Содержание к диссертации
Введение
1. Основные требования к точности наведения радиотелескопов и способы обеспечения точности 24
1.1. Конструкции антенн радиотелескопов 24
1.2. Радиотелескопы комплекса «Квазар» 25
1.3. Алгоритм наведения радиотелескопа и постановка задачи . 26
1.4. Влияние ошибок наведения на потери принимаемого сигнала . 30
1.5. Способы обеспечения точности наведения 31
1.5.1. Конструкция и изготовление антенны 31
1.5.2. Обеспечение динамической точности системы наведения 32
1.5.3. Коррекция поправок наведения по радиосигналу . 32
1.5.4. Радиоастрономическая юстировка в полусфере 33
1.5.5. Исследование и учет локальных ошибок 40
1.6. Особенности работы радиотелескопа в различных наблюдательных программах 41
1.6.1. Радиоинтерферометрические наблюдения 41
1.6.2. Наблюдения в режиме одиночного телескопа 43
1.7. Связь радиоастрономической юстировки и фокусировки . 45
1.8. Выводы 46
2. Программно-аппаратный комплекс для радиоастрономической юстировки и управления радиотелескопом 47
2.1. Структура комплекса 47
2.2. Программное обеспечение MarklV Field System 51
2.2.1. Язык SNAP 54
2.2.2. Состав и структура Field System 56
2.2.3. Программные средства Field System для определения поправок наведения 62
2.2.4. Возможности расширения Field System 63
2.3. Управление антенной 65
2.3.1. Взаимодействие программы управления антенной с Field System 65
2.3.2. Взаимодействие ПО центрального компьютера с системой СКУ-А 67
2.3.3. Структура ПО управления антенной центрального компьютера 70
2.3.4. Особенности второго варианта СКУ-А 73
2.3.5. Расчет координат источников 74
2.4. Управление системой радиометрической регистрации 76
2.5. Получение метеоданных 78
2.6. Программы интерфейса оператора 79
2.7. Выводы 80
3. Исследование и учет локальных ошибок 86
3.1. Исследование причин локальных ошибок 86
3.2. Конструктивные особенности датчиков положения антенны «Салгир» 87
3.2.1. Принцип действия датчика точного отсчета 88
3.2.2. Устройство и работа приборов «грубого» отсчета . 94
3.3. Компенсация нелинейности датчиков положения антенны . 95
3.4. Методика измерения характеристики нелинейности датчиков положения антенны 97
3.4.1. Измерение геодезическим методом 97
3.4.2. Предлагаемая методика измерения 98
3.5. Экспериментальные исследования характеристик нелинейности датчиков 105
3.6. Исследования эффективности программной коррекции 106
3.7. Выводы 115
4. Радиоастрономическая юстировка в полусфере 116
4.1. Радиоисточники для радиоастрономической юстировки в полусфере 116
4.2. Выбор параметров сеанса радиоастрономической юстировки .117
4.2.1. Начальные условия сеанса радиоастрономической юстировки 117
4.2.2. Параметры сканирования 121
4.3. Особенности измерений в различных диапазонах 123
4.3.1. Диапазоны 3,5, 6 и 13 см 123
4.3.2. Диапазон 18 см 123
4.3.3. Диапазон 1,35 см 124
4.4. Обработка результатов измерений 127
4.5. Результаты радиоастрономической юстировки антенн комплекса «Квазар» 128
4.6. Практическая проверка эффективности полученных моделей поправок в наблюдательных программах 143
4.6.1. Наблюдения переменных радиоисточников в обсерватории «Светлое» 143
4.6.2. Наблюдение тесных двойных систем 144
4.6.3. Наблюдения радиоизлучения космического гамма-всплеска GRB 030329 145
4.6.4. РСДБ наблюдения в составе международных сетей .147
4.7. Выводы 149
Заключение 150
Литература 154
- Алгоритм наведения радиотелескопа и постановка задачи
- Взаимодействие ПО центрального компьютера с системой СКУ-А
- Экспериментальные исследования характеристик нелинейности датчиков
- Практическая проверка эффективности полученных моделей поправок в наблюдательных программах
Введение к работе
Технология радиоинтерферометрических наблюденийй со сверхдлинными базами (РСДБ), предложенная в СССР и реализованная в начале 70-х годов совместными усилиями СССР и США [1], является в настоящее время самым мощным и универсальным средством наземной астрономии. Она используется развитыми странами для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач, которые требуют высокоточных координатно-вре-менных и навигационных данных.
Данные, получаемые с помощью РСДБ-технологии, эквивалентны по пространственно-временному разрешению, данным, которые могут быть получены лишь с помощью радиотелескопа с диаметром зеркала порядка десяти тысяч километров. Современный потенциал такого глобального радиотелескопа — радиоинтерферометра со сверхдлинной базой, минимум на три порядка превышает потенциал существующих оптических наземных средств и составляет [2]:
• десятые доли миллисекунды дуги при определении координат радиоисточников и микросекунды дуги при построении их изображений;
• микросекунды дуги при определении параметров Солнечной системы;
• миллиметры при определении трехмерных координат точек земной поверхности и глобальных расстояний, включая расстояния между континентами;
• миллиметры в год при определении движения точек земной коры, в том числе глобальных тектонических движений;
• миллиметры и десятки микросекунд при определении параметров вращения Земли (координат полюса, всемирного времени, длительности суток, прецессии и нутации);
• десятки пикосекунд при синхронизации атомных шкал времени, разнесенных на глобальные расстояния.
В настоящее время РСДБ-технология во всем мире рассматривается, как базовая технология для получения координатно-временной информации в интересах:
• таких фундаментальных наук, как астрометрия, небесная механика, эфемеридная астрономия, геодинамика, геофизика, астрофизика и космология,
• таких прикладных наук, как геодезия, космическая навигация в ближнем и дальнем космосе, метрология, сейсмология, климатология и океанография, телекоммуникации.
РСДБ-технология поддерживает своими данными: системы точного времени, глобальные навигационные спутниковые системы, системы управления транспортом, широкополосные системы связи и высокоскоростные системы передачи данных.
По этой причине данные высокоточных координатно-временных измерений, а также технические средства РСДБ-измерений помимо той роли, которую они играют в фундаментальных исследованиях, с годами все в большей степени приобретают народно-хозяйственное (прикладное) значение.
В 1988 г. Институт прикладной астрономии АН СССР (ныне — ИПА РАН) начал разработку проекта радиоинтерферометрического комплекса «Квазар», по которому предполагалось создать шестиэлементный радиоинтерферометр, заполнявший территорию страны по долготе и широте. Это обеспечивало независимость России от других стран при решении важных национальных задач и одновременно давало возможность для эффективного включения сети в международное радиоинтерферометрическое сообщество в рамках крупных международных астрометрических, геодинамических и астрофизических программ.
Однако после распада СССР и расширения международной кооперации было принято решение ограничиться строительством трех обсерваторий. К настоящему времени эти три обсерватории комплекса «Квазар» построены в поселке Светлое Приозерского района Ленинградской области, вблизи станицы Зеленчукская Карачаево-Черкесской Республики и в урочище Бадары Республики Бурятия. В результате образовался трехэлементный РСДБ-комплекс с размерами баз 2015 х 4282 х 4405 км, с центром управления в Санкт-Петербурге, где ведется первичная обработка данных и их анализ. Такая геометрия сети была выбрана исходя, прежде всего, из содержания астрометрических и геодезических задач, требующих наличия экваториальных и полярных проекций баз и большой общей зоны видимости радиотелескопов для источников с широким диапазоном склонений.
Кратко опишем типичную обсерваторию комплекса «Квазар» [3] (рис. 1), чтобы дать некоторое представление о ее технических средствах и возможностях при работе в радиометрическом и радиоинтерферометрическом режимах.
Основной элемент обсерватории — полноповоротный прецизионный радиотелескоп с зеркалом диаметром 32 м, который, как показал анализ, является во многих отношениях оптимальным при угломерных наблюдениях.
Антенна радиотелескопа была спроектирована специально для комплекса «Квазар», поскольку астрометрические и геодинамические задачи предъявляли особые требования к конструкции и динамическим качествам этого прецизионного астрометрического и геодезического инструмента. Она построена по модифицированной схеме Кассегрена с основным квазипараболическим зеркалом (фокусное расстояние 11.4 м) и вторичным зеркалом (контррефлектором), представляющим собой модифицированный гиперболоид вращения диаметром 4 м, с одной плоскостью симметрии. Основная и очень оригинальная идея этой конструкции состоит в том, что вторичное зеркало, его приводы и опоры физически «развязаны» с конструкцией зеркала и опираются на опорно-поворотное устройство радиотелескопа независимым образом. Такое техническое решение обеспечивает сохранение формы зеркала и его минимальные искажения, которые возникают при наклонах к горизонту. Впервые в истории отечественного телескопостроения азимутальное движение антенны осуществляется по рельсовому кольцевому пути. В соответствии с этим азимутальный привод выполнен в виде дискретно-фрикционной многоприводной системы, состоящей из четырех спаренных тележек, движущихся по рельсовому пути. Тележки воспринимают только силы, действующие вертикально: вес и вертикальные составляющие влияния ветра и опрокидывающего момента, а горизонтальные силы действуют на центральную азимутальную опору. Данная система позволяет улучшить стабильность положения вертикальной оси при вращении, повысить точность сопровождения источника, существенно снизить вес металлоконструкций, упростить монтаж антенной системы и ее эксплуатацию [4].
Цифровая система наведения радиотелескопа и сопровождения радиоисточников, разработанная ИПА РАН на базе компьютерных плат американских фирм Octagon и Fastwel с программным обеспечением в операционной среде Linux, дает возможность наблюдать медленные (естественные) и быстрые (искусственные) радиоисточники с точностью не хуже 5" при скорости ветра до 20 м/с. Эта система реализует алгоритм управления (ПИД-алго-ритм), благодаря которому конструкция радиотелескопа массой более 700 т движется достаточно быстро и без заметных автоколебаний [5].
В связи со способностью радиотелескопа работать на различных длинах волн, в нем, в отличие от классической схемы Кассегрена, впервые в России была применена система с подвижным вращающимся вторичным зеркалом (рис. 2). Это зеркало фокусирует принимаемое излучение в стороне от центра антенны, и при вращении его вокруг оси антенны фокальная точка описывает окружность. На этой окружности располагаются рупорные облучатели для различных длин волн, и быстрый переход с одной длины волны на другую осуществляется простым поворотом контррефлектора.
Комплекс высокочувствительных криоэлектронных (охлаждаемых до водородных температур) приемных устройств (радиометров) на волны 1.35, 3.5, 6, 13 и 18 см) [6], позволяет принимать излучение от естественных космических источников и космических аппаратов. Для высокоточных позиционных наблюдений наиболее важны радиометры на волнах 3.5 и 13 см (S/X-диапазон), которые в настоящее время приняты международным РСДБ-сообществом в качестве стандартных. Для исключения влияния ионосферы производится одновременный прием на этих длинах волн с помощью двух-волнового (совмещенного) рупорного облучателя.
Одна из важнейших характеристик радиотелескопа — низкие шумовые температуры, ибо высокая чувствительность системы по потоку позволяет уверенно регистрировать слабые источники, что, в свою очередь, дает возможность создавать каталоги радиоисточников, равномерно распределенных по небесной сфере, и эффективно использовать эти источники при дифференциальных измерениях для подавления влияния турбулентной тропосферы и нестабильности аппаратуры. Уже первые измерения показали, что шумовые характеристики радиотелескопов сети «Квазар» на разных длинах волн — одни из лучших в мире [7].
Для достижения низких шумовых температур (снижение уровня шума путем охлаждения) системы «телескоп — радиометр» усилительные устройства радиометров всех диапазонов располагаются в криостате и охлаждаются до температуры 20 К (водородный уровень) двухступенчатыми микрокриогенными системами замкнутого цикла охлаждения, которые позволяют снизить шумовые температуры радиометров практически до предельного уровня. Так, на фланцах криоблока они составляют от 5 К на длинных волнах до 20 К на волне 1.35 см [8].
Как уже говорилось, радиотелескопы комплекса «Квазар» работают в двух режимах — радиометрическом и радиоинтерферометрическом, обеспечивая тем самым решение задач не только координатно-временного обеспечения, но и астрофизических задач.
Радиометрические измерения ведутся одновременно в двух диапазонах частот в двух круговых поляризациях. Устройство цифровой регистрации информации разработано в ИПА РАН [9]. Этот модуль воспринимает полосу частот 100-1000 МГц, что позволяет подключать его к любым радиоастрономическим приемникам. Чувствительность устройства практически доведена до теоретического предела. Динамический диапазон, по сравнению с ранее существовавшей в России аппаратурой, увеличен на 10-12 дБ, а нелинейные искажения уменьшены в 3-4 раза. Это дает возможность применять модуль как для измерения весьма слабых, так и для анализа сильных сигналов.
Программное обеспечение, разработанное в ИПА РАН, полностью согласовано с системой MarklV Field System (NASA), принятой в качестве международного стандарта, обеспечивающего подготовку и автоматизацию РСДБ-наблюдений и работу с современными системами регистрации (Mark3-Mark5, VLBA, К4, S2).
В настоящее время в сети «Квазар» в качестве систем магнитной записи используются системы регистрации S2 (скорость регистрации 128 Мбит/с) и Mark4 (скорость регистрации 1 Гбит/с), поставленные Геодезическими службами Канады и NASA, что позволило обсерватории «Светлое» в 2003 г. активно включиться в работу по международным геодинамическим РСДБ-про-граммам.
Существенным элементом обсерваторий комплекса «Квазар» является система частотно-временной синхронизации, обеспечивающая временную привязку радиометрических и радиоинтерферометрических наблюдений. Эта система фактически превращает отдельные радиотелескопы в единый глобальный радиоинтерферометр. Она состоит из:
• водородных стандартов времени и частоты с нестабильностью 3 • 10 15 при времени осреднения 1000 с, хранящих размеры единиц времени (1 с) и частоты (1 Гц);
• формирователя шкал времени;
• аппаратуры привязки шкал времени по сигналам спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС с точностью не хуже 50 не;
• буферных усилителей опорных сигналов 5 МГц и фазостабильных линий их передачи;
• аппаратуры контроля и измерения высокостабильных сигналов.
В эту систему также входят комплект синхронизируемых СВЧ-гетероди-нов с частотами 1.26, 2.02, 4.5, 8.08 и 22, 92 Гц и генератор пикосекунд-ных импульсов с длительностью 25-50 пикосекунд, амплитудой около 1 В и частотой следования 1 МГц. Высокостабильные гетеродины обеспечивают когерентное преобразование принимаемых СВЧ-сигналов к рабочему диапазону (100-1000 МГц), а генератор пикосекундных импульсов служит для контроля фазовых характеристик тракта от входа приемного устройства до системы регистрации.
На обсерваториях комплекса «Квазар» установлено также автоматическое метеорологическое оборудование, измеряющее в реальном времени с высокой точностью все метеопараметры (температура, давление, влажность и скорость ветра), которые необходимы при обработке и анализе радиоин-терферометрических наблюдений.
Все стандартные наблюдения выполняются в режиме программного управления оборудованием радиотелескопа. Также программно осуществляются планирование, подготовка, экспресс-анализ наблюдений и создание отчетной документации.
Особое значение имеет подготовка РСДБ-наблюдений, так как она объединяет различные радиотелескопы. При ее планировании применяются специальные программные пакеты, разработанные в США для планирования астрофизических и астрометрических наблюдений. С помощью этих пакетов обычно подготавливаются управляющие файлы, которые рассылаются по всем обсерваториям, участвующим в наблюдениях. Файлы содержат информацию о наблюдаемых источниках, их координатах, времени наблюдений, частотах настройки системы регистрации и других параметрах системы регистрации. Они поступают в управляющий компьютер, на котором установлена программная система MarklV Field System, адаптированная к разработанным в России техническим средствам. Эта система выделяет в управляющем файле информацию, относящуюся к данной обсерватории, и формирует подробную программу эксперимента. Таким образом, в настоящее время радиотелескопы комплекса «Квазар» способны воспринимать управляющие файлы международных РСДБ-сетей и, как следствие, без труда вписываться в международные наблюдательные программы.
Кроме того, управляющий компьютер снабжен средствами отображения текущего состояния всех систем и телекоммуникационными средствами дистанционного доступа к радиотелескопу и информационного обмена через глобальную сеть Интернет.
Первоклассные наблюдательные РСДБ-станции, которых сейчас в мире не более двух десятков, помимо чисто радиоинтерферометрических средств содержат и другие средства координатно-временных измерений. Такая кол-локация позволяет сравнивать результаты различных средств измерения, уменьшать влияние систематических ошибок, расширять класс исследуемых задач и изучать явления различных временных масштабов. Такой подход бьш принят и при создании комплекса «Квазар». Сейчас ее обсерватории оснащены геодезическими приемниками ГЛОНАСС и GPS, а обсерватория «Ба-дары» — системой DORIS.
Коррелятор, куда поступают первичные данные из обсерваторий, в определенном смысле фазовый центр сети «Квазар», ибо именно там когерентно складываются сигналы и вычисляются автокорреляционные и взаимокорреляционные функции видеосигналов, несущие информацию о структуре радиоисточника, его координатах и координатах радиотелескопа, а также о параметрах ориентации Земли и других геофизических, геодезических и радиофизических параметрах. В настоящее время он может обрабатывать данные, поступающие одновременно с трех пунктов с общей скоростью 384 Мбит/с.
Успех проведения радиоастрономического сеанса зависит от большого количества факторов, одним из наиболее существенных является правильное наведение радиооси телескопа на источник. Даже для идеально настроенного радиотелескопа остаются неучтенные поправки наведения, снижающие эффективность работы инструмента. В РСДБ сеансе существует опасность вообще не попасть диаграммой направленности антенны на источник, т.к. во время проведения наблюдений выходной сигнал радиотелескопа не контролируется. В радиометрии возможен контроль наличия источника в диаграмме, но при длительном сопровождении источника неверный учет статических поправок вызовет флуктуации выходного сигнала радиометра, что приведет к появлению артефактов и ухудшению реальной чувствительности. При этом целесообразно различать т. н. «динамические» ошибки наведения, вызванные неравномерным движением антенны относительно заданной траектории, и «статические» ошибки, являющиеся следствием отклонения истинного положения радиооси антенны от расчетного из-за различных факторов: неточностей изготовления конструкции антенны, ошибок датчиков положения, деформаций конструкции антенны и др. Такое разделение ошибок на «статические» и «динамические» необходимо для правильного понимания причин, вызывающих неудачи в наблюдениях. Данная работа посвящена решению проблемы уменьшения «статических» ошибок, определению причин их вызывающих и разработке методов их коррекции.
Вопросы, решаемые в диссертационной работе
Введение в эксплуатацию первых радиотелескопов комплекса «Квазар» в п. Светлом (Ленинградская обл.) и в ст. Зеленчукская (Карачаево-Черкесская республика) сопровождалось необходимостью настройки и исследования этих новых инструментов.
Целями настоящей диссертационной работы являются:
1. Разработка программно-аппаратных средств для проведения радиоастрономической юстировки и решения задач управления радиотелескопом.
2. Радиоастрономическая юстировка антенных систем РСДБ комплекса «Квазар» с целью достижения основных параметров по точности наведения, позволяющих, в том числе, включить радиоастрономические обсерватории «Светлое» и «Зеленчукская» в состав международных РСДБ-сетей.
В работе по реализации этих целей автор старался придерживаться следующей логики:
• формулировка проблемы обеспечения точности наведения радиотелескопа в различных режимах его работы,
• выявление причин, вызывающих ухудшение точности наведения,
• разработка блок-схемы аппаратного комплекса управления радиотелескопом, позволяющей решать как задачи обеспечения точности наведения, так и проводить методические исследования под управлением центрального управляющего компьютера радиотелескопа,
• использование стандартного программного обеспечения РСДБ терминалов MarklV Field System (установленного на центральном компьютере) для решения задач наведения радиотелескопа,
• разработка специального программного обеспечения центрального компьютера для управления периферийным оборудованием радиотелескопа, сбора данных и интерфейса оператора,
• исследование метода радиоастрономической юстировки, применительно к антеннам комплекса «Квазар», выявление неучтенных эффектов ухудшающих точность наведения и разработка методик, компенсирующих эти неучтенные ошибки,
• проведение радиоастрономической юстировки в полусфере радиотелескопов в обсерваториях «Светлое» и «Зеленчукская», определение моделей поправок во всех рабочих диапазонах длин волн.
Работа по представленному выше плану проводилась, начиная с 1995 года по настоящее время.
Научная новизна работы
1. Разработана структура программно-аппаратного комплекса, позволяющего проводить автоматическую радиоастрономическую юстировку, а также наблюдения в радиометрическом и радиоинтерферометрическом режимах без введения дополнительных поправок в процессе наблюдения.
2. Впервые в нашей стране выполнена автоматизированная радиоастрономическая юстировка радиотелескопов в полусфере и построена аналитическая модель систематических поправок наведения.
3. Разработана методика измерения характеристик нелинейности датчиков положения (индуктосинов).
Научная и практическая значимость работы
1. Произведенная радиоастрономическая юстировка радиотелескопов РСДБ-комплекса «Квазар» в полусфере позволила начать регулярные наблюдения в составе международных РСДБ-сетей и в режиме одиночного радиотелескопа.
2. Реализована программная коррекция нелинейности датчиков положения радиотелескопов комплекса «Квазар», в результате чего была достигнута точность наведения порядка единиц угловых секунд.
3. Разработан программно-аппаратный комплекс для управления радиотелескопом и регистрации радиоастрономических данных, обеспечивающий наблюдения в режиме одиночного радиотелескопа.
Результаты, выносимые на защиту:
1. Программно-аппаратный комплекс для проведения радиоастрономической юстировки радиотелескопа с асимметричным контррефлектором в полусфере и управления процессом наблюдений в составе РСДБ-сети и в режиме одиночного радиотелескопа.
2. Результаты радиоастрономической юстировки радиотелескопов комплекса «Квазар» в обсерваториях «Светлое» и «Зеленчукская» (модели поправок в четырех частотных диапазонах), обеспечивающие требуемую точность наведения и давшие возможность начать регулярные наблюдения в интерферометрическом и радиометрическом режимах работы радиотелескопов.
3. Методика и результаты измерения нелинейности датчиков положения антенн радиотелескопов комплекса «Квазар», позволившие осуществить программную компенсацию ошибок сопровождения, вызванных нелинейностью этих датчиков и, тем самым, улучшить точность наведения в 3 раза.
Апробация работы
Результаты, полученные в диссертации, представлялись на XXVI Радиоастрономической конференции (С.-Петербург, 18-22 сентября 1995 г.), XXVII Радиоастрономической конференции (С.-Петербург, 10-14 ноября 1997 г.), конференции «Астрометрия, геодинамика и небесная механика на пороге XXI века» (С.-Петербург, 19-23 июня 2000 г.), Международной конференция «Солнце в максимуме активности и солнечно-звездные аналогии» (С.-Петербург, 17-22 сентября 2000 г.), Всероссийской Астрономической конференции (С.-Петербург, 6-12 августа 2001 г.), Всероссийской конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение» (С.-Петербург, 11-15 апреля 2005 г.) и обсуждались на научных семинарах ИЛА РАН.
Результаты проведенных автором исследований реализованы в ИПА РАН при вводе в действие радиотелескопов обсерваторий «Светлое» и «Зеленчук-ская» радиоинтерферометрического комплекса «Квазар».
Публикации и вклад автора
Основные результаты диссертации опубликованы в 27 работах [5-31] (10 статьях, 15 тезисах и 2 технических отчетах) общим объемом 355 страниц, 21 работа написана совместно с другими авторами.
В работах по устройствам радиометрической регистрации [9,19,21] автору принадлежит участие в формулировке требований к устройству, участие в испытаниях устройства, практическая реализация программ для внешнего управления.
В работах, посвященных наблюдательным программам в режиме одиночного телескопа [11,14,16,24,25,28], автору принадлежит реализация алгоритма наблюдений на центральном компьютере радиотелескопа, а в работах [24,25,28] — также непосредственное участие в проведении наблюдений и обработке результатов.
В работах [12,13] автору принадлежит описание разработанных им компонентов аппаратно-программного комплекса управления радиотелескопом.
В работе [5] автору принадлежит участие в формулировке требований к системе контроля и управления антенной, непосредственное участие в отладке и испытаниях системы.
В работах по СВЧ приемному комплексу [6-8,10,17,18,20,29-31] автору принадлежит непосредственное участие в разработке и исследованиях аппаратуры приемного комплекса.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации 170 страниц. Диссертация содержит 10 таблиц, 62 рисунка и список литературы из 60 наименований.
В первой главе рассматриваются общие требования к точности наведения антенн радиотелескопов, перечисляются возможные причины ошибок наведения. Автор предлагает разделять периодические статические ошибки наведения антенны на две категории. «Долгопериодические», могут быть описаны зависимостью, имеющей несколько (от одного до четырех) периодов во всем диапазоне изменения координат антенны. Такие ошибки учитываются методами радиоастрономической юстировки. Другой тип ошибок — короткопериодические или локальные ошибки — не может быть учтен такими методами и требует специальных исследований и, при необходимости, разработки методик измерения и коррекции.
В этой главе также рассматриваются различные виды наблюдений с точки зрения требований к точности наведения, влияния ошибок наведения и используемых методов коррекции.
Во второй главе рассматривается программно-аппаратный комплекс для управления радиотелескопом и радиоастрономической юстировки. Ключевым фактором в определении структуры комплекса является требование использования программного обеспечения MarklV Field System (FS), являющегося стандартом для международных сетей РСДБ. Предлагаемая схема построения комплекса отличается от обычной практики использования FS на других радиотелескопах, имеющих собственную независимую от FS систему управления.
В предлагаемой структуре комплекса главным элементом является центральный управляющий компьютер с программным обеспечением FS. Все необходимые программные средства для управления антенной и другим оборудованием радиотелескопа работают на этом же компьютере и интегрированы в среду FS.
Наиболее объемной частью программного обеспечения комплекса, разработанного автором, является программа управления антенной. Требования к этой программе сформулированы исходя из анализа программного интер фейса управления антенной FS и возможностей системы контроля и управления антенной (СКУ-А), которая непосредственно управляет приводами антенны. СКУ-А на антеннах комплекса «Квазар» была реализована в двух вариантах. Структура программы управления антенной разрабатывалась для первого варианта, построенного на базе специализированного программного устройства СПУ-5. В главе приводится структура программы, описываются выполняемые функции.
При создании этой программы автором была разработана схема организации в среде FS асинхронных программ, т. е. программ, цикл работы которых не связан с циклом интерпретатора командного языка FS, а определяется взаимодействием с объектом управления. Эта схема включает алгоритм запуска и завершения таких программ и механизм межпрограммного взаимодействия, основанный на использовании UDP сокетов UNIX.
Автором была решена сложная задача согласования логики команд управления антенной FS и логики работы СКУ-А, которые существенно отличаются между собой.
После замены СКУ-А на базе СПУ-5 на новую систему управления, разработанную в ИПА РАН, основная часть разработанных принципов построения программы управления антенной сохранилась, были также реализованы новые возможности, произошло перераспределение функций аппаратно-программного комплекса.
Программа позволяет вычислять координаты и, следовательно, проводить наблюдения источников трех типов:
1. источники с фиксированными координатами в экваториальной системе координат (галактические и внегалактические радиоисточники);
2. объекты Солнечной системы — Солнце, большие планеты, Луна;
3. другие космические объекты (малые планеты, искусственные спутники Земли) — по заранее рассчитанному файлу данных, который предоставляется наблюдателем.
Для расчетов координат объектов Солнечной системы автором был разработан программный интерфейс, интегрирующий в программу управления антенной ПО NOVAS-C (USNO) и эфемериды JPL DE405.
Автором была разработана также программа управления системой радиометрической регистрации. Эта программа выполняет две основные функции: является основным средством регистрации данных при наблюдениях в режиме одиночного радиотелескопа и обеспечивает радиометрической информацией программы для радиоастрономической юстировки и измерения параметров радиотелескопа.
В этой главе также кратко рассматриваются программы для работы с метеостанцией и программы интерфейса оператора.
В третьей главе рассматриваются «короткопериодические» или локальные ошибки. Из анализа наблюдений делается предположение, что источником локальных ошибок на радиотелескопах комплекса «Квазар» являются датчики положения антенны — устройство съема угловых координат (УСУК) «Салгир». УСУК обеспечивает измерение углового положения исполнительных осей антенны в виде двоичного двадцатиразрядного кода с минимальной дискретностью 360°/220 и однозначностью отсчета в пределах 360°. Двухот-счетное преобразование обеспечивается датчиками «точного» и «грубого» отсчета (или точной и грубой шкалы). Старшие 8 бит формируются датчиком грубой шкалы, младшие 12 бит — датчиком точной шкалы. Период изменения уровня сигнала, отмеченный в наблюдениях оказался согласованным с периодом изменения координат антенны 360°/256 = 1.40625°, а это совпадает с периодом повторения точной шкалы УСУК «Салгир».
Автор предлагает проводить коррекцию ошибок датчиков положения программным методом, т. е. путем измерения характеристики нелинейности датчика и компенсации этой характеристики при наведении антенны. При этом характеристику достаточно измерить только в пределах одной точной шкалы датчика, т. к. она является периодической.
В главе приводится результат измерения этой характеристики одного экземпляра датчика известным геодезическим методом. Практическое применение метода затрудняется необходимостью использования дополнительного геодезического оборудования, большим временем измерений, сложностью автоматизации.
Автором предлагается новая методика измерения характеристики нелинейности, не использующая дополнительного измерительного оборудования.
Используется только штатное оборудование радиотелескопа. Измерения проводятся значительно быстрее в сравнении с геодезическим методом, обработка автоматизирована. Программа обработки, разработанная автором, сразу формирует таблицу данных для коррекции нелинейности, загружаемую в систему наведения антенны.
В основу методики, предложенной автором, положена запись положения антенны без замкнутой системы автоматического регулирования по данным с датчика положения. На электропривод антенны подается постоянное напряжение. При этом можно было бы ожидать, что антенна будет двигаться с постоянной скоростью, однако вследствие различных дестабилизирующих факторов это не выполняется. При движении антенны в указанном режиме записывается график движения, т. е. зависимость положения антенны от времени, с помощью штатного программного обеспечения системы управления радиотелескопом. Зарегистрированная таким образом зависимость состоит из двух неизвестных слагаемых: искомой ошибки нелинейности и реального графика движения антенны. Разработанный автором алгоритм обработки результатов измерений, позволяет разделить эти неизвестные составляющие в выражении и таким образом выделить ошибку нелинейности. Далее в главе приводится описание алгоритма и реализующей его программы.
С использованием предложенной методики были исследованы все датчики положения на антеннах в обсерваториях «Светлое» и «Зеленчукская» и построены их характеристики нелинейности. В главе приводится подробный, иллюстрированный графиками, пример обработки данных измерений азимутального датчика на антенне в обсерватории «Светлое». Для остальных датчиков приведены полученные окончательные характеристики нелинейности.
В конце главы приводятся экспериментальные данные, подтверждающие эффективность предложенной методики программной коррекции датчиков положения на антеннах в обсерваториях «Светлое» и «Зеленчукская».
В четвертой главе рассматриваются различные вопросы, связанные с практическим проведением сеансов радиоастрономической юстировки.
Список источников для юстировки должен равномерно покрывать весь диапазон склонений, видимый на широте расположения радиотелескопа, и включать источники с достаточной величиной потока. Основная часть этого списка универсальна для большинства антенн, расположенных в северном полушарии. Автором был добавлен в список ряд источников, находящихся на склонениях около +70° для ликвидации разрыва в заполнении полусферы на высоких углах места на антенне в обсерватории «Светлое».
В главе рассматривается определение параметров сеанса радиоастрономической юстировки: начальных условий и параметров сканирования. Обсуждаются возможные варианты выбора начальных условий, а также влияние обоих параметров на результаты. Окончательный выбор параметров производится экспериментальным путем.
Проведение юстировки имеет свои особенности в различных диапазонах частот. Наиболее простыми являются диапазоны 3,5 и 6 см. Чувствительность системы здесь хорошая для регистрации котировочных источников, ширина диаграммы направленности не требует больших отводов при сканировании. Поскольку антенны комплекса «Квазар» оснащены совмещенными облучателями для диапазонов 3,5 и 13 см, модель поправок для диапазона 3,5 см автоматически обеспечивает точное наведение и в диапазоне 13 см. В диапазоне 18 см основной сложностью является необходимость больших отводов при сканировании из-за широкой диаграммы направленности ( 20 ), что приводит к существенному увеличению времени наблюдения одного источника и, следовательно, к ухудшению заполнения полусферы в ходе сеанса радиоастрономической юстировки. В результате точность полученной модели оказывается хуже. Однако в данном диапазоне и требования к точности наведения являются самыми низкими.
Самым сложным для юстировки является диапазон 1,35 см. Это объясняется уменьшением ширины диаграммы направленности, уменьшением количества источников, пригодных для радиоастрономической юстировки, снижением чувствительности системы. Для данного диапазона важен правильный выбор начальных условий. В обсерватории «Светлое» удалось применить в качестве начальных условий сеанса юстировки модель поправок, полученную в диапазоне 6 см. В обсерватории «Зеленчукская» потребовалось провести дополнительный сеанс для определения предварительной неточной модели поправок, и лишь затем — основной сеанс с использованием этой мо дели в качестве начальных условий.
В главе приводится иллюстрированный графиками пример обработки сеанса радиоастрономической юстировки антенны в обсерватории «Светлое» в диапазоне 3,5 см. Далее приводятся графики моделей поправок, полученных в результате сеансов юстировки двух антенн во всех частотных диапазонах, кроме модели в диапазоне 18 см в обсерватории «Зеленчукская».
Эффективность полученных моделей поправок подтверждается успешным проведением регулярных сеансов по программам IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry) R4, T2, Euro, ЕЗ, а также наблюдениями переменных радиоисточников в обсерватории «Светлое», тесных двойных систем и радиоизлучения космического гамма-всплеска GRB 030329 в обсерваториях «Светлое» и «Зеленчукская».
В Заключении обсуждаются основные результаты работы.
В Приложении приведен исходный текст программы обработки результатов измерений характеристик нелинейности датчиков положения антенны.
Алгоритм наведения радиотелескопа и постановка задачи
Одна из важнейших характеристик радиотелескопа — низкие шумовые температуры, ибо высокая чувствительность системы по потоку позволяет уверенно регистрировать слабые источники, что, в свою очередь, дает возможность создавать каталоги радиоисточников, равномерно распределенных по небесной сфере, и эффективно использовать эти источники при дифференциальных измерениях для подавления влияния турбулентной тропосферы и нестабильности аппаратуры. Уже первые измерения показали, что шумовые характеристики радиотелескопов сети «Квазар» на разных длинах волн — одни из лучших в мире [7].
Для достижения низких шумовых температур (снижение уровня шума путем охлаждения) системы «телескоп — радиометр» усилительные устройства радиометров всех диапазонов располагаются в криостате и охлаждаются до температуры 20 К (водородный уровень) двухступенчатыми микрокриогенными системами замкнутого цикла охлаждения, которые позволяют снизить шумовые температуры радиометров практически до предельного уровня. Так, на фланцах криоблока они составляют от 5 К на длинных волнах до 20 К на волне 1.35 см [8].
Как уже говорилось, радиотелескопы комплекса «Квазар» работают в двух режимах — радиометрическом и радиоинтерферометрическом, обеспечивая тем самым решение задач не только координатно-временного обеспечения, но и астрофизических задач.
Радиометрические измерения ведутся одновременно в двух диапазонах частот в двух круговых поляризациях. Устройство цифровой регистрации информации разработано в ИПА РАН [9]. Этот модуль воспринимает полосу частот 100-1000 МГц, что позволяет подключать его к любым радиоастрономическим приемникам. Чувствительность устройства практически доведена до теоретического предела. Динамический диапазон, по сравнению с ранее существовавшей в России аппаратурой, увеличен на 10-12 дБ, а нелинейные искажения уменьшены в 3-4 раза. Это дает возможность применять модуль как для измерения весьма слабых, так и для анализа сильных сигналов.
Программное обеспечение, разработанное в ИПА РАН, полностью согласовано с системой MarklV Field System (NASA), принятой в качестве международного стандарта, обеспечивающего подготовку и автоматизацию РСДБ-наблюдений и работу с современными системами регистрации (Mark3-Mark5, VLBA, К4, S2).
В настоящее время в сети «Квазар» в качестве систем магнитной записи используются системы регистрации S2 (скорость регистрации 128 Мбит/с) и Mark4 (скорость регистрации 1 Гбит/с), поставленные Геодезическими службами Канады и NASA, что позволило обсерватории «Светлое» в 2003 г. активно включиться в работу по международным геодинамическим РСДБ-про-граммам.
Существенным элементом обсерваторий комплекса «Квазар» является система частотно-временной синхронизации, обеспечивающая временную привязку радиометрических и радиоинтерферометрических наблюдений. Эта система фактически превращает отдельные радиотелескопы в единый глобальный радиоинтерферометр. Она состоит из: водородных стандартов времени и частоты с нестабильностью 3 10 15 при времени осреднения 1000 с, хранящих размеры единиц времени (1 с) и частоты (1 Гц); формирователя шкал времени; аппаратуры привязки шкал времени по сигналам спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС с точностью не хуже 50 не; буферных усилителей опорных сигналов 5 МГц и фазостабильных линий их передачи; аппаратуры контроля и измерения высокостабильных сигналов. В эту систему также входят комплект синхронизируемых СВЧ-гетероди-нов с частотами 1.26, 2.02, 4.5, 8.08 и 22, 92 Гц и генератор пикосекунд-ных импульсов с длительностью 25-50 пикосекунд, амплитудой около 1 В и частотой следования 1 МГц. Высокостабильные гетеродины обеспечивают когерентное преобразование принимаемых СВЧ-сигналов к рабочему диапазону (100-1000 МГц), а генератор пикосекундных импульсов служит для контроля фазовых характеристик тракта от входа приемного устройства до системы регистрации. На обсерваториях комплекса «Квазар» установлено также автоматическое метеорологическое оборудование, измеряющее в реальном времени с высокой точностью все метеопараметры (температура, давление, влажность и скорость ветра), которые необходимы при обработке и анализе радиоин-терферометрических наблюдений. Все стандартные наблюдения выполняются в режиме программного управления оборудованием радиотелескопа. Также программно осуществляются планирование, подготовка, экспресс-анализ наблюдений и создание отчетной документации.
Особое значение имеет подготовка РСДБ-наблюдений, так как она объединяет различные радиотелескопы. При ее планировании применяются специальные программные пакеты, разработанные в США для планирования астрофизических и астрометрических наблюдений. С помощью этих пакетов обычно подготавливаются управляющие файлы, которые рассылаются по всем обсерваториям, участвующим в наблюдениях. Файлы содержат информацию о наблюдаемых источниках, их координатах, времени наблюдений, частотах настройки системы регистрации и других параметрах системы регистрации. Они поступают в управляющий компьютер, на котором установлена программная система MarklV Field System, адаптированная к разработанным в России техническим средствам. Эта система выделяет в управляющем файле информацию, относящуюся к данной обсерватории, и формирует подробную программу эксперимента. Таким образом, в настоящее время радиотелескопы комплекса «Квазар» способны воспринимать управляющие файлы международных РСДБ-сетей и, как следствие, без труда вписываться в международные наблюдательные программы.
Кроме того, управляющий компьютер снабжен средствами отображения текущего состояния всех систем и телекоммуникационными средствами дистанционного доступа к радиотелескопу и информационного обмена через глобальную сеть Интернет.
Первоклассные наблюдательные РСДБ-станции, которых сейчас в мире не более двух десятков, помимо чисто радиоинтерферометрических средств содержат и другие средства координатно-временных измерений. Такая кол-локация позволяет сравнивать результаты различных средств измерения, уменьшать влияние систематических ошибок, расширять класс исследуемых задач и изучать явления различных временных масштабов. Такой подход бьш принят и при создании комплекса «Квазар». Сейчас ее обсерватории оснащены геодезическими приемниками ГЛОНАСС и GPS, а обсерватория «Ба-дары» — системой DORIS.
Взаимодействие ПО центрального компьютера с системой СКУ-А
В основу методики, предложенной автором, положена запись положения антенны без замкнутой системы автоматического регулирования по данным с датчика положения. На электропривод антенны подается постоянное напряжение. При этом можно было бы ожидать, что антенна будет двигаться с постоянной скоростью, однако вследствие различных дестабилизирующих факторов это не выполняется. При движении антенны в указанном режиме записывается график движения, т. е. зависимость положения антенны от времени, с помощью штатного программного обеспечения системы управления радиотелескопом. Зарегистрированная таким образом зависимость состоит из двух неизвестных слагаемых: искомой ошибки нелинейности и реального графика движения антенны. Разработанный автором алгоритм обработки результатов измерений, позволяет разделить эти неизвестные составляющие в выражении и таким образом выделить ошибку нелинейности. Далее в главе приводится описание алгоритма и реализующей его программы.
С использованием предложенной методики были исследованы все датчики положения на антеннах в обсерваториях «Светлое» и «Зеленчукская» и построены их характеристики нелинейности. В главе приводится подробный, иллюстрированный графиками, пример обработки данных измерений азимутального датчика на антенне в обсерватории «Светлое». Для остальных датчиков приведены полученные окончательные характеристики нелинейности.
В конце главы приводятся экспериментальные данные, подтверждающие эффективность предложенной методики программной коррекции датчиков положения на антеннах в обсерваториях «Светлое» и «Зеленчукская». В четвертой главе рассматриваются различные вопросы, связанные с практическим проведением сеансов радиоастрономической юстировки.
Список источников для юстировки должен равномерно покрывать весь диапазон склонений, видимый на широте расположения радиотелескопа, и включать источники с достаточной величиной потока. Основная часть этого списка универсальна для большинства антенн, расположенных в северном полушарии. Автором был добавлен в список ряд источников, находящихся на склонениях около +70 для ликвидации разрыва в заполнении полусферы на высоких углах места на антенне в обсерватории «Светлое».
В главе рассматривается определение параметров сеанса радиоастрономической юстировки: начальных условий и параметров сканирования. Обсуждаются возможные варианты выбора начальных условий, а также влияние обоих параметров на результаты. Окончательный выбор параметров производится экспериментальным путем.
Проведение юстировки имеет свои особенности в различных диапазонах частот. Наиболее простыми являются диапазоны 3,5 и 6 см. Чувствительность системы здесь хорошая для регистрации котировочных источников, ширина диаграммы направленности не требует больших отводов при сканировании. Поскольку антенны комплекса «Квазар» оснащены совмещенными облучателями для диапазонов 3,5 и 13 см, модель поправок для диапазона 3,5 см автоматически обеспечивает точное наведение и в диапазоне 13 см. В диапазоне 18 см основной сложностью является необходимость больших отводов при сканировании из-за широкой диаграммы направленности ( 20 ), что приводит к существенному увеличению времени наблюдения одного источника и, следовательно, к ухудшению заполнения полусферы в ходе сеанса радиоастрономической юстировки. В результате точность полученной модели оказывается хуже. Однако в данном диапазоне и требования к точности наведения являются самыми низкими.
Самым сложным для юстировки является диапазон 1,35 см. Это объясняется уменьшением ширины диаграммы направленности, уменьшением количества источников, пригодных для радиоастрономической юстировки, снижением чувствительности системы. Для данного диапазона важен правильный выбор начальных условий. В обсерватории «Светлое» удалось применить в качестве начальных условий сеанса юстировки модель поправок, полученную в диапазоне 6 см. В обсерватории «Зеленчукская» потребовалось провести дополнительный сеанс для определения предварительной неточной модели поправок, и лишь затем — основной сеанс с использованием этой мо дели в качестве начальных условий.
В главе приводится иллюстрированный графиками пример обработки сеанса радиоастрономической юстировки антенны в обсерватории «Светлое» в диапазоне 3,5 см. Далее приводятся графики моделей поправок, полученных в результате сеансов юстировки двух антенн во всех частотных диапазонах, кроме модели в диапазоне 18 см в обсерватории «Зеленчукская».
Эффективность полученных моделей поправок подтверждается успешным проведением регулярных сеансов по программам IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry) R4, T2, Euro, ЕЗ, а также наблюдениями переменных радиоисточников в обсерватории «Светлое», тесных двойных систем и радиоизлучения космического гамма-всплеска GRB 030329 в обсерваториях «Светлое» и «Зеленчукская».
В Приложении приведен исходный текст программы обработки результатов измерений характеристик нелинейности датчиков положения антенны.
Экспериментальные исследования характеристик нелинейности датчиков
На рис. 6 приведен пример перемещения антенны радиотелескопа по азимуту в ходе типичного геодезического РСДБ эксперимента. Для подобных экспериментов характерна частая смена источников во время сеанса. В течение суток антенна около 200 раз перенаводится с одного источника на другой, причем последовательно наблюдаются источники, находящиеся на значительных угловых расстояниях друг от друга. Время наблюдения каждого источника составляет несколько минут. На переброс с источника на источник запланировано минимально необходимое время с учетом предельных скоростей переброса антенн, участвующих в эксперименте, а также их диапазонов перемещения. Основные требования, предъявляемые к системе управления радиотелескопом для проведения подобных экспериментов, можно сформулировать следующим образом [37]. 1. Должны использоваться унифицированные программные средства для проведения экспериментов на всех радиотелескопах международной сети. 2. Должна быть обеспечена высокая степень автоматизации управления наведением антенны, системами радиоинтерферометрической регистрации и другим оборудованием радиотелескопа. 3. Антенна должна быстро перенаводится с одного источника на другой без дополнительных задержек на подготовку данных целеуказания, загрузку программ и т.д. 4. Должна быть обеспечена высокая точность наведения антенны. Поправки наведения антенны должны быть заранее исследованы во всей полусфере, т.к. в программах наблюдений не предусматривается время для поиска поправок после наведения на каждый источник. Для поиска поправок на каждом источнике в программах наблюдений время не предусмотрено, система поправок радиотелескопа должна быть известна во всей полусфере. Однако, обработка таких наблюдений не очень чувствительна к небольшим изменениям уровня сигнала, а короткое время наблюдения каждого источника обеспечивает незначительное влияние изменения поправок при сопровождении, а также слабое влияние локальных ошибок.
Радиоинтерферометрические наблюдения, проводимые по другим программам, используют другие алгоритмы. Для построения изображений радиоисточников используются более длительные отрезки сопровождения, что повышает требования к точности определения системы поправок. Если для построения изображений используются амплитудные методы обработки, то такие наблюдения критичны к колебаниям амплитуды принимаемого сигнала, вызванным локальными ошибками.
Главным отличием наблюдений в режиме одиночного телескопа является то, что основным измеряемым параметром является амплитуда сигнала радиоисточника. Такие наблюдения более требовательны к точности наведения и сопровождения источника, и здесь возможно применение методов коррекции поправок наведения по принимаемому сигналу.
Коррекции поправок по сигналу чаще всего применяются в практике наблюдений переменных радиоисточников с относительно большой величиной потока, так как целью таких наблюдений является определение потока с максимальной точностью, а определение поправок по источнику, который хорошо виден на фоне шумов системы, легко осуществимо. В таких наблюдениях этот метод является достаточно эффективным, если время наблюдений одного источника невелико и отсутствуют значительные локальные ошибки.
При наблюдениях с целью регистрации излучения слабых объектов используется длительное сопровождение источника с накоплением сигнала, при этом уровень сигнала от источника недостаточен для определения поправок. Часто в таких случаях используется метод определения поправок на близко расположенном сильном источнике и последующее наблюдение слабого источника с полученными поправками. Однако, при плохой точности построения модели поправок антенны по результатам радиоастрономической юстировки и при наличии заметных локальных ошибок такой метод не является эффективным.
При наличии заметных локальных ошибок на длительном сопровождении источника будет укладываться большое число периодов изменения этих ошибок, т. е. в зарегистрированном сигнале источника будут присутствовать колебания уровня, ухудшающие результаты обработки наблюдений. Наиболее заметно это будет в том случае, если коррекция поправок по сильному источнику произойдет в точке максимального значения локальной ошибки.
При длительном сопровождении источника будут значительно меняться координаты антенны и, следовательно, необходимые значения поправок, которые должны учитываться моделью радиоастрономической юстировки. Если модель поправок неточно отражает такие изменения, это не компенсируется коррекцией поправок по сильному источнику. Уровень сигнала при этом будет плавно снижаться от начала к концу регистрации.
Учитывая вышеизложенное, даже в режиме одиночного радиотелескопа для получения высококачественных данных необходимо проводить ра диоастрономическую юстировку и иметь возможность учитывать локальные ошибки.
Практическая проверка эффективности полученных моделей поправок в наблюдательных программах
ПО FS устанавливается на различные радиотелескопы, имеющие различные типы монтировки и собственные системы управления. Полностью готовых средств для управления какой-либо антенной в FS нет. Такие программные средства должны разрабатываться отдельно для каждой антенны. В FS предусмотрен стандартизованный интерфейс для управления антенной, рассчитанный на выполнение нескольких функций. Для работы совместно с FS программа управления антенной должна, как минимум, обеспечивать исполнение этих стандартных функций по запросам от FS.
Все взаимодействие программ FS с антенной производится через запросы к специальной программе — интерфейсу управления антенной, которая представляет антенну как «черный ящик», скрывая детали конкретной реализации. В FS под понятием «антенна» часто подразумевается также и другое специфическое оборудование радиотелескопа, т. е. назначение программы интерфейса антенны фактически следует рассматривать в более широком смысле — как интерфейс между стандартными программами FS и нестандартным оборудованием.
Всего в FS предусмотрено шесть стандартных запросов, относящихся к наведению антенны: 1. инициализация (установление связи с антенной, начальные установки и т. д.); 2. переход к сопровождению нового источника, т. е. переброс на максимальной скорости от текущего положения и начало сопровождения; 3. введение смещений по отдельным координатам при сопровождении в различных системах координат; 4. запрос информации о состоянии сопровождения источника: on source («на источнике») — установлен режим сопровождения с минимальными ошибками или off source («вне источника») — не завершен переброс или ошибки сопровождения превышают допустимые значения; 5. запрос подробной информации для записи в LOG файл, которая включает текущие координаты антенны, значения ошибок сопровождения, значения поправок и др. Программы радиоастрономической юстировки и измерения параметров, работающие в режиме одиночного телескопа, всегда дожидаются состояния on source, прежде чем осуществлять измерения сигнала. При проведении РСДБ наблюдений антенна должна успевать перейти в состояние on source за время, предусмотренное в расписании. Состояние сопровождения источника во время включения системы магнитной записи фиксируется в LOG файле. Если это состояние off source, то запись источника должна быть исключена из обработки. Введение смещений («поправок») должно выполняться быстро, насколько это возможно, т.к. это действие интенсивно используется программами радиоастрономической юстировки. Система контроля и управления антенной (СКУ-А) на антеннах комплекса «Квазар» была реализована в двух вариантах. Первый вариант [42] был построен на базе специализированного программного устройства СПУ-5. Основные принципы взаимодействия ПО центрального компьютера для управления антенной с системой СКУ-А и реализующий их протокол обмена были разработаны исходя из особенностей указанного устройства. Впоследствии СКУ-А на базе СПУ-5 была заменена на новую систему управления, разработанную в ИПА РАН. При этом часть разработанных принципов сохранилась, были также реализованы новые возможности, произошло перераспределение функций между компонентами программно-аппаратного комплекса. Серийный промышленный прибор СПУ-5 (рис. 13) является аппаратным вычислителем-интерполятором траектории движения антенны по опорным точкам заданной траектории. Прибор представляет собой специально спроектированное устройство для управления приводами опорно-поворотных устройств антенн различного назначения. Прибор вычисляет интерполированную траекторию и выдает на электропривод антенны аналоговый сигнал управления, пропорциональный углу рассогласования между расчетной координатой и координатой с датчика обратной связи. Кроме СПУ-5, в состав первого варианта СКУ-А входят крейт, обеспечивающий взаимодействие с СПУ-5 и аппаратурой управления приводами антенны, и компьютер оператора, расположенный в лабораторном корпусе и связанный с крейтом последовательной линией связи. Основная функция СКУ-А — реализация следящей системы, которая в реальном времени считывает текущие координаты антенны с датчиков положения, сравнивает с заданными координатами на данный момент времени и вырабатывает сигнал рассогласования для управления приводами антенны. Таким образом СКУ-А отвечает за обеспечение динамической точности сопровождения источника. Задача ПО центрального компьютера — рассчитать и загрузить в СКУ-А данные о заданных координатах источника в зависимости от времени. При этом от центрального компьютера не требуется работать в режиме реального времени. Эти данные могут быть рассчитаны и загружены в СКУ-А с некоторым «упреждением», за синхронизацию времени отвечает СКУ-А. СКУ-А не является полнофункциональной системой управления наведе ниєм антенны, т. к. в ней реализованы только собственно следящая система и функции непосредственного управления аппаратурой и отсутствуют такие важные функции как: расчет координат космических объектов; учет поправок на рефракцию; учет поправок по результатам радиоастрономической юстировки; формирование таблицы опорных точек для СПУ-5; автоматизация выполнения ряда операций по управлению антенной; автоматизация управления антенной по заданной программе наблюдений. В соответствии с протоколом обмена данные для сопровождения источника должны быть заданы в СКУ-А в виде таблицы опорных точек целеуказания. Для каждой точки задаются значения времени, азимута и угла места. Между опорными точками осуществляется линейная интерполяция. Таблица должна быть полностью сформирована до начала сопровождения источника и не может корректироваться.
