9.2.Особенности загоризонтных радиолокаторов

Ракеты различного назначения являются, в настоящее время, одним из основных видов современных вооруженных сил. Как средства воздушно-космического нападения баллистические ракеты (БР) имеют ряд принципиальных отличий от самолетов как по характеру самого полета, так и по конструкции. Полет ракет происходит в основном (за исключением начального активного участка) по баллистической траектории. Преобладающая часть траектории полета происходит на большой высоте в разряженной атмосфере, где головная часть имеет очень большую скорость полета. Кроме того, головная часть БР имеет сравнительно небольшие геометрические размеры, а следовательно, малую отражающую поверхность, что значительно затрудняет их обнаружение.

Применение БР не зависит от времени года, суток и метеоусловий, запускаться они могут с наземных, подземных, надводных и подводных пусковых установок. Прорыв ракет к целям более вероятен, чем военной авиации, еще и потому, что при вхождении в плотные слои атмосферы траектории могут быть самыми различными.

Головные части БР могут оснащаться различными экранами, что уменьшает отражающую поверхность, а также аппаратурой различного вида помех.

Таким образом, обнаружение БР на траектории полета, распознавание истинной цели и уничтожение боевых частей ракеты представляют собой чрезвычайно сложную задачу.

Для решения названной задачи создаются системы противоракетной (ПРО) и противокосмической обороны (ПКО), которые должны быть обеспечены такими средствами обнаружения, которые смогли бы обнаружить БР и следить за их полетом на всей траектории.

Радиолокационной системой ПРО называется совокупность радиотехнических средств, развернутых на местности по определенному замыслу и предназначенных для радиолокационного обеспечения активных средств.

Элементами радиолокационной системы ПРО являются: радиолокационное поле обнаружения и опознавания воздушно-космических целей, автоматическая система съема и обработки радиолокационной информации, система отображения обстановки и система управления.

Радиолокационная система является одной из главных составных частей на которую возлагается решение следующих задач: обнаружение целей, определение траекторий полета БР. Эти задачи должны решаться в короткий промежуток времени.

Давно известны факты успешной радиосвязи на больших расстояниях, во много раз превышающих дальность прямой видимости. Это объясняется тем, что в верхних слоях атмосферы Земли имеется несколько ионизированных слоев, способных отражать энергию коротких волн. Поверхность Земли также способна отражать электромагнитную энергию. Следовательно, образуется своеобразный волновод. Двигаясь по этому волноводу, радиосигналы после неоднократных отражений от поверхности Земли и ионизированных слоев атмосферы способны распространяться на очень большие расстояния и быть принятым пославшей его станцией.

Скрытые за горизонтом цели удается наблюдать с помощью радиолокаторов декаметрового диапазона волн (3-30 МГц) и не удается наблюдать на более коротких волнах. Дальность скачкообразного распространения составляет от 0,8 до 4 тысяч километров при односкачковом распространении и более 4 тысяч километров при многоскачковом распространении.

Наиболее распространенным механизмом загоризонтного распространения декаметровых волн считается скачковый (рис.9. 1).

Рабочие частоты декаметровых радиолиний ограничены сверху и снизу

где МПЧ – максимальная применимая частота;

НПЧ – наименьшая применимая частота.

МПЧ не должна превышать критическую частоту при наклонном падении, т.е.

,

где - максимальное значение электронной концентрации,

- угол между нормалью к границе слоя ионосферы и лучом (угол падения).

НПЧ зависит от допустимого уровня поглощения в ионосфере, которое увеличивается при уменьшении частоты. Как диапазон рабочих частот, так и ослабление поля зависит от текущего состояние ионосферы, которое меняется от времени суток, сезона года, фазы цикла солнечной активности и нерегулярных возмущений.

Сферическая форма ионосферных слоев допускает рикошетирующее распространение декаметровых волн на большее расстояния (рис.9.2). Такое распространение энергетически более выгодно, по сравнению со скачковым, из-за отсутствия поглощения при отражении от земной поверхности. МПЧ при рикошетирующем распространении существенно больше, чем при скачковом, за счет большого угла падения .

В станциях с прямым рассеянием радиоволн, но работающих не в метровом, а в декаметровом диапазоне, удается получить очень большую дальность обнаружения. В таких стан­циях передатчик и приемник разнесены на тысячи километров. Ан­тенна передающей позиции облучает район цели; излучаемые сиг­налы принимаются на приемной позиции. Если между передающей и приемной позициями в районе, облучаемом сигналами пере­датчика, появляется цель, то характер принимаемых сигналов из­меняется, что и позволяет обнаружить ее. Достоинством указанной станции является выигрыш в энергетике за счет использования сигнала, не отраженного целью обратно, а прямого, переизлученного вперед. Однако следует отметить, что принцип прямого рас­сеяния имеет и ряд недостатков.

Одним из них является малая информативность: станция, со­стоящая из передающей и одной приемной позиций, только обна­руживает цель, но не позволяет определить ее координаты, вклю­чая дальность. Этот недостаток можно устранить использованием не одном, а нескольких приемных позиций с совместной обработ­кой всех результатов наблюдения, но при этом существенно услож­няются' .прием и обработка сигналов. Другое ограничение состоит в том, что для наблюдения за интересующими районами передаю­щая и приемная части станции должны быть определенным образом расположены.

При распространении' радиоволн в среде, в которой коэффи­циент преломления изменяется по высоте, происходит рефракция радиоволн, проявляющаяся в искривлении пути их распростране­ния. Для радиоволн декаметрового диапазона, распространяющих­ся в ионизированной среде — ионосфере, рефракция выражена настолько сильно, что радиоволны отражаются на Землю при даль­ности первого скачка примерно 3000 км. В РЛС обратного рас­сеяния сигналы, отраженные от Земли, возвращаются к излуча­телю тем же путем, который прошел прямой сигнал. Наряду с односкачковым распространение может быть и многоскачковым.

Если на пути распространения радиоволн за пределами горизонта оказывается объект с достаточной отражающей поверх­ностью, то от подобной цели будет получен отраженный сигнал. Вместе с полезным сигналом от цели будут поступать мощные отражения от земной поверхности и от неоднородностей ионосфе­ры, которые при выделении сигнала проявят себя как пассивные помехи. Следует также отметить, что при загоризонтном распро­странении декаметровых радиоволн кроме скачкового механизма может существовать механизм волноводного распространения.

В ЗГ РЛС обратного рассеяния передающие и приемные устройства могут располагаться либо в одном месте (совмещенный вариант), либо на относительно небольшом расстоянии (разнесен­ный вариант). Станции обратного рассеяния способны не только обнаруживать загоризонтную цель, но и определять ее координа­ты. Дальность определяется измерением времени распространения до цели и обратно; для определения угловых координат могут применяться крупномасштабные антенны, обладающие достаточной степенью направленности.

Так же, как и в случае надгоризонтной радиолокации, при загоризонтной радиолокации требуется обеспечить получение инфор­мации о параметрах движения целей за счет приема и соответст­вующей обработки радиосигналов. Однако загоризонтная радио­локация имеет ряд важных особенностей, о которых следует ска­зать более подробно.

По сравнению с традиционными для радиолокации диапазона­ми сантиметровых и дециметровых радиоволн в диапазоне дека­метровых (коротких) волн существенно изменяются условия рас­пространения радиосигналов, причем эти условия сильно зависят от ионосферы.

Декаметровый диапазон заполнен большим числом сигналов связных и радиовещательных станций, которые влияют на работу загоризонтной РЛС как сосредоточенные по частоте радиопомехи. На некоторых участках диапазона мощность указанных помех может на несколько порядков превышать мощность отраженного сигнала. Кроме того, в этом диапазоне заметно проявляют себя атмосферные помехи, космические шумы и другие активные по­мехи. Поэтому в ЗГ РЛО должны быть приняты специальные ме­ры, чтобы максимально ослабить действие активных помех.

На работу ЗГ РЛС могут сильно влиять также пассивные по­мехи, возникающие за счет отражений от земной поверхности. Эти помехи могут иметь уровень, существенно превышающий уровень полезного сигнала. Поэтому без применения специальных мер ослабления этих помех РЛС работать не может.

Одним из распространенных способов получить большую даль­ность действия в условиях высокого уровня помех является при­менение радиолокационных средств с большим потенциалом, что налагает специфические требования на антенно-фидерные (АФУ), передающие и приемные устройства РЛС. Иногда необходимо просто сменить диапазон работы РЛС, «забитый» помехами. В этом случае требуется, чтобы передающие и приемные устройства обеспечивали возможность быстрой перестройки в ши­роком диапазоне частот работы РЛС, а АФУ сохраняли в задан­ных пределах свои параметры в этом диапазоне.

Одним из основных факторов, определяющих уровень прини­маемого РЛС полезного сигнала, является эффективная отража­ющая площадь объекта наблюдения. Объектами наблюдения для загоризонтной радиолокации могут быть резко выраженные неровности поверхности, такие как горы, города, острова; морская поверхность; самолеты и корабли; стартующие баллистические ра­кеты; области ядерных взрывов; северное сияние; метеоры и дру­гие цели, находящиеся на высотах ниже слоя максимальной иони­зации.

Отмеченные выше особенности загоризонтной радиолокации являются определяющими при выборе технических решений, на базе которых могут быть созданы ЗГ РЛС обнаружения целей.

Антенны ЗГ РЛС должны иметь значительный коэффициент усиления и одновременно обеспечивать быстрое сканирование луча в пределах большой зоны обзора по азимуту. Кроме того, антенны должны допускать управление по углу места и пропу­скать сигналы большой мощности. Одно из наиболее трудно вы­полнимых требований заключается в обеспечении возможности работы антенн в пределах очень широкого диапазона частот, так как необходимы постоянная отстройка от помех и подбор трассы прохождения в зависимости от состояния ионосферы. Желательно также, чтобы уровень боковых лепестков диаграммы направлен­ности (ДН) был возможно ниже. Это общее требование ко всякой антенне является особенно существенным для антенны ЗГ РЛС вследствие высокого уровня помех в декаметровом диапазоне причем, помехи из-за отражений от области северных сияний и метеоров, попадающие в приемное устройство по боковым лепесткам ДН приемной антенны, могут приходить с больших дальностей.

Для получения узкой ДН рассматриваемые антенны должны иметь большие размеры; вследствие этого длина антенного полот­на может составлять несколько сотен метров.

Приемное устройство ЗГ РЛС вынуждено работать в очень сложных условиях. В первую очередь это обусловлено высоким уровнем как активных (от радиостанций), так и пассивных по­мех за счет отражений от Земли и ионосферы. Помимо этого за­метно проявляют себя замирания. Требования к радиоприемным устройствам значительно усложняются также необходимостью обе­спечивать заданные характеристики при работе в широком диапаздне частот.

Непрерывно изменяющиеся условия распространения радио­волн вследствие изменчивости ионосферы, а также быстро меняю­щаяся помеховая обстановка не позволяют получить не только наибольшее возможное, но даже сколько-нибудь удовлетворитель­ное отношение сигнал-помеха при длительной работе на одной фиксированной частоте. Для эффектив­ной работы ЗГ РЛС нужно непрерывно иметь текущее описание условий распространения радиоволн. Кроме того, излучаемый РЛС сигнал и обработка сигнала в приемном устройстве должны быть согласованы с ионосферными и помеховыми условиями, су­ществующими в данный момент времени. В связи со сказанным ЗГ РЛС должны представлять собой адаптирующиеся системы.

Информацию о текущей обстановке можно получить с по­мощью тех же методов, которые используются для обеспечения наилучших рабочих условий при коротковолновой радиосвязи. К ним относятся вертикальное зондирование ионосферы, наклон­ное зондирование и текущее определение степени поражения ра­диопомехами той части диапазона, которая для данных условий может быть использована для радиолокации. Загоризонтные РЛС, работающие по принципу обратного рассеяния, обладают возмож­ностями, недоступными для радиостанции связи. Наблюдая за сигналами, отраженными от Земли, можно получить информацию о состоянии ионосферы и об условиях прохождения радиоволн на трассе, но для этого в состав ЗГ РЛС необходимо включить тех­нические средства, позволяющие сделать выбор области частот, для которой обеспечивается приемлемое затухание на трассе рас­пространения, а также средства, позволяющие выбрать рабочий канал с минимальным уровнем радиопомех.

В качестве примеров приведем некоторые данные об основных характеристиках; которые могут быть достигнуты в декаметровых станциях загоризонтного обнаружения самолетов.

Дальность действия 1000...4000 км; большие дальности могут быть получены за счет многоскачкового распространения, но с ухудшенными характеристиками по сравнению с приводимыми ниже.

Разрешение по дальности — от 2 км и хуже (обычно 20...40 км).

Относительная погрешность измерения дальности 2...4 км для положения одной цели относительно другой, координаты которой измерены той же РЛС.

Абсолютная погрешность измерения дальности 10...20 км обес­печивается в случае правильного определения пути распростране­ния зондирующего и ответного сигналов.

Разрешение по углу определяется шириной луча ДН; оно мо­жет быть меньше 1⁰, что соответствует линейному размеру 50 км на дальности 3000 км.

Точность по углу обеспечивается образованием нескольких лу­чей (до 10) с достаточно высоким отношением сигнала к помехе. С учетом влияния ионосферы погрешность по углу может состав­лять несколько долей градуса.

Разрешение целей по скорости в РЛС возможно при выделении доплеровских частот 0,1 Гц и даже ниже. На частоте 20 МГц зна­чение 0,1 Гц соответствует разности относительных скоростей 2,7 км/ч.