Що таке радіогоризонт

Термін “радіогоризонт” можна чути досить часто, особливо якщо цікавитися технологіями або сучасним озброєнням.

Але що це слово означає насправді і чому не все так просто, як може здатися на перший погляд.

Радіогоризонт – це просто

Якщо не вдаватися до подробиць, спробувати пояснити, що таке радіогоризонт, це буде дуже просто.

Бо наша планета не плоска, а радіохвилі поширюються по прямій, то на певній дальності від антени кривизна землі не дозволить “побачити” ціль або передати сигнал від однієї антени до іншої. Так само, як якщо дивитися за допомогою зору, горизонт приховує те, що за ним.

Але чи можна зазирнути за обрій? Навіть без розрахунків, інтуїтивно зрозуміло, що чим вище над землею, то далі буде пряма видимість.

Але все-таки радіогоризонт можна розрахувати, це проста геометрія, і проста формула:

D=√2Rh_r+h_r²

Де R — усереднений радіус Землі, h_r  — висота радара над землею.

І якщо підставити у формулу середній радіус Землі (наша планета не ідеальна куля, тому й “середня”) і прийняти, що висота набагато менша за радіус планети і їй можна знехтувати, буде ще простіше:

D=4,124√h_r

Наприклад, якщо радар на кораблі встановлений на висоті 20 метрів, а ціль знаходиться на рівні моря, то радіогоризонт для нього становитиме всього 18,4 км. Все що далі буде невидимим.

Відстань до горизонту на море дуже просто порахувати. Чим вище ви перебуваєте над рівнем моря, тим далі за горизонт можете заглянути. Наприклад, при висоті 1,8 метра (людина стоїть на плоті, наприклад) видимість буде обмежена 5 кілометрами.

D=4,124√1,8=5,5 км

Британський есмінець типу “Дерінг”. Радар потрібно піднімати якнайвище.

Формула прямої видимості

Але це тільки у випадку, якщо сама ціль знаходиться на землі (або на воді, як у прикладі вище). А якщо ні, якщо йдеться про літак, тоді треба взяти до уваги і його висоту. У такому разі дальність прямої радіовидимості складатиметься з двох складових:

D=d₁+d₂

При цьому радіогоризонт залишається тим самим, сама ціль піднімається вище.

Формула радіогоризонту

Як це вийшло? На малюнку вище все представлено не в масштабі простоти. Але якщо врахувати, що радіус землі значно більший, ніж висоти антени або цілі, вийде просто два прямокутні трикутники. А якщо так теорема Піфагора може розрахувати відстань до горизонту d₁і відстань до цілі d₂.

d₁²+(R+h_r)²=R²

d₂²+(R+h_t)²=R²

d₁²=R²-(R+h_r)²=R²-(R²-2Rh_r+h_r²)=R²-R²+2Rh_r-h_r²=2Rh_r-h_r²

d₁=√2Rh_r-h_r²

d₂=√2Rh_t-h_t²

h_t – це висота цілі.

Якщо повернуться наприклад вище, висота радара 20 метрів, радіогоризонт для нього ті самі 18,4… Ось тільки літак летить на висоті 8 000 метрів. Тоді дальність прямої (геометричної) видимості – 335 кілометрів.

Це просте пояснення та проста геометрія. Але навіщо тоді приставка радіо якщо мова про пряму видимість, так само як і зі “звичайним” горизонтом?

Так чи просто все насправді? Ні, не так. Земля, як і раніше, схожа на кулю, але радіохвилі рухаються не зовсім прямою.

Радіогоризонт — це складно

Все що було описано вище, чиста геометрія, без урахування таких хвильових явищ як рефракція та дифракції, властивості середовища та підстилаючої поверхні (суша це або море в шторм) і деякі інші явища.

Рефракція, це зміна напряму поширення хвилі, через неоднорідність атмосфери (нижні шари щільніше верхніх і їх властивості змінюється “стрибками”).

Насправді, найчастіше, виходить ефект “загинання” хвилі вниз (хоча іноді буває і навпаки), що дозволяє трохи “заглянути за горизонт” і для обліку цього ефекту застосовується коефіцієнт 4/3, що фактично збільшує радіогоризонт на 33%. Хоча це теж спрощення.

Критична рефракція або надрефракція взагалі дозволяє радіохвилям огинати всю земну кулю і чути радіопередачу з іншої частини планети. Виходить так званий тропосферний хвилевід.

Але існує технологія, спеціально створена для того, щоб вирішити проблему радіогоризонту, і використовувати властивості атмосфери на повну — загоризонтний радар.

Загоризонтний радар просторової хвилі використовує відображення радіохвиль від іоносфери. Це дозволяє йому “бачити” цілі, розташовані набагато далі прямої видимості, навіть на іншій стороні Землі. З іншого боку, те, що поруч, такий радіолокатор не може виявити в принципі.

Ще одна особливість – величезні антени та велика відстань між елементами.

Наприклад, знаменита “Дуга”, яка все ще знаходиться в місті під назвою Чорнобиль-2, має розмір антен:

• низькочастотна: 150 метрів заввишки і 460 завдовжки
• високочастотна: 100 м х 230 м відповідно

І це тільки антени, що працюють на прийом, що передає РЛС взагалі знаходилася в 60 км від Чорнобиля, під Черніговом.

Сигнал відбитий від іоносфери, потім відображається у зворотному порядку і звичайно сильно втрачає в потужності. Також сама іоносфера зовсім не схожа на рівне дзеркало, що теж позначається на точності.

Тому такі ЗГРЛС призначаються тільки для попередження про масовий запуск балістичних ракет. Цілевказівку вони видавати не можуть, просто сигналізують “увага, десь там, щось кудись рухається”.

Є й інші загоризонтні радари, що використовують принцип поверхневої хвилі, який заснований саме на явищі рефракції радіохвиль. Дальність виявлення нижче, проте точність вище. Але обидва ці типи вміють заглядати за обрій.

На відміну від геометричного горизонту, обмеження реального радіо можна обійти за допомогою фізики.