Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Современный уровень фундаментальных исследований п области астрометрии, геодинамики, геофизики и астрофизики предъявляет все более высокие требования к точности и оперативности определения земной и небесной систем координат и параметров связи между ними - параметров вращения Земли (ПВЗ). Требования высокой точности и оперативности предъявляются также к синхронизации часов. Современные практические приложения в таких областях как навигация, геодезия, космонавтика, предупреждение о природных катастрофических явлениях, а также ряда оборонных задач, выдвигают такие же требования по точности и еще более жесткие требования по оперативности получения данных. Указанные задачи относятся к области координатно-временного обеспечения (КВО).
Для решения задач КВО используется координатная система, опирающаяся на наблюдения компактных внегалактических радиоисточников -квазаров и ядер галактик. Наблюдения ведутся с помощью радноинтерфе-рометров со сверхдлннными базами (РСДБ). Метод РСДБ обладает наиболее высоким угловым разрешением, универсальностью и всеиогодностью. Общая тенденция развития наблюдательных средств КВО в мире состоит в создании специализированных постоянно действующих радионнтерферо-мегрпческих сетей, работающих ежедневно и круглосуточно, в настоящее время процесс формирования таких сетей, в основном, заканчивается. Постоянно действуют сети США ' POLAREIS", "IRIS", "TEMPO", японская сеть "KSP", европейская сеть "EVN", завершается строительство сети РАН "Квазар". Научными задачами этих сетей прежде всего является построение инерциальных систем координат на небе и земной поверхности, определение параметров вращения Земли, синхронизация шкал времени и картографирование космических объектов.
Главным недостатком большинства современных РСДБ сетей является невозможность получения результата в "реальном времени", а также ограниченное время когерентного накопления сишала. Эти недостатки связаны с использованием метода независимой интерферометрии, при котором сигналы с выходов радиотелескопов записываются на магнитные ленты, ленты пересылаются в центр корреляционной обработки, а результат появляется после совместной обработки лент. Однако существует целый класс фунда-
ментальных и прикладных задач, требующих получения результата в течение нескольких часом.
При іпучешш Земли как сложном динамической сгстемы, в настоящее время невозможно получить качественно новую информацию без регулярного определения глобальных параметров ее вращения по отношению к ііисрцнадьиоіі системе координат и постоянного мониторинга положенні) опорных пунктов, разнесенных па глобальные расстояния, с оперативной мо в- несколько часов. Требования оперативности обусловлены амплитудно-частотной характеристикой возмущений вращательного движения Земли и деформации земной коры под действием таких геофизических факторов, как динамическое взаимодействие жидкого ядра и упругой мантии, внутренняя конвекция вещества, резонапсы между свободными и вынужденными колебаниями, приливные деформации тела Земли и водной поверхности, влияние атмосферных течении и т. д.
Прикладная задача предсказания землетрясении по измерениям деформацій) земной коры требует точности измерений проекций баз порядка 1 см и оперативности до трех часов.
Режим реального времени необходим при сопровождении космических аппаратов в Солнечной системе на конечных этапах рабочей траектории, например, при посадке аппарата па Марс. Он также необходим при работе космических радиопнтерферометров.
Д'Ш решения этих задач методами РСДБ необходимо создать специальные каналы связи между пунктами РСДБ наблюдений, разнесенными на тысячи километров, и центром корреляционной обработки. Основным требованием к таким каналам является высокая скорость передачи данных, так как полоса интерферометра определяет его чувствительность и, в конечном счете, точность измерения. Интерферометр, снабженный широкополосными кзпалами связи, приобретает ряд новых положительных качеств: результат первичной обработки получается практически в реальном времени, появляется возможность контроля качества каждою наблюдения и полной автоматизации эксперимента. Кроме того, широкополосный капал может быть использован для независимой синхронизации шкал времени и атомнмх стандартов наблюдательных пунктов.
Задача синхронизации шкал времени удаленных атомных часов имеет самостоятельное значение. Достигнутая точность синхронизации событии является одним из параметров, характеризующих развитость цивилизации. Последнее подтверждается высокими требованиями к синхронизации часов.
выдвигаемыми при создании современных наземных и космических систем в самых разных областях деятельности человека.
Кан&ч, который связывает центральный компьютер сети с управляющими машинами наблюдательных пунктов, обеспечивает возможность дистанционного контроля и управления сетью, что повышает надежность работы всего РСДБ комплекса и облетает доступ к нему наблюдателей.
Таким образом, исследования, направленные на создание специализированной сети передачи данных РСДБ и разработки методов синхронизации удаленных атомных часов, являются актуальної! научной задачей.
Цели работы
Целью наследования является повышение точности и оперативності измерения угловых координат космических объектов и координат земных объектов, благодаря созданию широкополосных каналов связи между пунктами РСДБ и центром корреляционной обработки сигналов и разработке новых методов синхронизации часов.
Основной проблемой, которая ставится и решается в диссертации, является разработка и исследование сети широкополосных каналов переда-' чи радиеннтерферометрических данных и разработка новых методов синхронизации удаленных атомных стандартов времени и частоты.
В рамках выполнения диссертации решались следующие вопросы:
- обоснование основных требовании к капачам передачи данных на
основе анализа задач РСДБ и существующих систем передачи данных,
- разработка и обоснование оптимальной структуры сети передачи
данных;
- разработка и исследование методов анализа потенциальной точности
сипхроннзаичп и помехоустойчивости каналов передачи радиоастрономиче
ских данных;
исследование путей повышения пропускной способности каналов передачи данных;
разработка и исследование методов достижения максимально возможной точности синхронизации удаленных атомных часов.
Научная новизна работы
1. Научно обоснованы требования к системам передачи радиоастроно
мических данных (СПРАД) для РСДБ реального времени при координатных
измерениях. Разработаны принципы построения СПРАД ка базе использо
вания спутниковых каналов связи. Показано, что многостанциошгып доступ
к спутниковому ретранслятору с частотным разделением каналов имеет
преимущества по сравнению с другими методами.
-
Разработана единая методика расчетов потенциальной точности синхронизации атомных часов через спутниковый канал связи и помехоустойчивости СПРАД. Разработана и создана СПРАД, обеспечивающая передачу шести потоков раднопптерферометрических данных и шести каналов контроля и управления с суммарной скоростью передачи данных 30 Мбит/с.
-
Предложена и обоснована структура перспективной СПРАД, построенной на базе проектируемого ретранслятора, позволяющей увеличить пропускную способность до 650 Мбит/с.
-
Разработан новый метод и устройство для синхронизации удаленных атомных часов через спупшковый канал связи. Метод экспериментально исследован на базе 2100 км, получена точность синхронизации лучше 1 не. Разработана методика расчетов г. измерений погрешностей синхронизации через спутниковый канал, позволившая определить систематическую ошибку синхронизации, вызванную задержками в аппаратуре с точностью ±13 не. задержку в атмосфере с точностью ±0,3 не, релятивистскую поправку с точностью 0,1 не.
Практическая и научная значимость работы
1. Разработанная единая методика анализа потенциальной точности
синхронизации часов через спутниковый канал связи и помехоустойчивости
СПРАД служит основой для расчетов и анализа аналогичных систем. Мето
дика была применена при проектировании специализированной системы
передачи данных по спутниковому каналу для целей проекта "Спектр-УФ",
сети астрономических организации России "Астронет", сети синхронизации
удаленных атомных стандартов - прегкт "Дуплекс-С".
2. Разработанные технические требования, принципы построения
элементов системы, предложенные новые технические решения и созданные
макеты аппаратуры легли в основу опытно-конструкторских работ по
5 созданию нового поколения передатчиков "Квазар-СП2", нриемиикоа "Квазар-ПМ2" для земных спутниковых станций комплекса аппаратуры передачи данных "Квазар-СД"
3. Разработана система передачи радиоастрономических данных,
позволяющая передавать данные в центр обработки от шести наблюдатель
ных РСДБ пунктов со скоростью 5 Мбит/с от каждого пункта, либо от трех
РСДБ пунктов со скоростью 10 Мбит/с от каждого и образующая каналы
контроля и управления между центром и шестью пунктами, что обеспечи
вает возможность реализации РСДБ сети реального времени.
4. Разработаны и экспериментально исследованы методы и аппаратура
синхронизации удаленных атомных стандартов через спутниковый канал
связи, которые позволили синхронизовать атомные часы на расстоянии в
2100 километров с точностью лучше 1 не.
На защиту выносятся
-
Принципы построения системы передачи радиоинтерферомсгрнчес-ких данных, структура такой системы и методы анализа потенциальной точности синхронизации и помехоустойчивости, позволившие создать спутниковую систему передачи данных с суммарной скоростью 30 Мбит/с.
-
Обоснование структуры и параметров перспективной спутниковой системы передачи данных, позволяющей увеличить пропускную способность СПРАД до 650 Мбит/с.
-
Новый метод синхронизации удаленных атомных часов через спутниковый канап связи, позволяющий синхронизовать часы на расстояниях в десятки тысяч километров с точностью порядка 0,1 не и оперативностью десятки секунд.
-
Мк одика расчетов и измерений погрешностей синхронизации через спутниковый канал связи, позволяющая определить: систематические погрешности, связанные с задержками в аппаратуре с точностью ±13 не; поірешность, связанную с распространением сигнала с точностью ±0,3 не; релятивистскую погрешность с точностью 0,1 не.
-
Результаты экспериментальных исследований системы передачи данных и методов синхронизации, подтвердившие правильность принципов построения, методов расчетов и основных технических решений СПРАД.
6 Апробация работы
Результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных, семинарах и научно-технических советах ИПА РАН, САО РАН, ИКИ РАН. Крымской астрофизической обсерватории ГКНТ Украины, Государственного университета им. М'.А.Бонч-Бруевича, НТО АН СССР, НИИ Радио МС РФ. ВНИИ Телевидения МПСС СССР; на XXI (Ереван, 19X9 год), XXV (Пущпно. 1993 год) и XXVI (Санкт-Петербург, 1995 год) Всесоюзных радиоастрономических конференциях; на XXII конференции YERAC (Харьков, 1989г.); на международном симпозиуме Soviet-West Germany workshop "ГЛОНАСС-GPS" (Санкт-Петербург, 1990 г.); на международном симпозиуме "Спутниковая связь. Реальность и перспективы" (Одесса. 1990 г.); па международной конференции "Метрологическое обеспечение частотно-временных измерений при испытаниях и эксплуатации техники" (Москва, 1991 г.); на международном симпозиуме Spetialists Meeting on Microwawe Radiometry and Remote Sensing-.(Mjlland, Швеция, 1992 г.); на международной конференции I International Russian Conference on Satellite Communications "RUSSAT-93" (Санкт-Петербург, 1993 г.); на международном конференции "Спутниковые системы связи и вещания" (Одесса, 1993 г.); на конференции "Современные проблемы астрометрии и геодинамики" (Санкт-Петербург, 1996 г.); на международном симпозиуме Technical Workshop for APT and APSG (Катима, Япония, 1996 г.).
Реализация результатов диссертации
Результаты проведенных автором научных исследований внедрены при проведении следующих работ:
-
В Институте прикладной астрономии РАН при разработке и реализации проекта сети Квазар, при проведение исследований по проектам "Дуплекс-С" и "Астронет".
-
В в/ч 08340 при разработке оперативных средств КВО и оперативных методов синхрошеацнн шкал времени для нужд Министерства обороны России - НИР "Риастра", ОКР "Сигма".
-
В научно исследовательском институте Радио Министерства связи России при разработке и производстве передатчиков и приемников - ОКР "Квазар-СП2" и "Квазар-ПМ2".
-
В ИКИ РАН при разработке проекта "Спектр-УФ" Акты по реализации результатов лиссерташ.и приведены в Приложении 1.
7 Публикации и вклад автора
Материалы диссертации опубликованы в 46 работах, из которых 36 работ опубликованы совместно с другими авторами. В совместных работах автору принадлежат: [1] - постановка задачи исследования, разработка требований к системе передачи данных, участие в разработке принципов построения системы, организация экспериментальных исследований, обсуждение результатов; [2,3] - разработка концепции фундаментального КГЮ в части, касающейся задач, требующих оперативного решения; [4] - постановка задачи исследования, разработка принципов построения и структуры макета для сличения фаз удаленных генераторов по спутниковым линиям связи; [6-11] - разработка проекта Квазар в части, касающейся системы передачи радиоинтерферометрических данных и системы измерения электрических характеристик тропосферы; [12] - постановка залами, разработка структуры сети и функциональных схем взаимодействия аппаратуры; [15] -постановка задачи исследования, проведение расчетов, анализ результатов экспериментов; [16] - получение экспериментальных данных о флуктуациях радиоизлучения тропосферы, разработка метода подавления флуктуации при многоволновых радиоастрономических наблюдениях; [17] - разработка-методики экспериментальных исследований флуктуации яркости тропосферы, обработка измерений; [18] - разработка аппаратуры, проведение цикла измерений на двух волнах миллиметрового диапазона на радиотелескопе РТ-25*2, участие в интерпретации результатов; [19] - разработка радиометра на волну 1,35 см, проведение цикла измерении на шести волнах сантиметрового диапазона на РАТАН-600, обработка экспериментальных данных, анализ результатов; [20,21] - постановка и проведение эксперимента на радиотелескопе РАТАН-600, интерпретация результатов наблюдений; [22] -разработка іетодикн проведения экспериментальных исследований СПРАД па линиях спутниковой связи; [23] - расчеты характеристик помехоустойчивости системы, организация и проведение экспериментальных исследований макета СПРАД на спутниковых линиях связи; [24] - разработка структуры приемников п передатчиков, и основных технических решений; [25-26] -разработка метода синхронизации удаленных атомных часов по спутниковому каналу связи, в части проведения энергетических расчетов, расчетов фазовой стабильности аппаратуры и задержек в атмосфере; [27] - разработка способа синхронизации шкал времени через спутниковый канал с использованием фазоманипулирозаннэго сигнала, разработка методики
8 экспериментальном проверки метода, разработка структуры макета аппаратуры, постановка эксперимента; [28] - разработка методики эксперимента по синхронизации шкал времени, анализ результатов первых экспериментов; 129] - предложения по структуре и схеме построения системы сличения, разработка схемы сличений; [30] - метод прямых измерении и калибровки задержек в аппаратуре сличения и радиотехническом оборудовании спутникового капала, разработка методики прямых измерений задержек в СВЧ блоках спутниковых станции, анализ полученных результатов измерений; [31.32] - разработка системных вопросов построения комплексов для сличения шкал времени но спутниковому каналу связи, анализ всех возникающих поірешностей, участие в экспериментах но передаче шкал времени и измерениям псевдодалыюсти до геостационарного ИСЗ, анализ результатов экспериментов; [33] - разработка схемы измерений и алгоритма накопления результатов, анализ экспериментальных данных; [34] - постановка эксперимента, анализ результатов; [35] - предложение использовать для синхронизации фазоманипулированпыи, псевдошумовой сигнал, обоснование способа синхронизации; [36] - разработка способа синхронизации, проведение расчетов, подтверждающих его реализуемость; [37] - предложение использовать сети малых спутниковых станций для синхронизации шкал времени; [38] - постановка и проведение комплексных экспериментальных исследований созданной системы синхронизации на линиях спутниковой связи, анализ результатов; [39] - разработка принципа действия и функциональной схемы устройства синхронизации; [40] - разработка проекта Квазар, в части создания системы передачи данных; [41] - разработка структуры малогабаритной станции и ее технического облика; [44,45] -разработка спутникового сегмента сети "Астронет", проведение энергетических расчетов; [46] - разработка принципов построения системы, постановка экспериментов, анализ и интерпретация данных, полученных в экспериментах на больших базах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации 298 страниц. Диссертация содержит 53 рисунка. 39 таблиц, 2 фото и список литературы из 139 названий.