Представление радиосигналов

А. С. Карташкин

Авиационные радиосистемы

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................................................4

Глава 1

РАДИОСИГНАЛЫ

1.1. Представление радиосигналов ………………………………………………………………............................8

1.2. Распространение радиосигналов........................................................................................................................16

Влияние тропосферы на распространение радиоволн..................................................................................16

Влияние ионосферы на распространение радиоволн...................................................................................18

1.3. Модуляция радиосигналов..................................................................................................................................24

Глава 2

РАДИОСИСТЕМЫ СВЯЗИ

2.1. Структура радиосистемы связи..........................................................................................................................33

Радиосистемы ближней связи.........................................................................................................................35

Радиосистемы дальней связи...........................................................................................................................36

2.2. Построение радиопередающего устройства......................................................................................................39

Микрофон (ларингофон)................................................................................................................................41

Усилитель низкой частоты..............................................................................................................................44 Гетеродин....................................................................................................................................……………..47 Модулятор.............................................................................................................. …………………………..49

Усилитель высокой частоты.......................................................................................................................... 51

Передающая антенна....................................................................................................................................... 53

2.3. Построение радиоприемного устройства..........................................................................................................53

Приемная антенна.............................................................................................................................................56

Усилитель высокой частоты...........................................................................................................................56

Детектор (демодулятор)..................................................................................................................................56

Усилитель низкой частоты..............................................................................................................................59

Динамик (громкоговоритель).........................................................................................................................59

2.4. Приемо-передающие антенны............................................................................................................................61

Самолетные антенны радиосистем дальней связи......................................................................................64

Самолетные антенны радиосистем ближней связи.....................................................................................69

Глава 3

РАДИОСИСТЕМЫ НАВИГАЦИОННО-ПИЛОТАЖНОГО КОМПЛЕКСА

3.1. Общие положения................................................................................................................................................75

3.2. Радиотехнические методы измерения координат............................................................................................76

Методы измерения дальности........................................................................................................................88

Методы измерения угловых координат.........................................................................................................103

Измерение скорости.........................................................................................................................................114

3.3. Радиодальномеры...............................................................................................................................................119

Бортовые радиодальномеры.........................................................................................................................119

Наземные радиодальномеры.........................................................................................................................139

3.4. Радиосистемы дальней навигации....................................................................................................................147

Фазовая дальномерная РСДН....................................................................................................................... 148

Разностно-дальномерные РСДН................................................................................................................. 157

Спутниковая РСДН....................................................................................................................................... 169

3.5. Радиосистемы предупреждения столкновений............................................................................................. 178

Импульсная запросно-ответная РСПС........................................................................................................ 181

Асинхронная запросно-ответная РСПС...................................................................................................... 184

3.6. Радиолокационная система профильного полета........................................................................................... 188

3.7. Радиолокационная система обзора земной поверхности................................................................. ………..192

Панорамная РОЗ............................................................................................................................................ 193

РОЗ с синтезированием апертуры.,............................................................................................................ 200

3.8. Метеонавигационные радиолокационные системы....................................................................................... 206

3.9. Автоматический радиокомпас........................................................................................................................ 210

3.10. Корреляционная радиосистема измерения путевой скорости и угла сноса............................................... 217

3.11.Радиосистема навигации по картам местности............................................................................................ 223

Глава 4

РАДИОСИСТЕМЫ ОБЗОРНО-ПРИЦЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

4.1. Общие положения.............................................................................................................................................. 230

4.2. Радиосистемы опознавания...............................................................................................................................230

4.3. Радиосистемы перехвата и прицеливания............................................................................................ ……...233 Некогерентная РСПП..................................................................................................................................... 339

Когерентная РСПП........................................................................................................................................ 243

4.4. Радиосистемы наведения................................................................................................................................. 251

Радиосистемы наведения в луче.................................................................................................................. 251

Радиосистема самонаведения...................................................................................................................... 257

4.5. Комплекс радиолокационного дозора и наведения....................................................................................... 259

Глава 5

СИСТЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ БОРЬБЫ

5.1. Общие положения............................................................................................................................................ 262

5.2. Система радиоэлектронной разведки............................................................................................................. 262

5.3. Системы радиоэлектронного противодействия............................................................................................. 274

Активныеметоды радиоэлектронного противодействия........................................................................... 274

РРПД с излучением имитационных помех..................................................... …………………………... 285

Пассивныеметоды радиоэлектронногопротиводействия......................................................................... 295

5.4. Системы радиоэлектронной маскировки........................................................................................................ 300

Методы повышения скрытности функционирования радиосистем……………………………………. 301

Методыснижения радиолокационнойзаметности объектов..................................................................... 303

5.5. Системы радиоэлектронной защиты............................................................................................................... 306

РСРЗ с пространственной селекцией.......................................................................................................... 306

РСРЗ с частотной селекцией........................................................................................................................ 309

РСРЗ с временной селекцией...................................................................................................................... 312

РСРЗ с амплитудной селекцией................................................................................................................... 317

Глава 6

РАДИОСИСТЕМЫ НАВИГАЦИОННО-ПОСАДОЧНОГО КОМПЛЕКСА

6.1. Общие положения............................................................................................................................................ 323

6.2. Радиосистемы ближней навигации................................................................................................................. 324

Дальномерный канал РСБН........................................................................................................................ 325

Угломерные (азимутальные) каналы РСБН.............................................................................................. 329

6.3. Радиосистема измерения малых высот.......................................................................................................... 335

6.4. Радиосистема посадки....................................................................................................................................... 339

Дальномерный канал РСП........................................................................................................................... 340

Угломерные каналы РСП....................................................................................................................... 343

В в е д е н и е.

Современная авиация на нынешнем этапе ее развития находится в состоянии интенсивного совершенствования. С одной стороны, это связано с расширением круга стратегических и тактических задач, диктуемых эксплуатацией околоземного пространства. С другой стороны, прогресс авиации обусловлен ростом технических характеристик летательных аппаратов – таких, как высотность, скороподъемность, грузоподъемность, полетная дальность и т.д. Эти две основные причины ведут к необходимости все более дифференцированного контроля за постоянно усложняющейся воздушной обстановкой и все более оперативного управления складывающейся ситуацией.

Решение указанных проблем контроля и управления в подавляющем большинстве случаев возлагается на радиосистемы.

Термином «радиосистема», образованным соединением латинского radio (излучение) и греческого systema (целое, составленное из частей), обозначается сложный технический объект, который предназначен для решения определенной тактической задачи и использует в процессе своего функционирования электромагнитные волны. В классе авиационных радиосистем подобными тактическими задачами являются, например, автоматизированное выполнение отдельных этапов самолетовождения (маневрирование, посадка) или автоматическое отображение воздушной обстановки на экранах наземных индикаторных устройств.

Сложность радиосистемы, как технического объекта, обусловлена двумя основными группами факторов. К первой из этих групп относится структурно-функциональная неоднородность – система обычно состоит из различных устройств (узлов, предназначенных для выполнения той или иной технической функции), каждое их которых обладает структурой, отличной от структур других устройств, и решает задачи, иные по сравнению с задачами прочих устройств; в частности, в составе радиосистемы обычно присутствуют такие фукционально – различные узлы, как радиопередающее и радиоприемное устройства, антенны, индикаторы и др.

Вторая группа факторов связана с так называемой материальной разнородностью – правильное функционирование радиосистемы обеспечивается использованием не только электронных узлов (усилители, генераторы и т.д.) или механических конструкций (штыревые антенны, волноводы и т.п.), но и весьма специфического переносчика информации – электромагнитного поля.

Что касается круга тактических задач, решаемых с помощью радиосистем вообще, то он достаточно широк – передача и прием различных сообщений речевой и неречевой природы, определение государственной принадлежности самолетов, выяснение их местонахождения и др. При этом радиосистемы могут выполнять свои функции, работая как в автономном (самостоятельном) режиме, так и будучи включенными в состав более крупного образования – комплекса, который, объединяя в своем составе несколько радиосистем, предназначен для решения совокупности тактических задач (таким является, например, навигационно-пилотажный комплекс).

Применение радиосистем в авиационной практике началось около ста лет назад – в первые годы XX века. Исторически - первыми оказались радиосистемы передачи информации (оператор, находящийся на земле, сообщал летчику об изменении воздушной обстановки – например, о появлении на большом удалении самолетов противника). Несколько позже появились навигационные радиосистемы пеленгации (бортовые радиоприемники самолетов, прилетавших в облачную погоду со стороны моря, определяли курсовые углы по сигналам, полученным от береговых радиомаяков).

В настоящее время радиосистемы, наряду с другими системами (например, гироскопическими или электрогидромеханическими) прочно вошли в повседневную авиационную практику.

К основным преимуществам радиосистем, позволяющим им решать большой объем авиационных задач, могут быть отнесены следующие:

- дистанционность действия;

факт дистанционности действия радиосистем обусловлен способностью электромагнитных волн отрываться от породившего их источника (от антенны радиопередающего устройства) и распространяться в пространстве на значительные расстояния (тысячи километров и более);

Во многих случаях радиосистемы оказываются единственным средством осуществления дистанционного контакта – оптические, в частности, средства имеют в сильном тумане крайне малую дальность действия, а визуальная, например, оценка пилотом воздушной ситуации чрезмерно затруднена в ночных условиях и т.д.

- многофункциональность;

данное преимущество связано с широким перечнем возможностей, предоставляемых приемо-передающим режимом работы – например, одна и та же радиосистема может быть использована не только для определения местоположения (дальности и угловых координат) летательного аппарата, но также для вычисления его скорости, для передачи информации, для выяснения государственной принадлежности др.

- гибкость;

указанная особенность основывается на способности радиосистемы изменять свои параметры в достаточно большом диапазоне при неизменных массо-габаритных и энергетических показателях – в частности, использование различных видов модуляции радиосигналов приводит к возможности передачи значительных объемов информации (принадлежащей, возможно, к существенно-отличным классам), а применение частотной перестройки позволяет повысить помехозащищенность радиосистемы.

- оперативность;

отмеченное достоинство подтверждается не только высокой (и практически постоянной) скоростью распространения электромагнитных волн в пространстве или практически безинерционным прохождением радиосигнала через электронные узлы, но также и быстротой принятия решения в устройствах обработки информации.

- высокая информативность;

это преимущество базируется на использовании сложно-кодированных высокочастотных радиосигналов, каждый из которых способен перенести значительный объем разнородной информации.

- автономность;

данное обстоятельство обусловлено способностью ряда радиосистем выполнять свои функции самостоятельно без обращения к помощи других систем (радиосистем в том числе)

Отмеченные достоинства радиосистем подкрепляются также рядом иных положительных факторов:

- теория функционирования и практика использования радиосистем в

настоящее время развиты достаточно хорошо;

- современная элементная база позволяет реализовывать радиосистемы с приемлемыми массо-габаритными, энергетическими и надежностными показателями;

- наличие электронных вычислительных машин дает возможность обрабатывать все более увеличивающиеся объемы информации с высокими скоростями.

Вместе с тем, радиосистемам присущи и недостатки, основными из которых являются:

- сравнительная дороговизна (по различным источникам, от 60 до 80 процентов стоимости укомплектованного летательного аппарата составляют затраты на радиосистемное оборудование);

- значительное энергопотребление (и связанная с этим необходимость для бортовых радиосистем иметь на летательном аппарате мощные устройства электропитания) при невысоком коэффициенте полезного действия энергоисточника – например, мощность, излучаемая в пространство доплеровской навигационной системой AN/ASM – 128, составляет 50 млВт, тогда как потребляемая (по переменному току 400 Гц от бортовой энергосети) мощность достигает величины 125 Вт.

- необходимость (в ряде случаев) выноса приемо-передающих антенн бортовых радиосистем за пределы фюзеляжа (что приводит к ухудшению аэродинамических характеристик летательного аппарата);

- невозможность (во многих случаях) выполнения полнотраекторного (от

взлета до посадки) радиоконтакта одной и той же наземной

радиосистемы с бортовой радиосистемой совершающего полет

летательного аппарата (что, при использовании нескольких наземных

радиосистем, удорожает стоимость полета, а также может привести к

наличию зон полета с отсутствием радиоконтакта);

- ухудшение экологической обстановки в окружающей среде (за счет

неизбежного для радиосистем излучения электромагнитных волн).

Что касается классификаций авиационных радиосистем, то они могут быть выполнены по различным признакам. Наиболее употребительными в настоящее время являются классификации по месту расположения радиосистемы и по области ее использования:

1. По месту расположения;

В этом случае радиосистемы подразделяются на следующие классы:

- наземные (например, радиомаяки, радиосистемы обзора воздушного

пространства);

- бортовые (например, автоматический радиокомпас, радиосистема обзора

земной поверхности);

Вместе с тем, следует отметить, что нередко в одной и той же радиосистеме присутствует как наземное, так и бортовое радиооборудование (например, радиосистема определения государственной принадлежности, радиосистема посадки).

2. По области использования;

В этом случае радиосистемы подразделяются на следующие классы:

- гражданские (например, радиосистема предупреждения столкновений,

радиосистема управления воздушным движением);

- военные (например, радиосистема перехвата и прицеливания,

радиосистема наведения).

Следует, однако, отметить, что значительное количество радиосистем обладают так называемой «двойной применимостью», то есть могут быть использованы как в гражданской, так и в военной авиации (например, радиовысотомер малых высот, доплеровский измеритель скорости).

Глава 1.

Радиосигналы.

Представление радиосигналов.

Слово «сигнал», происходящее от латинского signum (знак), обычно истолковывается как «материальный переносчик информации». При этом информация (сообщение, смысловое содержание) и ее переносчик (сигнал) являются, вообще говоря, независимыми друг от друга объектами. Информация может быть, например, нематериальной (иметь виртуальную, воображаемую природу). Сигналы материальны всегда – в частности они могут быть звуковыми, температурными (тепловыми), гидравлическими и т.д. Что касается радиосигнала, то он может быть представлен в двух формах:

1) как электрический ток I (поток электрически-заряженных частиц – например, электронов) или электрическое напряжение U, возникающее на сопротивлении R при прохождении через него тока I;

2) как электромагнитная волна (в этом случае материальным переносчиком является электромагнитное поле, которое состоит из совокупности взаимосвязанных составляющих – напряженности Е электрического поля и напряженности Н магнитного поля).

При этом радиосигнал в форме электрического тока I (или напряжения U) существует обычно внутри того или иного радиоустройства (электронные потоки движутся как по соединительным проводникам, так и через электронные приборы – лампы, транзисторы и т.д.), а радиосигнал в форме электромагнитной волны распространяется в определенной среде (тропосфера, ионосфера и др.) между пространственно-разнесенными устройствами одной и той же радиосистемы, либо между различными радиосистемами.

В связи с существованием двух форм радиосигнала возникает проблема их сопряжения, то есть неискаженного перевода одной формы в другую. Физической основой такого сопряжения являются два взаимно-обратных факта. Первый из них состоит в том, что протекающий по проводнику переменный электрический ток I порождает в пространстве вокруг проводника переменное электромагнитное поле. Второй заключается в том, что переменное электромагнитное поле, воздействуя на проводник, наводит (индуцирует) в этом проводнике переменный электрический ток I. При этом в обоих случаях частоты электромагнитного поля и тока совпадают, а это обеспечивает структурную неискаженность сопрягаемых форм радиосигнала.

Для математического описания переменных во времени радиосигналов могут быть, в принципе, использованы различные аналитические функции, причем достаточно произвольного вида. Между тем, иметь дело с многообразием формальных представлений далеко не всегда удобно, особенно при проектировании типовых радиотехнических узлов. Поэтому было решено выбрать в качестве основной одну математическую зависимость – так называемую базисную функцию Выбор базисной функции основывался на ряде как технических факторов (удобство генерирования сигналов данной формы, малые искажения указанных сигналов при их усилении, сравнительная простота модулирования параметров этих сигналов и т.д.), так и формальных соображений (наглядность, приемлемая аппроксимируемость многих основных радиотехнических процессов, удобство выполнения математических операций, достаточная аналитичность выражений и т.п.). В итоге, в качестве базисной функции была выбрана синусоидальная зависимость, которая нередко называется гармонической, или еще проще – гармоникой. Дополнительным преимуществом гармонического представления является то, что радиосигналы несинусоидальной формы могут быть записаны в виде линейных комбинаций гармонических функций.

Используемая далее, базисная функция выглядит следующим образом:

- для напряжений U (t) и токов I (t):

U (t) = um Sin ( + ); (1.1)

I (t) = Im Sin ( + );

- для напряженностей электрического E (t) и магнитного H (t) полей:

E (t) = Em Sin ( + ) (1.1)

H (t) = Hm Sin ( + )

В этих выражениях:

U (t), I (t), E (t), H (t) – мгновенные значения соответствующих величин в любой точке пространства (в той, разумеется, точке, где эти величины существуют), в частности:

U (t) – мгновенное значение напряжения; единица измерения – вольт (сокращенно: );

I (t) – мгновенное значение силы тока; единица измерения – ампер (сокращенно: );

E (t) – мгновенное значение напряженности электрического поля; единица измерения – вольт, деленный на метр (сокращенно: );

H (t) – мгновенное значение напряженности магнитного поля; единица измерения – ампер, деленный на метр (сокращенно: );

Кроме того:

- амплитудное (максимальное по модулю) значение напряжения; размерность - ;

- амплитудное значение силы тока; размерность - ;

- амплитудное значение напряженности электрического поля;

размерность - ;

- амплитудное значение напряженности магнитного поля, размерность - ;

- круговая частота; единица измерения – радиан, деленный на секунду (сокращенно: );

- текущий момент времени; единица измерения – секунда

(сокращенно: );

- начальная фаза; единица измерения – радиан (сокращенно: ),

или градус (сокращенно или ); связь между радианом и

градусом дается приближенными соотношениями:

1 рад = град 57,1 град; 1 град = 0,0174 рад.

Отметим, что хотя ток и напряжение имеют различную физическую сущность, они, однако, функционально связаны друг с другом – это дает основание для их формальной записи в одинаковой форме, а именно, в виде соотношения (1.1). То же самое относится и к составляющим электромагнитного поля и - при неодинаковой физической природе математическая запись динамики каждой из них выражена идентичными алгоритмами, что позволяет (для сокращения) использовать лишь уравнение (1.2). Учитывая дополнительно, что частоты тока и возбужденного им электромагнитного поля одинаковы, для исследования особенностей базисной функции радиосигнала обратимся к изучению лишь одного выражения – (1.1).

График базисной функции радиосигнала (1.1) представлен на рис.1.1.

На практике, однако, чаще имеют дело не с круговой частотой , а с циклической . Единицей измерения этой частоты является 1 герц, сокращенно - . А поскольку за величину 1 Гц принято считать одно колебание в одну секунду, то связь между 1 Гц и 1 сек имеет следующий вид: = , и в аналитической форме записывается как

= , (1. 3)

где - период колебания; имеет размерность

Если учесть, что круговая частота связана с циклической частотой соотношением

= 2 , (1. 4)

где = 3, 14...,

то графическое изображение базисной функции (1.1) может быть представлено в системе координат, отличной от рис. 1.1, а именно – как показано на рис. 1.2.

В этом случае аналитическая запись базисной функции (1.1.1) принимает вид:

(1. 5)

или

(1. 6)

легко видеть, что соотношения (1.5) и (1.6) могут быть также записаны как:

или

В связи с введением циклической частоты (далее – просто «частоты») рассмотрим чрезвычайно важный в теории радиосигналов вопрос о спектрах.

В общем случае, полным спектром радиосигнала называется амплитудно-фазовая зависимость гармонических составляющих этого радиосигнала от частот указанных составляющих. Как следует из этого определения, полный спектр представляет собой совокупность двух различных компонентов:

- зависимость начальных фаз гармонических составляющих радиосигнала от частот этих гармонических составляющих (фазовый спектр радиосигнала);

- зависимость амплитуд гармонических составляющих радиосигнала от частот этих гармонических составляющих (амплитудный спектр радиосигнала).

Поскольку на практике основное применение имеет амплитудный спектр, а фазовым спектром интересуются сравнительно редко, далее будем рассматривать только амплитудный спектр, называя его просто «спектром».

Как отмечалось ранее, радиосигнал может иметь две физические сущности – электронную (в узлах радиосистемы и между ними) и полевую (между пространственно-разнесенными радиоустройствами, либо радиосистемами).

При этом понятие «спектр» преимущественно соотносится с электронной формой радиосигнала.

На рис. 1.3. изображены:

а) базисная функция низкочастотного радиосигнала и спектр этого радиосигнала;

б) базисная функция высокочастотного радиосигнала и спектр этого радиосигнала.

Если же обратиться к полевой форме радиосигнала, то в этом случае на практике весьма широкое хождение имеет понятие «длина волны».

Длиной волны гармонического радиосигнала (в математическом отображении – базисной функции) называется расстояние, которое проходит указанный радиосигнал за время, равное одному периоду этого гармонического колебания. Связь длины волны с периодом задается следующим соотношением:

= , (1.7)

где - скорость распространения данного радиосигнала в пространстве.

Значение для радиоволн, распространяющихся в земной атмосфере, составляет величину 299 792, 4562 , но в практических расчетах принимают равной 300 000 (скорость распространения радиоволн в вакууме).

Если учесть выражение (1.7), то соотношение (1.2) может быть переписано следующим образом:

, (1.8)

где - текущее расстояние ();

- длина волны радиосигнала с базисной функцией (1.2)

Зависимость (1.8), характеризующая распределение значений величины в функции от расстояния для фиксированного момента времени , называется пространственной гармоникой. Она представлена на рис. 1.4. Значение

является пространственной начальной фазой гармонического колебания ,

поскольку приведенное соотношение (1.8) может быть переписано следующим образом:

= .

На рис. 1.5 показано поведение функции во времени, имеющее место в

фиксированной точке пространства (то есть при ).

Таким образом, совокупность соотношений (1.2) и (1.8), иллюстрируемых

соответственно рисунками 1.5 и 1.4, дают представление о пространственно-временном поведении напряженности электрического поля.

На рис. 1.6 и 1.7 изображены зависимости изменений электрического тока и напряженности магнитного поля в функции времени . Отметим, что с формальной точки зрения эти зависимости не отличаются от графика , представленного

на рис. 1.2. Что же касается физической картины и , то она, разумеется, будет иной, чем для .

Подводя итог, отметим, что выражения (1.1), (1.6) и (1.8) дают различные (временную, фазовую и пространственную) интерпретации одной и той же базовой функции.

Перейдем к рассмотрению вопроса о классификации гармонических радиосигналов.

Практическое использование авиационных радиосистем позволило еще в первой половине XX века выявить, что распространение в атмосфере радиоволн с различными происходит неодинаковым образом. Именно это обстоятельство и стало одним из главных принципов разделения всей совокупности гармонических радиосигналов на отдельные диапазоны.

Современная градационная шкала радиоволновых и оптического (приведенного для ориентировки) диапазонов представлена в таблице 1.

Таблица 1

Нижняя граница	Название диапазона	Верхняя граница
3	10	Инфранизкие радиоволны
	10	Сверхдлинные радиоволны (СДВ)
		Длинные радиоволны (ДВ)
		Средние радиоволны (СВ)
		Короткие радиоволны (КВ)
Ультракороткие радиоволны (УКВ):
		- метровые (МВ)
		- дециметровые (ДМВ)
		- сантиметровые (СМВ)
	(1 см)	- миллиметровые (ММВ)
Оптические радиоволны:
	(1 мм)	- инфракрасные (ИК)
	(0,75мк=7500 )	- видимый свет
	(0,4мк=4000 )	- ультрафиолетовые (УФ)		10 (0,1мк=1000 )

Дадим некоторые пояснения к таблице 1:

а) радиоволны длиннее м (т.е. инфранизкий диапазон) в авиационных радиосистемах практически не используются – так же, как и радиоволны короче м; данные классификационные разделы приведены лишь для полноты общей картины;

б) наиболее часто в практике авиационных радиосистем используются ультракороткие (с длинами волн от 1 см до 10 м) радиоволны; при этом волны сантиметрового и дециметрового диапазонов иногда называют радиоволнами сверхвысоких частот (СВЧ);

в) дополнительно-указанные в таблице величины имеют следующие значения и наименования:

1 млГц (миллигерц) = Гц;

1 кГц (килогерц) = Гц;

1 МГц (мегагерц) = Гц;

1 ГГц (гигагерц) = Гц;

1 ТГц (терагерц) = Гц;

1 мк (микрон, микрометр) = м = 10 мм;

1 (ангстрем) = м = мм = мк.

Поиск по сайту: