Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ







РАДИОЛОКАЦИЯ.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН. АЭРОРАДИОНАВИГАЦИЯ



5-е издание







Москва Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°» 2023

УДК 621.396.96
ББК 32.95
    Р15

Библиотека «Книга будущего инженера»

Р15 Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация / под ред. А.И. Козлова ; Московский государственный технический университет гражданской авиации. - 5-е изд. - Москва : Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2023.- 196 с.
          ISBN 978-5-394-05250-7
          В книге в популярной для учащихся старших классов форме излагаются основные понятия и задачи, которые решают современные радиолокация и радионавигация. В основе изложения лежат физические обоснования процессов, связанных с излучением, отражением и приемом электромагнитных волн. Отдельный раздел посвящен процессам распространения радиоволн различных диапазонов с учетом влияния земной поверхности, ионосферы и состояния атмосферы.
          Для школьников инженерных классов, а также преподавателей физики и тех, кто интересуется данной тематикой.


                             © Московский государственный технический университет гражданской авиации, 2018

ISBN 978-5-394-05250-7

    © ООО «ИТК «Дашков и К°», 2018

Авторский коллектив



Елисеев Б.П., заслуженный юрист РФ, профессор, доктор технических наук, доктор юридических наук - главный редактор.

    .. ...

Козлов А.И., заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор физико-математических наук - ответственный исполнитель.

Болелов Э.А., доцент, кандидат технических наук.

Гаранина О.Д., почетный работник науки и техники РФ, профессор, доктор философских наук.

Затучный Д.А., доцент, кандидат технических наук.

Камзолов С.К., заслуженный работник высшей школы РФ, профессор, доктор технических наук.

Самохин А.В., почетный работник высшего профессионального образования РФ, профессор, доктор технических наук.

Сережкина А.А., доцент, кандидат философских наук.

Ципенко В.Г., заслуженный деятель науки РФ, профессор, доктор технических наук.

    Библиотека «Книга будущего инженера»


I.   Элективный курс математики для инженерных
     классов.
II.  Физические основы технических систем и устройств.
III. Аэромеханика и аэродинамика.
IV.  Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация.
V.   Информационный мир XXI века.
VI.  Человек и техника.
VII. Английский язык для будущих инженеров.

4

Библиотека «Книга будущего инженера»
Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация

Уважаемые читатели!

     Предлагаемая вам серия книг представляет собой попытку сделать первый шаг в формировании библиотеки для тех, кто уже обучается или хочет учиться в так называемых «инженерных классах» московских школ, инициатива создания которых принадлежит Департаменту образования г. Москвы. Мы очень надеемся, что книги окажутся в чем-то полезными также и учителям - как тем, кто ведет занятия в этих классах, так и тем, кто обучает школьников в других классах.
     Мы уже сами видим ряд упущений и недоработок, однако, как нам представляется, главное -это то, что такой труд написан. Мы уверены, что читатели найдут в нем достаточно много необычного как в подаче хорошо известного материала, так и в изложении новых подходов, иллюстрирующих воплощение «школьных формул» в технических системах.
     Мы назвали представляемую серию «Библиотека «Книга будущего инженера». Такое название дает возможность добавлять в эту серию новые и новые книги и, конечно, не только авторов настоящего издания.

5

Библиотека «Книга будущего инженера»
Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация

      Настоящая серия состоит из 7 книг. В первых двух книгах, носящих названия «Элективный курс математики для инженерных классов» и «Физические основы технических систем», авторы стремились показать, как общие законы и принципы физики и математики, носящие с первого взгляда достаточно абстрактный характер, «превращаются» в реальные технические системы и устройства.
      В следующих трех книгах предпринята попытка дать возможность читателю заглянуть и хотя бы немного увидеть, что собой представляет и какие возможности и ограничения дает инженерная наука по некоторым техническим направлениям: аэромеханике, аэродинамике, радиолокации, радионавигации, передачи и восстановления информации, защите информации и другим.
      Современный инженер и инженер будущего должен быть не только классным специалистом, но и высокоинтеллектуальной личностью и гражданином, а поэтому в издаваемую серию органично входит книга «Человек и техника», дающая анализ проблемы взаимодействия человека и техники и проблемы безопасности системы «человек - техника». Материал, представленный в этой книге, наглядно проводит главную мысль, что мир техники -

6

         Библиотека «Книга будущего инженера»
Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация это органическая часть бытия человека, во многом меняющая многие старые понятия и принципы.
      Мир техники не может создаваться, совершенствоваться, да и вообще существовать изолировано вне взаимодействия с мировым сообществом. Нравится это кому-то или нет, но объективно сегодня английский язык - это язык международного научного и технического взаимодействия, а поэтому его роль в современной инженерии весьма значительна. Это определяет причину того, что этим вопросам посвящена специальная книга издаваемой серии.
      Содержание всех книг обсуждалось, корректировалось и исправлялось во время частых встреч членов авторского коллектива, а поэтому каждый из авторов оставил свой заметный «след» в каждой из книг издаваемой серии. Это дает нам возможность считать каждую из книг результатом коллективного труда всего авторского коллектива.
      Издание библиотеки «Книга будущего инженера» было бы невозможно без помощи и участия выпускников нашего Университета Пушкарева В.В., Лутфуллина Р.Н., Кондрикова В.И., принявших на себя хлопоты по оформлению и выпуску этой серии книг.
Все замечания и пожелания авторский коллектив примет с большой благодарностью.

                              Козлов Анатолий Иванович vilandes@yandex.ru

7

Библиотека «Книга будущего инженера»
Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация



Содержание

Введение.....................................11
Часть I. РАДИОЛОКАЦИЯ

1. Электромагнитное поле вокруг нас..........13
2. Как описывать электромагнитное поле.......17
3. Что такое электромагнитные волны..........29
4. Какие задачи решает радиолокация..........39
5. Какие сигналы используются в радиолокации.42
6. Что несет в себе радиолокационная информация.44
7. Что такое элемент разрешения..............48
8. Как улучшить обнаружение радиолокационных целей........................................50
9. Какие сигналы воздействуют на вход РЛС....56
10. Как выделять полезный сигнал на фоне шума...61
11. Как принимать решение о наличии радиолокационной цели........................64
12. Какие ошибки возникают при принятии решения ... 66
13. Когда и по каким критериям принимать решения....70
14. Уравнение дальности......................74
15. От чего зависит точность измерения и как ее повысить..................................81
16. Какие неклассические виды радиолокации существуют......................83
17. Где сегодня не обойтись без радиолокации.85


Заключение...................................87

8

Библиотека «Книга будущего инженера»
Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация

Часть II. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
1. Распространение радиоволн в свободном пространстве..................................88
  1.1. Среда без потерь.......................88
  1.2. Среда с потерями.......................94
  1.3. Дальность прямой видимости.............99
2. Области распространения радиоволн.........101
  2.1. Почва.................................101
  2.2. Тропосфера............................103
  2.3. Стратосфера...........................105
  2.4. Ионосфера.............................106
3. Особенности распространения радиоволн в тропосфере..................................112
4. Особенности распространения радиоволн в ионосфере...................................117
5. Области пространства, существенные при распространении радиоволн.....................121
6. Классификация радиоволн...................128
7. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов..........................137
  7.1. Сверхдлинные и длинные волны..........139
  7.2. Средние волны.........................142
  7.3. Короткие волны........................145
  7.4. Ультракороткие волны..................148
  7.5. Дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны......................................152
  7.6. Волны оптического диапазона...........154

Заключение...................................157

9

Библиотека «Книга будущего инженера»
Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация

Часть!!!. АЭРОНАВИГАЦИЯ

1. Основы аэрорадионавигации ................159
   1.1. Общие подходы к решению задач навигационного обеспечения воздушного судна.159
   1.2. Основные понятия, используемые в аэрорадионавигации......................161
2. Традиционное навигационное оборудование, используемое для навигации воздушных судов ...163
   2.1. Автоматический радиокомпас...........163
   2.2. Пилотажно-навигационный комплекс.....168
   2.3. Радиотехнические системы дальней и ближней навигации.................................173
   2.4. Радиомаяки...........................176
3. Спутниковые радионавигационные системы....179
   3.1. Причины перехода к спутниковым радионавигационным системам...............179
   3.2. История развития СРНС................181
     3.2.1. История развития СРНС ГЛОНАСС....181
     3.2.2. История развития СРНС GPS........183
   3.3. Требования СРНС......................185
4. Принципы функционирования СРНС............187
5. Наземный комплекс управления..............189
6. Совместное использование систем ГЛОНАСС иGPS..........................................192

10

Библиотека «Книга будущего инженера»
Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация

_________ Введение

      Где-то в пятидесятые годы большинство жителей нашей страны впервые услышали слово «радиолокация». Оно произносилось, как правило, тихим голосом, с большим почтением и уважением к этому слову и несло в себе элемент того, что произносивший это слово причастен к каким-то высшим либо военным, либо научным секретам. Массовые популярные публикации того времени в газетах и журналах, детективные повести и фильмы убеждали читателей и зрителей в существовании очень сложного, способного сотворить чудо средства, которое позволит защитить наше небо от непрошенных гостей, дать возможность самолетам летать в любую погоду, при любой видимости и видеть все, что творится в небесах, на земле и на море. Но шло время и, как это всегда бывает, массовый интерес к радиолокации угас, его вытеснили новые научные и технические успехи, а сама радиолокация стала оформляться в строгую научную дисциплину с четко очерченными границами возможностей и приложений.
      Сегодня мы имеем, с одной стороны, классическую учебно-научную дисциплину, вошед-

11

         Библиотека «Книга будущего инженера» Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация шую в обязательную программу подготовки специалистов в области радиотехники, с другой стороны - удивительные по своим возможностям различные многочисленные радиолокационные станции и устройства, действительно способные совершить невозможное и «увидеть» то, что в житейском плане в принципе невозможно «увидеть».
      Фантастический прогресс в науке, технике и технологии, произошедший за последние 50 лет, привел к тому, что радиомир вошел в жизнь каждого из нас как естественный атрибут нашей жизни. Интернет, мобильные телефоны и айфоны, вычислительные машины и комплексы, цифровое телевидение и автомобильные навигаторы стали настолько «своими», что стало трудно представить, как же мы жили раньше без них. Ну, и вершина радиотехники - луноходы и марсоходы, люди на Луне, радиолокация и фотографирование дальних планет и их спутников, с детализацией, позволяющей даже разглядывать камни на поверхности Плутона.
      Все эти достижения опираются на знание законов электромагнетизма, электродинамики и электроники, а поэтому, чтобы понять, как рождаются чудеса радиомира и порожденные им чу-

12

Библиотека «Книга будущего инженера»
Радиолокация. Распространение радиоволн. Аэрорадионавигация деса радиолокации, радионавигации и радиосвязи, прежде всего, попытаемся с самых общих позиции подойти к понятию электромагнитного поля.

Часть I. РАДИОЛОКАЦИЯ
     1. Электромагнитное поле вокруг нас

     Рассмотрение законов электромагнетизма начнем с того, что обратим внимание на следующий факт, на который, как-то не обращают особого внимания в силу его кажущейся естественности.
     Итак, уважаемый читатель, представьте, что вы сидите у телевизора, с легкостью переключаете его каналы - 1, 2, 3, 4 и т.д. и видите меняющиеся картинки. Не вставая со своего места, вы берете радиоприемник и с такой же легкостью, прокручивая ручку настройки приемника, слышите голоса из Москвы и Пекина, Лондона и Рима и т.д. Что же явилось источником получаемой вами информации? Ответ простой - токи, наводимые в антенне ваших устройств. Но антенна при ваших настройках не изменяла ни своего вид, ни своего положения в пространстве. Значит, там, где распо-


13