Из-за относительно небольших эффектов преломления радиоволн при измерении рефракции в атмосфере планет система радиорефракционных измерений должна обладать высокой точностью и стабильностью. Для получения достаточно точных исходных данных, необходимых для расчета коэффициента преломления, нужно осуществлять измерение частоты принятого радиосигнала на наземном пункте с ошибкой всего в несколько сотых долей герца. Для исследования тропосфер и дневных ионосфер планет используют одночастотные методы. Для исследования же ночных ионосфер применяют в основном двухчастотные методы радиопросвечивания, при использовании которых удается зарегистрировать меньшие величины коэффициента преломления радиоволн вблизи планеты.

В двухчастотном методе бортовой передатчик КА излучает одновременно два сигнала, которые между собой синхронизированы. Между частотами этих сигналов установлено жесткое соответствие (обычно второй сигнал получается путем увеличения частоты первого сигнала в некоторое число раз — n, причем это число может быть и не кратным). На наземном пункте принимаются сигналы обеих частот. После соответствующего усиления обоих сигналов первый сигнал увеличивается по частоте в n раз и сравнивается со вторым сигналом. При отсутствии изменения частоты при распространении обоих сигналов разность частот между ними (приведенная частота) после преобразования в приемнике будет равна нулю. Сдвиг частоты за счет движения КА (благодаря эффекту Доплера) пропорционален отношению радиальной скорости КА к длине волны передатчика. При таком двойном преобразовании частот двух сигналов (на борту КА и на наземном пункте) никакого изменения приведенной частоты за счет эффекта Доплера (из-за движения КА) не будет. Значение приведенной частоты будет только зависеть от рефракции радиоволн для сигналов обеих частот бортовых передатчиков, так как рефракция зависит от квадрата длины волны (а не от первой степени).

Поэтому, измеряя значение приведенной частоты, можно получить информацию о коэффициенте преломления радиоволн. А проведя подобные измерения в течение всего времени захода или выхода космического аппарата из-за диска планеты, можно построить высотную зависимость коэффициента преломления, по которой можно получить высотный профиль концентрации электронов в ионосфере.

Метод радиолокации часто используется при определении местоположения какого-нибудь объекта. При этом передающее устройство посылает радиолокационный сигнал в направлении данного объекта, и после отражения определенная часть энергии сигнала возвращается обратно на приемное устройство.

Анализируя характер отражения и рассеяния радиолокационного сигнала некоторой поверхностью, можно получить соответствующую информацию о ее физических характеристиках.

Рассмотрим несколько подробнее схему получения информации о физических характеристиках исследуемой поверхности с помощью радиолокационных измерений. Радиолокационный сигнал, попадая на границу двух сред (например, атмосферы и самой поверхности), испытывает, как мы уже говорили, отражение, рассеяние и преломление. Пусть угол падения радиосигнала на поверхность Θ постоянен (рис. 3). Если приемник с приемной антенной совершит путь по полусфере с центром в точке 0 и будет при этом записывать интенсивность принимаемого сигнала, то интенсивность последнего будет сильно меняться в зависимости от направления его приема. Полученное таким образом трехмерное распределение интенсивности принимаемого сигнала называют индикатриссой рассеяния.

Рис 3. Схема радиолокационных измерений: 1 — космический аппарат с передатчиком; 2 — передающая антенна; 3 — облучающий радиосигнал; 4 — космический аппарат с приемником; 5 — приемная антенна; 6 — сигнал обратного рассеяния; 7 — отраженный сигнал; 8 — рассеянный сигнал; 9 — преломленный сигнал; 10 — граница раздела двух сред; А — менее плотная среда; В — более плотная среда; α — угол преломления; Θ — угол наблюдения (падения)

Наибольший но интенсивности радиосигнал в этом случае регистрируется в направлении зеркального отражения — под тем же углом Θ, но с другой стороны относительно нормали N. При отклонении угла наблюдения интенсивность отраженного сигнала резко падает. Область значений углов вблизи направления зеркального отражения, для которых характерна достаточно большая величина отраженного сигнала, зависит от степени шероховатости исследуемого участка поверхности с линейными размерами неоднородностей в десятки и сотни длин волн облучающего радиосигнала. Поэтому, измеряя ширину этой области (зоны) углов, можно получить информацию о так называемых крупномасштабных неоднородностях данной поверхности.

Поскольку реальная поверхность состоит из совокупности плоских и не плоских площадок весьма различного размера, то ширина зоны углов, для которых наблюдается значительный по интенсивности отраженный сигнал, позволяет получить лишь некоторую собирательную статистическую величину, характеризующую определенную степень неровности поверхности. Такой величиной для крупномасштабных неоднородностей (превышающих длину волны по своим размерам) является так называемый среднеквадратичный угол наклона поверхности σ_α. Чем больше степень неровности поверхности, тем больше значение σ_α.

Мы рассмотрели угловое распределение для отраженных сигналов при фиксированном угле облучения поверхности. Если угол облучения изменяется, то соответственно будет меняться форма индикатриссы рассеяния, а отраженный поверхностью сигнал будет включать и рассеянную компоненту (см. рис. 3). В радиолокации вместо индикатриссы рассеяния используется другая характеристика принимаемого излучения — диаграмма обратного рассеяния. Она представляет собой зависимость от угла наблюдения мощности сигнала, приходящего в направлении, обратном направлению облучения.

Диаграмма обратного рассеяния также зависит от степени шероховатости исследуемой поверхности. При малых значениях углов наблюдения форма диаграммы обратного рассеяния определяется теми же неоднородностями, которые характеризуют и отраженный сигнал, т. е. размер которых составляет десятки и сотни длин волн используемого радиолокационного сигнала. Однако при больших значениях углов наблюдения форма диаграммы обратного рассеяния зависит от мелкомасштабных неоднородностей, размеры которых порядка длины волны и меньше.

Таким образом, с помощью диаграммы обратного рассеяния можно получить информацию о рельефе поверхности и степени его изрезанности в более мелких масштабах. Это особенно важно при поиске лучших мест посадки автоматических станций и лучших трасс передвижения самоходных автоматических аппаратов. Например, подобные радиолокационные измерения использовались при выборе мест посадки американских аппаратов «Викинг» на поверхности Марса, когда полученная ранее информация с помощью фотографических методов оказалась неточной.

Анализ диаграммы обратного рассеяния позволяет при малых углах наблюдения Θ оценить величину среднеквадратичного угла наклона σ_α — той же величины, которую дает угловое распределение отраженного сигнала. Это распределение, называемое диаграммой отражения, получают при бистатической радиолокации (об этом будет сказано дальше).

Интенсивности отраженного и рассеянного сигналов зависят и от электромагнитных свойств вещества исследуемой поверхности. Если грунт поверхностного слоя планеты достаточно сухой, как, например, на Луне, Марсе и Венере, то его электропроводность относительно невелика. Поэтому характер отражения этим грунтом радиосигнала определяется эффективной диэлектрической проницаемостью вещества, из которого состоит грунт.

Отметим еще, что если бы исследуемая поверхность была идеально ровной, то отраженный сигнал существовал бы в направлении, обратном облучению, лишь когда он распространялся по нормали к поверхности. В случае гладкой поверхности коэффициент отражения радиосигнала (при моно- и бистатической радиолокации) легко определяется, если известна упомянутая выше эффективная диэлектрическая проницаемость грунта. Если же поверхность шероховата, то интенсивность принимаемого сигнала в данном направлении также рассчитывается на основании значения эффективной диэлектрической проницаемости (если учитывать при этом статистические характеристики, касающиеся свойств рельефа поверхности). Конечно, при проведении радиолокационных экспериментов решается обратная задача, и решить ее оказывается гораздо сложнее, а в ряде случаев полученное решение к тому же является и неоднозначным.