис­ кажают диаграмму видимости РЛС, снижая дальность обнаружения и точность местоопределсния цели. Поэтому стремятся по возможности располагать РЛС на ровной площадке, свободной от сильных отражателей в секторе обзора РЛС.

Кроме отражений от поверхности Земли и местных предметов на работу РЛС и РНС влияют и иные факторы, связанные с условиями распространения радиоволн.

§ 9.4. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН НА ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ

РАДИОЛОКАЦИОННЫХ И РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

При определении дальности действия радиосистем прихо­ дится учитывать поглощение и преломление радиоволн при их распространении в атмосфере, их отражение от ионосферы, влияние подстилающей поверхности вдоль трассы, по которой распространяется радиосигнал. Степень

223

географический район, высота антенны передатчика и при­ емника).

Влияние поглощения и преломления радиоволн наибо­ лее существенно в нижнем основном слое атмосферы, называемом тропосферой. Тропосфера простирается по высоте до 8—10 км в полярных районах и до 16—18 км в тропических широтах Земного шара. В тропосфере сосредоточена основная часть водяного пара, образуются облака и турбулентные потоки, что влияет на распрост­ ранение радиоволн, особенно миллиметрового, сантимет­ рового и дециметрового диапазонов, используемых в ра­ диолокации и ближней радионавигаций.

Отражение радиоволн от ионосферы наиболее сильно сказывается на декаметровых и более длинных волнах, применяемых в системах навигации и связи.

Рассмотрим кратко влияние перечисленных факторов. Влияние затухания радиоволн в тропосфере связано с их поглощением молекулами кислорода и водяного

пара, гидрометеорами (дождь, туман, снег) и твердыми частицами. Поглощение и рассеяние ведет к снижению плотности потока мощности радиоволны с расстоянием по экспоненциальному закону, т. е. мощность сигнала на входе ослабляется в ехр (—Г) раз. Значение множителя ослабления зависит от коэффициента затухания а, и рас­ стояния, проходимого радиоволнами D. Если коэффициент а3 вдоль всей трассы постоянен и рассматривается случай активной РЛС с пассивным ответом, то Г = 2а3£> и мощ­ ность сигнала на входе приемника уменьшается за счет затухания от Рсо до

наличии в атмосфере гидрометеоров и других частиц коэффициент затухания а3 является суммой частных коэф­ фициентов затухания, вызванных поглощением молекулами кислорода и водяного пара, а также влиянием жидких и твердых частиц. Молекулярное поглощение в атмосфере происходит в основном на частотах, близких к резонанс­ ным. Резонансные линии всех газов атмосферы, за исклю­ чением кислорода и водяного пара, расположены вне диапазона радиоволн, поэтому существенно влияет на дальность действия РТС только поглощение молекулами кислорода и водяного пара. Поглощение молекулами водяного пара максимально на волне Хн=1,35см, а мо­ лекулами кислорода — на волнах Х„ = О,25; 0,5 см. Таким

224

образом, молекулярное поглощение значительно в санти­ метровом и особенно в миллиметровом диапазонах, где оно ограничивает дальность действия радиосистем, особенно радиолокационных, работающих по отраженным сигналам.

Другой причиной, вызывающей потери энергии сигнала при распространении, является рассеяние радиоволн, преж­ де всего дождевыми каплями и туманом. Чем больше отношение радиуса капли rt к длине волны Хя, тем больше потери энергии за счет ее рассеяния во всех направлениях. Это рассеяние возрастает пропорционально четвертой степени частоты, поскольку ЭПР капли при 2tv,Хи

где е — диэлектрическая проницаемость воды.

Если известны диаметр капель и их число на единицу объема, то можно определить коэффициент затухания а,. В справочниках коэффициент а, для дождя обычно указы­ вается в зависимости от его интенсивности I и длины волны Хя. В сантиметровом диапазоне коэффициент зату­ хания изменяется приблизительно пропорционально квад­ рату частоты сигнала /. Если на частоте /=3000 МГц при /=1 мм/ч, а, =0,002 дБ/км, то на частоте/=30000 МГц при той же интенсивности дождя а, = 0,18 дБ/км.

Ослабление радиоволн в тумане прямо пропорцио­ нально концентрации воды в нем. Ослабление радиоволн в результате града и снега значительно меньше, чем в результате дождя или тумана, и их влиянием обычно пренебрегают.

Максимальная дальность действия РЛС с учетом затухания может быть найдена по формуле

если известна дальность действия в свободном прост­ ранстве £>смаас. Это уравнение можно решать графически,

Влияние рефракции радиоволн в атмосфере. Рефракцией

(преломлением, искривлением) радиоволн называют отк­ лонение распространения радиоволн от прямолинейного при прохождении ими среды с изменяющимися электри­ ческими параметрами. Преломляющие свойства среды характеризуются коэффициентом преломления пг, опреде­ ляемым ее диэлектрической проницаемостью е. Вместе

ризуется градиентом g„ = dnr/dH, значение и знак которого

то рефракцию считают отрицательной и траектория радио­ волны искривляется в сторону от поверхности Земли. При g„ < 0 рефракция положительна и траектория радиовол­ ны искривлена в сторону Земли, что приводит к ее огибанию радиоволной и увеличению дальности действия радиосистем и, в частности, дальности радиолокационного обнаружения кораблей и низколетящих ЛА.

Для нормального состояния атмосферы g„——4-10~8 м-1, т. е. рефракция положительна, что ведет к увеличению даль­ ности радиогоризонта. Влияние нормальной рефракции учитыва­ ется кажущимся увеличением радиуса Земли в 4/3 раза, что равносильно увеличению дальности радиогоризонта («прямой видимости») до £>рт(км)=4,12(ч/%Дм)+уТ/Дм)). Радиус кри­ визны траектории радиоволны обратно пропорционален гради­ енту g„, т. е. р,= -1/£,. При #„== —1/Я,= —1,57-Ю-7 м’1 радиус кривизны траектории радиоволны равен радиусу Земли рж = А, и радиоволна, направленная горизонтально, распрост­ раняется параллельно поверхности Земли, огибая ее. Это случай критической рефракции, при котором возможно значительное увеличение дальности действия РЛС.

226

При аномальных условиях в тропосфере (резкое уве­ личение давления, влажности, температуры) возможна и сверхрефракция, при которой радиус кривизны траек­ тории радиоволны становится меньше радиуса Земли. При этом в тропосфере возможно волноводное распространение радиоволн на очень большие расстояния, если антенна РЛС и объект находятся на высотах в пределах слоя тропосферы, образующего волноводный канал.

Влияние подстилающей поверхности. Кроме атмосфер­ ной рефракции огибание земной поверхности происходит вследствие дифракции радиоволн. Однако в зоне тени (за горизонтом) напряженность радиоволн быстро падает из-за потерь в подстилающей поверхности, которые быстро растут с увеличением частоты радиосигнала. Поэтому только на волнах более 1000 м поверхностная волна, т. е. волна, огибающая поверхность Земли, может обеспечить большую дальность действия системы (несколько сотен и даже тысяч километров). Поэтому в РНС дальнего действия используют волны длинноволнового и сверхдлин­ новолнового диапазонов.

Затухание поверхностной волны зависит от диэлект­ рической проницаемости £п и электропроводности

С уменьшением проводимости почвы затухание резко увеличивается, поэтому наибольшая дальность действия обеспечивается при распространении радиоволн над морем, что существенно для морской радионавигации.

Влияние подстилающей поверхности сказывается не только на дальности действия РНС, но и на их точности, поскольку фазовая скорость распространения радиоволн также зависит от параметров подстилающей поверхности. Создаются специальные карты поправок фазовой скорости в зависимости от параметров подстилающей поверхности, однако, поскольку эти параметры меняются в зависимости от времени года и суток и даже погоды, полностью исключить погрешности местоопределения, вызванные из­ менением фазовой скорости распространения радиоволн, практически невозможно.

Радиоволны с длиной более 10 м могут распростра­ няться за горизонт также в результате однократного или многократного отражения от ионосферы.

Влияние отражения радиоволн ионосферой. Радиоволны, достигающие приемной антенны после отражения ионосферой,

1

называют пространственными. Такие волны обеспечивают очень большую дальность действия, что и используется в связных системах коротковолнового (декаметрового) диапазона. На пространственных волнах осуществляется также сверхдальнее радиолокационное обнаружение некоторых целей (ядерных взрывов и запуска ракет) с помощью отраженных целью сигналов, которые на трассе распространения испыты­ вают одно или несколько отражений от ионосферы и поверхности Земли. Явление приема таких сигналов (эффект Кабанова) было открыто советским ученым Н. И. Кабановым в 1947 г. РЛС, основанные на этом эффекте, называют

ионосферными или загоризонтными. В таких станциях, работающих на волнах длиной 10—15 м, как и в обычных РЛС, дальность цели определяется по времени запаздывания сигнала, а направление фиксируется с помощью направленной антенны. Вследствие неустойчивости ионосферы точность таких станций невелика, а расчет дальности действия представляет сложную задачу из-за трудности учета потерь на рассеяние и поглощение радиоволн на пути распространения, а также при их отражении от Земли и ионосферы. При этом нужно учитывать также потери из-за изменения плоскости поляризации радиоволн.

Зависимость высоты ионосферы от многих причин приводит к непредсказуемым изменениям задержки сигна­ ла, что затрудняет использование пространственных волн для радионавигации. Более того, интерференция простран­ ственных и поверхностных волн ведет к искажению поверхностного сигнала и снижает точность местоопределения.

В заключение рассмотрим особенности распростране­ ния радиоволн мириаметрового (сверхдлинноволнового) диапазона длиной 10—30 км, применяемых в системах глобальной навигации наземного базирования. Эти волны плохо поглощаются подстилающей поверхностью и хорошо отражаются от нее, а также от ионосферы как ночью, так и днем. В результате сверхдлинные волны распрост­ раняются вокруг Земли, как в волноводе, ограниченном поверхностью Земли и ионосферой, на очень большие расстояния. При этом изменение скорости распространения и фазовые сдвиги можно прогнозировать, что обеспечивает точность местоопределения, достаточную для судовождения

воткрытом море.

Внастоящее время для глобальной навигации приме­

няют спутниковые РНС, в которых благодаря большой высоте орбит ИСЗ обеспечивается прямая «видимость»

228

на больших расстояниях при использовании дециметровых волн, которые свободно проходят через ионосферу Деци­ метровые волны позволяют получать с помощью спут­ никовых РНС очень высокую точность местоопределения в рабочей области системы, которая для глобальных СРНС охватывает все околоземное пространство.

9 Напишите уравнение дальности РЛС в свободном прост-

•ранстве.

Каким образом дальность действия РЛС зависит от ее длины волны?

Как влияет отражение радиоволн от поверхности Земли на дальность действия РЛС?

В чем особенность обнаружения низкорасположенных объек­ тов?

Каковы основные причины ослабления радиолокационного сигнала при распространении?

Определите дальность действия РЛС трехсантиметрового диапазона, работающей в условиях дождя интенсивностью /= 10 мм/ч (а, = 0,25 дБ/км). Дальность действия РЛС в сво­ бодном пространстве Пс„а„= 100 км.

При каких условиях рефракция радиоволн приводит к ано­ мальному увеличению дальности действия РЛС?

В чем выражается влияние подстилающей поверхности на работу РНС?

Что такое «эффект Кабанова» и как его применяют на

практике?

Почему в глобальных РНС наземного базирования исполь­ зуются радиоволны СДВ-диапазона?

ГЛАВА 10

ТОЧНОСТЬ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ МЕТОДОВ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ

§ 10.1. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОНАВИГАЦИОННОГО ПАРАМЕТРА

Точность измерения координат и параметров движения объекта является важнейшей характеристикой радиолока­ ционных и радионавигационных систем. Она определяется погрешностями измерений радионавигационного параметра

229