Первая часть статьи посвящённая загоризонтным радиолокационным станциям, кому интересно приятного чтения.

ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ

В прошлой статье теорию распространения радиоволн я упростил до предела, некоторые сочли это за моветон и были полностью правы. Поэтому для начала постараюсь кратко и максимально понятно рассказать о том что это такое и с чем это едят. Для начала, длина радиоволны и её частота жёстко связаны. Эта связь максимально просто описывается формулой: длинна волны=скорость света/частота (относительной магнитной проницаемостью среды и прочим пренебрёг сознательно, буду делать это и в дальнейшем для упрощения понимания материала, так что любители точного академического знания - бес паники!). В прошлой статье дециметровые и сантиметровые волны я назвал короткими и заслужено подвергся критики за КВ диапазон, хотя имел в виду немного другое. Что бы убрать недопонимание привожу описание, где кратко и понятно названы диапазоны и характеристики радио волн в их пределах (академики, ещё раз напоминаю! кратко, просто, понятно), и ещё условные обозначения частота f - измеряется в герцах, длина волны λ - измеряется в метрах :

 

Сверхдлинные волны (СДВ диапазон) — f = 3—30 кГц (λ = 10—100 км). Имеют свойство проникать вглубь толщи воды до 20 м и в связи с этим применяются для связи с подводными лодками, причем, лодке не обязательно всплывать на эту глубину, достаточно выкинуть радио буй до этого уровня. Эти волны могут распространяться вплоть до огибания земли, расстояние между земной поверхностью и ионосферой, представляет для них «волновод», по которому они беспрепятственно распространяются.

 

Длинные волны (ДВ) f = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м). Этот тип радиоволны обладает свойством огибать препятствия, используется для связи на большие расстояния. Также обладает слабой проникающей способностью, так что если у вас нет выносной антенны, вам вряд ли удастся поймать какую-либо радиостанцию.

 

Средние волны (СВ) f = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м). Эти радиоволны хорошо отражаются от ионосферы, находящейся на расстоянии 100-450 км над поверхностью земли.Особенность этих волн в том, что в дневное время они поглощаются ионосферой и эффекта отражения не происходит. Этот эффект используется практически, для связи, обычно на несколько сотен километров в ночное время.

 

Короткие волны (КВ) f= 3—30 МГц (λ = 100—10 м). Подобно средним волнам, хорошо отражаются от ионосферы, но в отличии от них, не зависимо от времени суток. Могут распространяться на большие расстояния (несколько тысяч км) за счет пере отражений от ионосферы и поверхности земли, такое распространение называют скачковым. Передатчиков большой мощности для этого не требуется.

 

Ультракороткие Волны(УКВ) f = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м). Эти волны могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств, этот диапазон широко используется для радио трансляций. Недостатком является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями.

 

Дальше диапазоны именуются по частотам:

 

Ультравысокие частоты (УВЧ) f = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м). Не огибают препятствия и имеют хорошую проникающую способность. Используются в сетях сотовой связи и wi-fi сетях.
Еще одной интересной особенностью волн этого диапазона, является то, что молекулы воды, способны максимально поглощать их энергию и преобразовывать ее в тепловую. Этот эффект используется в микроволновых печах.

 

Сверхвысокие частоты (СВЧ) f  = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м). Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в космической связи.

 

Крайне высокие частоты (КВЧ) f  = 30 ГГц — 300 ГГц (λ = 10—1 мм). Практически то же самое что и СВЧ, Используются в космической связи, высокоскоростной беспроводной связи, метеорологических радарах и медицине.

 

Так основное вроде скопипастил перечислил, вот вам картинка для передыху от множества букАв, на картинке есть так называемый земной луч, о нём будет немного позже.

Картинка с просторов гуглопоиска.

 

Отдохнули? Теперь снова за парту. Опять отсылка к прошлой статье, в коментах развели срач по поводу дифракции и интерференции радиоволн. Если в двух словах, радиоволны огибают только те предметы которые меньше их длины, чем меньше длина волны тем меньше она распространяется за угол (академики, смотрите выше). К примеру длинные волны (ДВ) в состоянии огибать большие препятствия такие как горы, но не полностью, так как возможно образования радиотени, если склон горы достаточно крутой. Вот пример на картинке из учебника, где приёмник "а" не сможет ничего услышать, а приёмник "б" в зоне приёма:

В КВ диапазоне и выше по частоте (УКВ, УВЧ, СВЧ, КВЧ) картина уже другая, длина волн становиться короче и волны уже не могут огибать препятствия. Сейчас академики снова поднимут вой по поводу дифракции (огибания), но штука в чём, на этих частотах значение дифракции настолько мало что им можно пренебрегать, и чем частота выше тем значение меньше. Поэтому распространение длинных радиоволн больше похоже на распространение звука, а распространение коротких волн ближе к распространению света. Теперь несколько слов по поводу радиогоризонта, некоторым, судя по коментам, он причинил сильную боль ниже спины. По скольку довольно много людей слабо могут представлять вещи и процессы в трехмерном (объёмном) виде, в моих описаниях земля не сферическая, эллипсоидная и т.д., а круглая, да именно КРУГЛАЯ, от слова круг!!! И конечно она ровная и гладкая! Во картинка из просторов гуглопоиска, где земля круглая и где есть этот самый радио горизонт:

Антенна А имеет высоту h1, антенна В расположена на высоте h2. Максимальную дистанцию R на которой они будут в зоне прямой видимости и прямую линию между ними не будет преграждать ровная и круглая земля

можно высчитать по формуле: . Вот почему можно пользоваться коротковолновой связью за пределами обычного горизонта, достаточно поднять повыше антенну. Эту формулу можно использовать и для определения радио горизонта РЛС, только вместо антенны А приёмопередающая антенна РЛС, а вместо антенны В воздушный объект который должен быть обнаружен РЛСкой. Если объект летит на сверх малой высоте, то можно узнать на какой дистанции его можно будет обнаружить. Это относиться к классическим видам радиолокации.

 

КАК ЗАГЛЯНУТЬ ЗА ГОРИЗОНТ

За горизонт хорошо распространяться, точнее огибают землю, сверх длинные волны. Но для радиолокации они не пригодны по нескольким причинам, из-за большой длины они в состоянии отражаться, и то не всегда, только от ну очень больших объектов, для их излучения и приёма необходимы антенны огромных размеров, в идеале не меньше 1/4 длины волны. То есть даже если построить такую РЛС, она займет площадь города средних размеров, и с её помощью можно будет увидеть (и то врядли) новые горы, если протоАмерЫканцы захотят вырыть у себя чёрное море где-нибудь в Техасе. Поэтому для радиолокации используют волны меньшей длины, длина которых сопоставима с объектами которые хотят обнаружить, есть конечно "секретные" ритуалы танцев с бубнами которые позволяют увидеть объекты меньших размеров чем длина волны, но не о них речь. Есть два способа заглянуть за горизонт волнами не большой длины. Первый при помощи отражения КВ от ионосферы, второй при помощи поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ).

 

ОТРАЖЕНИЕ КВ ОТ ИОНОСФЕРЫ 

Думаю не имеет смысла объяснять почему ионосфера может отражать некоторые типы волн, копипастить физические законы довольно скучно, кто захочет сам загуглит. А если в двух словах и максимально просто, в ионосфере достаточно плазмы для отражения радио волн (академики, ну вы поняли). Поэтому примем как факт КВ могут отражаться как от земли, так и от ионосферы. РЛС такого принципа работы излучают узкий луч радиоволн который отражается от ионосферы и падает на землю, что позволяет увидеть обстановку в том месте где луч достиг земли. Для увеличения дальности так же используют много скачковый принцип, это когда луч не один раз отражается от ионосферы и земли, что бы попасть в заданный район на другой стороне земного круга. Недостатком такого принципа что эти РЛС имеют слепую зону в относительно близости, она находиться ниже радио горизонта в том секторе куда нельзя послать отражённый луч. Пример на картинке с просторов гуглопоиска:

По поводу слепой зоны, послать в неё отражённый сигнал нельзя из-за того что отражение от ионосферы происходит только под определёнными углами. Значения этих углов зависят от состояния ионосферы, которое может меняться в течении суток, поэтому для работы ЗРЛС необходим её постоянный контроль. Если луч попадёт в ионосферу под углом больше необходимого, он переломится и уйдёт в космическое пространство. Пример на картинке, луч под номером 4 переломившись ушёл за пределы ионосферы, а на примере луча номер 1 видно много скачковое отражение:

Теперь о принципах обнаружения целей. Вместе с сигналом от цели возвращается и сигнал от земли под целью, это из-за того что луч подсвечивает цель сверху. Есть множество разных способов как выделить отражённый сигнал от цели на фоне отражённого от земли. Самый простой и наверное самый часто используемый это определение доплеровского смещения. Увы снова теория, доплеровский эффект, если в двух словах, это когда волна отражаясь от движущегося объекта меняет свою частоту, и чем больше скорость объекта тем сильнее меняется частота. То есть ЗРЛС старается принять не ровно тот сигнал который излучила на определённой частоте, а наоборот не принимает сигналы на этой частоте внимательно следя за сигналами на близких частотах, ищет свои же сигналы но только те которые изменились каким либо образом. Если совсем уж по простому, крикнули в даль кодовое слово мужским голосом, а эхо ответило то же слово но только уже женским голосом. Ещё один трюк позволяющий видеть цели на большом расстоянии, это когда РЛС излучает два одинаковых сигнала на разных частотах, тоесть сканирует двумя лучами которые направлены в один и тот же сектор земного круга. Пример, две лазерных указки одна синего другая красного цвета которые моргают с одинаковой частотой. Когда от цели приходят отражённые вместе с помехами два сигнала на разных частотах но с одинаковым сдвигом по частоте, их перемножают между собой. Суть этого действия состоит в чём, одинаковая помеха не может прийти на двух разных частотах, а вот сигналы на этих частотах одинаковы. После перемножения одинаковых сигналов и разных помех, уровень сигнала становиться выше помех и его проще обнаружить. В радиотехнике это называется корреляцией, опять же суть этого метода объяснил поверхностно и максимально просто. Кстати как раз из-за доплеровского смещения, такой тип РЛС видит только подвижные цели.

 

По скольку статья выходит слишком объёмной решил её разбить на две части, так что продолжение следует.

 

ПОСЛЕСЛОВИЕ

Повторюсь для академиков, старался объяснить максимально понятно, поэтому многие вещи упростил до неприличия или вовсе вырезал за ненадобностью. Грамар нации специально для вас проверил в двух редакторах и убрал все красные подчёркивания, самому следить за правильностью и чистотой речи сил нету ибо мозги заняты другим. Все остальные, надеюсь вам было интересно и не скучно, конструктивная критика приветствуется, ну и конечно пишите в коментах что ещё хотели бы узнать.

 

Загоризонтные РЛС, попытка инженера обьяснить сложное по простому. (часть вторая) "Русский дятел", "Зевс" и "Антей".

Вторая часть статьи посвящённая способом увидеть что там за горизонтом. Прочитав комментарии к прошлой статье, решил более подробно рассказать о СДВ связи и РЛС на принципах "небесного луча", о РЛС работающие на принципах "земного луча" будет в следующей статье, уж если рассказывать то рассказывать последовательно.

 

ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ

В первой части статьи я рассказал основы необходимые для понимания. Поэтому если вдруг что то стало непонятно, читайте её, узнаете что-то новое или освежите забытое. В этой части решил перейти от теории к конкретике и вести рассказ опираясь на реальные образцы. Для примеров, во избежании вбросов, дезинформации и разжигании пуканов диванных аналитиков, буду использовать системы которые давно поставлены в строй и не являются секретными. По скольку это не является моей специализацией, я рассказываю то что узнал в бытность мою студентом от преподов, на предмете "Основы Радиолокации и Радионавигации", и то что нарыл по разным источникам на просторах паутины. Комрады хорошо подкованные в этой теме, если найдёте неточность, конструктивная критика всегда приветствуется.

 

"РУССКИЙ ДЯТЕЛ" ОН ЖЕ "ДУГА"

"ДУГА" является первой загоризонтной РЛС в союзе (не путать с надгоризонтными) предназначенной для обнаружения пусков баллистических ракет. Известно о трех станциях этой серии: Экспериментальная установка «ДУГА-Н» возле Николаева, "ДУГА-1" в посёлке Чернобыль-2, "ДУГА-2" в посёлке Большая Картель рядом с Комсомольском-на-Амуре. На данный момент все три станции выведены из эксплуатации их электронное оборудование демонтировано, также демонтированы антенные решетки кроме станции находящийся в Чернобыле. Антенное поле станции "ДУГА" одно из самых заметных сооружений в зоне отчуждения после здания самой ЧАЭС.

Антенное поле "ДУГИ" в Чернобыле, хотя оно больше похоже на стенку)

 

Станция работала в КВ диапазоне на частотах 5-28МГц. Обратите внимание что на фото видно, грубо говоря, две стены. По скольку нельзя было создать одну достаточно широкополосную антенну, было принято решения разбить рабочий диапазон на две антенны, каждая рассчитанная на свою полосу частот. Сами антенны не являются одной цельной антенной а состоят из множества относительно небольших антенн. Такая конструкция называется Фазированной Антенной Решёткой (ФАР). На фото с низу одни сегмент такой ФАР:

Так выглядит один сегмент ФАР "ДУГИ", без несущих конструкций.

Расположение отдельных элементов на несущей конструкции

 

Пару слов о том что такое ФАР. Некоторые просили меня описать что это такое и как это работает, уже думал начать, но пришёл к выводу что придётся это делать в виде отдельной статьи, так как нужно рассказать кучу теории для понимания, так что статья про ФАР будет в будущем. А если в двух словах то: ФАР позволяет принимать радиоволны приходящие на неё с определённого направления и отфильтровывать всё то что приходит с других направлений, при чем изменять направление приёма можно не меняя положения ФАР в пространстве. Что интересно эти две антенны, на снимках с верху, принимающие, то-есть они не могли ничего передавать (излучать) в пространство. Бытует ошибочно мнение что излучателем для "ДУГИ" был находящийся рядом комплекс "КРУГ", это не так. ВНЗ "КРУГ" (не путать с ЗРК КРУГ) был предназначен для других целей, хоть и работал в паре с "ДУГОЙ", о нём будет ниже. Излучатель дуги находился в 60 км от Чернобыля-2 возле города Любеч (Черниговская область). К сожалению не смог найти не одной достоверной фотографии сего объекта, есть только словесное описание: "Передающие антенны также построены по принципу фазированной антенной решётки и были меньше и ниже, их высота составляла 85 метров.". Если кто вдруг обладает фотографиями этого сооружения буду очень благодарен. Приёмная система ЗРЛС "ДУГА" потребляла около 10 МВт, сколько потреблял передатчик сказать не могу ибо цифры уж очень отличаются в разных источниках, на вскидку могу сказать что мощность одного импульса была не меньше 160 МВт. Хочу обратить внимание что излучатель был импульсный, как раз эти импульсы, которые слышали в своём эфире американцы, и дали название для станции "дятел".

Использование импульсов необходимо для того чтобы при их помощи можно достичь больше излучаемой мощности чем постоянная потребляемая мощность излучателя. Это достигается путём накопления энергии в период между импульсами, и излучение этой энергии в виде кратковременного импульса. Обычно время между импульсами, не меньше чем в десять раз, превышает время самого импульса. Именно такое колоссальное потребление энергии объясняет постройку станции в относительно близости от АЭС - источника энергии. Вот как кстати звучал "русский дятел" в американском радиоэфире. Что касается возможностей "ДУГИ" то станции этого типа могли засекать только массированный старт ракет при котором образуется большое количество факелов ионизированного газа от двигателей ракет. Нашёл вот такую картинку с секторами обзора трех станций типа "ДУГА":

Эта картинка является правильно отчасти потому что показывает только направления обзора, а сами сектора обзора обозначенный не правильно. В зависимости от состояния ионосферы угол обзора был примерно равен 50-75 градусов, хотя на картинке он показан в градусов 30 максимум. Дальность обзора опять же зависела от состояния ионосферы и была не меньше 3 тыс км, а в лучшем случае можно было видеть пуски аж за экватором.  Из чего можно было сделать вывод что станции просматривали всю территорию северной Америки, Арктики, и северные части атлантического и тихого океанов, одним словом почти все возможные районы пуска баллистических ракет.

 

ВНЗ "КРУГ"

Для корректной работы ЗРЛС и определения оптимальной трассы прохождения зондирующего луча необходимо иметь точные данные о состоянии ионосферы. Для получения этих данных была предназначена станция Возвратно Наклонного Зондирования (ВНЗ) ионосферы "КРУГ". Станция состояла из двух колец антенн похожих как на ФАР "ДУГИ" только расположенных вертикально, всего было 240 антенн высотой 12 метров каждая, и одна антенна стояла на одноэтажном здании в центре кругов.

ВНЗ "КРУГ"

 

В отличии от "ДУГИ" приёмник и передатчик находятся в одном месте. В задачу этого комплекса входило постоянно определять длины волн которые с наименьшим затуханием распространяются в атмосфере, дальность их распространения и углы под которыми волны отражаются от ионосферы. По этим параметрам высчитывалась трасса прохода луча до цели и обратно и приёмная ФАР настраивалась таких образом что бы принимать только свой отражённый сигнал. Простыми словами вычисляли угол прихода отражённого сигнала и создавали в этом направлении максимальную чувствительность ФАР.

 

СОВРЕМЕННЫЕ ЗРЛС "ДОН-2Н" "ДАРЬЯЛ", "ВОЛГА", "ВОРОНЕЖ" 

Эти станции стоят до сих пор на боевом дежурстве (кроме дарьяла), достоверной информации по ним крайне мало, поэтому озвучу их возможности поверхностно. В отличии от "ДУГИ" эти станции могут фиксировать отдельные пуски ракет, и даже обнаруживать крылатые ракеты летящие на сверх малых. В целом конструкция не изменилась, это те же ФАР служащие для приёма и передачи сигналов. Поменялись используемые сигналы, они такие же импульсные, но теперь они размазаны равномерно по рабочей полосе частот, простыми словами это уже не стук дятла, а равномерный шум, который сложно выделить на фоне других шумов не зная изначальной структуры сигнала. Так же поменялись частоты, если дуга работала в КВ диапазоне то "Дарьял" способен работать в КВ, УКВ и УВЧ.  Определят цели теперь могут не только по выхлопу газа но и по самой тушке цели, о принципах обнаружения целей на фоне земли я рассказывал уже в прошлой статье.

 

ДАЛЬНЯЯ СДВ РАДИОСВЯЗЬ

В прошлой статье я кратко рассказывал о километровых волнах. Может в будущем сделаю статью по этим видам связи, а сейчас кратко расскажу на примерах двух передатчиков "ЗЕВС" и 43-ем узле связи ВМФ России. Заголовок СДВ чисто символический, так как эти длины выпадают из обще принятых классификаций, а системы использующие их единичны. ЗЕВС использует волны длинной 3656 км и частотой 82 герца. Для излучения используют особую антенную систему. Находят участок земли с максимально низкой удельной проводимостью,  в него на расстоянии 60 км забивают на глубину 2-3 км два электрода. Для излучения на электроды подаётся высоковольтное напряжение с заданной частотой (82 Гц), по скольку сопротивление земной породы крайне велико между электродами, электрическому току приходиться идти через более глубокие слои земли, тем самым превращая их в огромную антенну. Во время  работы "Зевс" потребляет 30 МВт, но излучаемая мощность составляет не больше 5 Ватт. Однако этих 5 Ватт полностью хватает для того что бы сигнал прошёл полностью весь земной шар насквозь, работу "Зевса" регистрируют даже в Антарктиде, хотя сам он расположен на Кольском полуострове. Если придерживаться старых советских норм "Зевс" работает в КНЧ (крайне низкие частоты) диапазоне. Особенность этого типа связи в том что она односторонняя, поэтому её назначение передавать условные короткие сигналы, услышав которые, подлодки всплывают на небольшую глубину для связи с командным центром или выпускают радиобуй. Что интересно "Зевс" оставался секретным до 1990-х годов, пока ученые Стэнфордского университета (Калифорния) не опубликовали ряд интригующих заявлений, касающихся исследований в области радиотехники и радиопередачи. Американцы стали свидетелями необычного явления – научная радиоаппаратура, размещенная на всех континентах Земли регулярно, в одно и то же время, фиксирует странные повторяющиеся сигналы на частоте 82 Гц. Скорость передачи за один сеанс – три знака каждые 5-15 минут. Сигналы поступают прямо из земной коры – у исследователей возникает мистическое ощущение, будто бы сама планета разговаривает с ними. Мистика – удел средневековых мракобесов, а продвинутые янки сразу догадались, что имеют дело с невероятным КНЧ-передатчиком, размещенным где-то на другом конце Земли. Где? Ясно где – в России. Похоже, эти безумные русские «закоротили» целиком всю планету, используя её в качестве гигантской антенны для передачи зашифрованных сообщений.

 

43-й узел связи ВМФ России представляет несколько иной тип длинноволнового передатчика (радиостанция «Антей», RJH69). Станция расположена вблизи городка Вилейка, минская область, РБ, антенное поле занимает площадь 6,5 квадратных километра. Состоит из 15 мачт высотой 270 метров и трех мачт высотой в 305 метров, между мачт натянуты элементы антенного поля, общий вес которых составляет около 900 тон. Антенное поле расположено над заболоченными участками земли что обеспечивает хорошие условия для излучения сигнала. Я сам был рядом с этой станцией и могу сказать что просто словами и картинками не передать тех размеров и ощущений которые вызывает эта громадина в реальности.

Так выглядит антенное поле на гугл картах, хорошо видны просеки над которыми натянуты основные элементы.

Вид с одной из мачт "Антея"

 

Мощность "Антея" не менее 1 МВт, в отличии от передатчиков ЗРЛС он не является импульсным, то есть во время работы излучает этот самый мега Ватт или больше, всё время работы. Точная скорость передачи информации не известна но если проводить аналогию с немецким трофейным "Голиафом", не меньше 300 бит/с. В отличии от "Зевса" связь уже является двух сторонней, подлодки для связи используют либо много километровые проволочные буксируемые антенны, либо специальные радио буи которые выпускаются подлодкой с большой глубины. Для связи используется СДВ диапазон, дальность связи охватывает всё северное полушарие. Преимущества СДВ связи что её кране сложно заглушить помехами, а так же она может работать в условиях ядерного взрыва и после него в то время как более высоко частотные системы не могут наладить связь из-за помех в атмосфере после взрыва. По мимо связи с подлодками "Антей" используется для радио разведки и передачи сигналов точного времени системы "Бета".

 

ВМЕСТО ПОСЛЕСЛОВИЯ

Это не завершающая статья о принципах заглянуть за горизонт, будут ещё, в этой по просьбам читателей я сосредоточился на реальных системах вместо теории.. Так же прошу прощения за задержку с выходом, я не блогер или житель интернета, у меня есть работа которую я люблю и которая периодически очень "любит" меня, поэтому статьи пишу между делом. Надеюсь читать было интересно, потому что я всё ещё нахожусь в режиме пробы пера и не определился до сих пор в каком стиле писать. Конструктивная критика как всегда приветствуется. Ну и специально для филологов анекдот в конце:

 

Препод по матану про филологов:
— ...Да плюньте в лицо тому, кто говорит, что филологи – это нежные фиалочки с горящими глазами! Я вас умоляю! На самом деле они мрачные желчные типы, готовые язык собеседнику вырвать за фразы, типа "оплатите за воду", "мое день рождение", "дырка в пальте"...
Голос с задней парты:
— А что не так с этими фразами?
Препод, поправив очки:
— А на вашем трупе, молодой человек, они бы еще и попрыгали.