§ 9.4. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН НА ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ И РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

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

Степень влияния этих факторов зависит от частотного диапазона и условий эксплуатации радиосистемы (время суток,географический район, высота антенны передатчика и приемника).

Влияние поглощения и преломления радиоволн наиболее 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 распространение радиоволн, особенно миллиметрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов, используемых в радиолокации 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 раз. Значение множителя ослабления зависит от коэффициента затухания , и расстояния, проходимого радиоволнами D. Если коэффициент , вдоль всей трассы постоянен и рассматривается случай активной РЛС с пассивным ответом, то и мощность сигнала на входе приемника уменьшается за счет затухания от до

Если выразить , в , то . При наличии в атмосфере гидрометеоров и других частиц коэффициент затухания , является суммой частных коэффициентов 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 резонансным. Резонансные линии всех газов атмосферы, за исключением 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 , а молекулами кислорода — на волнах .

Таким образом, молекулярное поглощение значительно в сантиметровом 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, прежде всего дождевыми каплями и туманом. Чем больше отношение радиуса капли , к длине волны , тем больше потери энергии за счет ее рассеяния во всех направлениях. Это рассеяние возрастает пропорционально четвертой степени частоты, поскольку ЭПР капли при , к длине волны , тем больше потери энергии за счет ее рассеяния во всех направлениях. Это рассеяние возрастает пропорционально четвертой степени частоты, поскольку ЭПР капли при

где — диэлектрическая проницаемость воды.

Если известны диаметр капель и их число на единицу объема, то можно определить коэффициент затухания . В справочниках коэффициент , для дождя обычно указывается в зависимости от его интенсивности и длины волны . В сантиметровом диапазоне коэффициент затухания изменяется приблизительно пропорционально квадрату частоты сигнала . Если на частоте при мм/ч, , то на частоте при той же интенсивности дождя .

Ослабление радиоволн в тумане прямо пропорционально 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 пространстве . Это уравнение можно решать графически, представив в логарифмической форме . После простых преобразований найдем

Обозначим относительное уменьшение дальности и запишем уравнение в виде, удобном для графического решения:

Рис. 9.4

На рис 9.4 привидена зависимость позволяющая при заданных и найти , а следовательно, .

Влияние рефракции радиоволн в атмосфере. Рефракцией (преломлением, искривлением) радиоволн называют отклонение распространения радиоволн от прямолинейного при прохождении ими среды с изменяющимися электрическими параметрами. Преломляющие свойства среды характеризуются коэффициентом преломления , определяемым ее диэлектрической проницаемостью . Вместе с коэффициент преломления в атмосфере меняется с высотой . Скорость изменения с высотой характеризуется градиентом , значение и знак которого характеризуют рефракцию.

При рефракция отсутствует. Если , то рефракцию считают отрицательной и траектория радиоволны искривляется в сторону от поверхности Земли. рефракция положительна и траектория радиоволны искривлена в сторону Земли, что приводит к ее огибанию радиоволной и увеличению дальности действия радиосистем и, в частности, дальности радиолокационного обнаружения кораблей и низколетящнх .

Для нормального состояния атмосферы , т. е. рефракция положительна, что ведет к увеличению дальности радиогоризонта. Влияние нормальной рефракции учитывается кажущимся увеличением радиуса Земли в раза, что равносильно увеличению дальности радиогоризонта до . Радиус кривизны траектории радиоволны обратно пропорционален градиенту , т. е. . При радиус кривизны траектории радиоволны равен радиусу Земли , и радиоволна, направленная горизонтально, распространяется параллельно поверхности Земли, огибая ее. Это случай критической рефракции, при котором возможно значительное увеличение дальности действия РЛС.

При аномальных условиях в тропосфере (резкое увеличение давления, влажности, температуры) возможна и сверхрефракция, при которой радиус кривизны траектории 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 атмосферной 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 сверхдлинноволнового диапазонов.

Затухание поверхностной волны зависит от диэлектрической проницаемости и электропроводности подстилающей поверхности, причем для морской поверхности и для песчаных или горных пустынь; при этом изменяется в пределах 0,0001 — 5 См/м. 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 изменением фазовой скорости распространения радиоволн, практически невозможно.

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

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

Такие волны обеспечивают очень большую дальность действия, что я 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 испытывают 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 сигнала, что затрудняет использование пространственных волн для радионавигации. Более того, интерференция пространственных и поверхностных волн ведет к искажению поверхностного сигнала и снижает точность местоопре-деления.

В заключение рассмотрим особенности распространения 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 распространяются 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 в открытом море.

В настоящее время для глобальной навигации применяют спутниковые РНС, в которых благодаря большой высоте орбит ИСЗ обеспечивается прямая «видимость» на больших расстояниях при использовании дециметровых волн, которые свободно проходят через ионосферу Дециметровые волны позволяют получать с помощью спутниковых РНС очень высокую точность местоопределения в рабочей области системы, которая для глобальных СРНС охватывает все околоземное пространство.

Напишите уравнение дальности РЛС в свободном пространстве.

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 объектов?

Каковы основные причины ослабления радиолокационного сигнала при распространении?

Определите дальность действия РЛС трехсантиметрового диапазона, работающей в условиях дождя интенсивностью мм/ч(). Дальность действия РЛС в свободном пространстве .

При каких условиях рефракция радиоволн приводит к аномальному 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 используются радиоволны СДВ-диапазона?