Развитие диагностических возможностей иркутского радара некогерентного рассеяния для решения задач контроля космических аппаратов и проведения активных космических экспериментов Лебедев Валентин Павлович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Теоретический анализ и методика калибровки диаграммы направленности антенны иркутского радара некогерентного рассеяния 9

1.1. Антенная система Иркутского радара некогерентного рассеяния 9

1.2. ДН в плоскости частотного сканирования (азимутальное направление) 11

1.3. Модель ДН антенны ИРНР в азимутальном направлении 12

1.4. ДН в угломестной плоскости 16

1.5. Амплитудное и фазовое распределение поля в раскрыве рупора ИРНР 17

1.6. Модель амплитудной и фазовой ДН антенны ИРНР в угломестном направлении . 21

1.7. Калибровка ДН антенной системы ИРНР по внеземным источникам радиоизлучения 26

ГЛАВА 2. Определение координатных характеристик космических аппаратов, наблюдаемых на ИРНР 39

2.1. Модель принятого сигнала 39

2.2. Быстро меняющийся сигнал 43

2.3. Медленно меняющийся сигнал 46

2.4. Метод анализа характеристик отраженных от КА радиосигналов 51

2.5 Методика определения в реальном времени РЛ сигнала от К А в развертке HP сигнала 60

2.6. Определение параметров орбиты КА по данным ИРНР 68

2.7. Метод определение долготы восходящего узла и наклонения орбиты КО на

короткой дуге по дальности и угловым координатам (данные ИРНР: R, є, у) 72

2.8. Уточнение параметров орбиты КА «ФОБОС-ГРУНТ» по данным ИРНР 74

ГЛАВА 3. Определение некоординатных характеристик космических аппаратов, наблюдаемых на ИРНР 81

3.1. Учет эффекта Фарадея при измерении эффективной площади рассеяния низкоорбитальных КАНА ИРНР 81

3.2. Особенности РЛ сигналов, отраженных отКА сферической формы 86

3.3. Результаты наблюдения КА "ФОБОС-ГРУНТ" 89

3.4. Результаты наблюдения КА "ЧИБИС-М" 93

3.5. Исследование радиолокационных характеристик ТГК "Прогресс" во время работы бортовых двигателей 95

Заключение 107

Список сокращений 111

Список цитируемой литературы

• Модель ДН антенны ИРНР в азимутальном направлении
• Модель амплитудной и фазовой ДН антенны ИРНР в угломестном направлении
• Методика определения в реальном времени РЛ сигнала от К А в развертке HP сигнала
• Результаты наблюдения КА "ФОБОС-ГРУНТ"

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Радары некогерентного рассеяния (HP) позволяют осуществлять наиболее полную диагностику ионосферы. С их помощью можно получать электронную концентрацию, температуру ионов и электронов, ионный состав и скорость дрейфа в диапазоне высот 100-1000 км. Потенциал и диагностические возможности радаров HP позволяют проводить многопараметрические исследования ионосферы и физических процессов в верхней атмосфере Земли. Радары HP используются в качестве точных диагностических средств в исследовании процессов, проходящих во время активных экспериментов [1]. Радары HP позволяют определять пространственно-временную динамику плотности, температуры и ионного состава локальных неоднородностей ионосферы, возникающих в результате работы бортовых двигательных установок (ДУ) космических аппаратов (КА) [2]. В последнее время радары HP используются для наблюдения различных КА [3] и малоразмерного космического мусора (КМ) на низкой орбите Земли [4], привлекаются для изучения метеоров [5].

Радары HP — сложные и дорогостоящие установки, мировая сеть насчитывает 11 таких радиолокационных станций (РЛС). Каждый радар HP имеет уникальные антенную систему, технические характеристики, режим работы, географическое положение. В современных экспериментальных исследованиях для получения высокоточных измерений необходимо детальное знание характеристик приемо-передающего канала [6]. Для решения широкого круга описанных задач необходимо использовать и развивать самые передовые методики обработки экспериментальных данных.

Иркутский радар некогерентного рассеяния (ИРНР) создан на базе переданного Институту солнечно-земной физики (ИСЗФ) СО РАН оборудования РЛС «Днепр» [7]. Диагностические возможности радара по измерению координатных и некоординатных характеристик КА улучшились после модернизации и перехода на современную цифровую технику. В настоящее время новый аппаратно-программный комплекс позволяет использовать ИРНР в экспериментальных исследованиях ионосферы методом HP и наблюдениях КА и КМ не только как самостоятельное устройство, но и вместе с оптическими средствами ИСЗФ СО РАН

Проблема контроля КМ, особенно его малоразмерной фракции, стоит уже не одно десятилетие, сейчас количество зарегистрированных фрагментов КМ исчисляется уже десятками тысяч. Для наблюдений за такой высокой численностью КМ необходимы плотная сеть наблюдательных станций и высокая точность измерений [8]. Мировая практика показала перспективность использования радаров HP в качестве измерительных средств КМ и подтвердила актуальность полученных с их помощью данных [4, 7, 9, 10].

Радары HP, благодаря своей высокой чувствительности, регистрируют большой поток космических объектов (КО), причем большая часть из них является малоразмерной — менее 10 см. Информация о таких объектах

крайне важна, так как КО размером более 1 см представляют серьезную угрозу безопасности действующих КА, кроме того, данные по малоразмерному КМ необходимы для моделей распределения и эволюции облака КМ.

Для обеспечения требуемой точности определения координатных и некоординатных характеристик КО необходимо учитывать влияние среды распространения на характеристики радиолокационных (РЛ) сигналов. Таким образом, важным является знание профиля электронной концентрации в ионосфере, так как он определяет дополнительную задержку распространения сигнала и поляризационные замирания амплитуды сигнала, связанные с эффектом Фарадея [11]. Необходимо учитывать также особенности РЛС: форму диаграммы направленности антенны РЛС, поляризацию, процесс излучения и приема РЛ-сигнала.

Развитие диагностических возможностей ИРНР и расширение круга решаемых задач стало возможным после коренной модернизации всего комплекса управляющих, приемных, регистрирующих устройств и средств обработки сигналов [12]. Основное достоинство нового аппаратно-программного комплекса ИРНР — регистрация полной формы РЛ-сигнала в большом динамическом диапазоне. Анализ полной формы сигнала позволяет использовать передовые методики обработки сигнала и получать амплитуду сигнала, дальность, радиальную скорость, углы в каждом такте зондирования с необходимой точностью [8].

Основной особенностью ИРНР является антенна, излучающая и принимающая одну (линейную) поляризацию волн электромагнитного поля. Как и для любой другой подобной РЛС, для ИРНР актуальной задачей является определение эффективной площади рассеяния (ЭПР) КА с учетом вращения вектора плоскости поляризации в ионосферной плазме (эффект Фарадея). Созданный аппаратно-программный комплекс позволяет одновременно с наблюдением КО проводить диагностику ионосферы, что позволяет не только уточнять координатную информацию, но и определять фазу поляризационного замирания РЛ-сигнала для корректного определения эффективной площади рассеяния КА [11].

Развитие диагностических возможностей ИРНР повышает также потенциальные возможности радиооптического комплекса ИСЗФ СО РАН, состоящего из взаимодействующих оптических средств наблюдения КО и ИРНР. Координированные измерения на радиооптическом комплексе призваны расширить набор измеряемых характеристик наблюдаемых КО с целью повышения как точности определения координатных и некоординатных характеристик, так и надежности идентификации КО и контроля технического состояния КА.

Цель работы

Целью работы является развитие диагностических возможностей ИРНР для решения задач контроля КО и проведения активных космических экспериментов. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие научно-технические задачи:

1. Разработка методики и комплекса программ для калибровки диаграммы направленности антенны ИРНР.

2. Разработка модели и методики определения характеристик принятого радиолокационного сигнала с учетом особенностей антенной ИРНР.

3. Разработка методик и комплекса программ для определения координатных и некоординатных характеристик наблюдаемых КО с учетом эффекта Фарадея.

4. Исследование влияния выхлопных струй бортовых двигательных установок космического аппарата на характеристики радиолокационного сигнала.

5. Проведение натурных измерений КО, определение координатных и некоординатных характеристик КО на основе разработанной модели принятого радиолокационного сигнала.

Новизна результатов

6. Впервые на основе современных цифровых средств измерено пространственное распределение поля в диаграмме направленности антенны ИРНР по данным наблюдений космических радиоисточников.

7. Впервые на радиолокационных станциях с линейной поляризацией реализован метод, учитывающий эффект Фарадея при определении эффективной площади рассеяния КО на основе одновременного измерения радиолокационного сигнала и профиля мощности сигнала некогерентного рассеяния.

8. Впервые по данным ИРНР оценено влияние выхлопных струй бортовых двигательных установок малой мощности транспортного грузового корабля (ТГК) «Прогресс» на координатные и некоординатные характеристики.

Научная и практическая ценность работы

9. Методики и алгоритмы восстановления пространственного распределения поля диаграммы направленности могут использоваться для антенн различного типа, в область обзора которых попадают мощные космические радиоисточники.

10. Метод измерения эффективной площади рассеяния КО может использоваться на радиолокационных станциях, оснащенных антенной с линейной поляризацией.

11. Созданные программный комплекс определения координатных и некоординатных характеристик КО и база результатов наблюдений КО за 2007-2011 гг.

12. Достигнутое расширение диагностических возможностей ИРНР позволяет на более высоком уровне точности получать координатную и некоординатную информацию о наблюдаемом КО и проводить исследования воздействия выхлопных струй бортовых двигательных установок на отражательные характеристики космического аппарата.

Достоверность результатов

Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена использованием физически обоснованных методов и статистикой наблюдений. Точность определения координатных и некоординатных характеристик

КО, наблюдаемых на ИРНР, была подтверждена оптическими средствами ИСЗФ, расположенными в Саянской солнечной обсерватории. Результаты, полученные в ходе работы и вынесенные на защиту, обсуждались на научных семинарах, публиковались в рецензируемых журналах и докладывались на российских и международных конференциях.

Личный вклад автора

В совместных исследованиях автору принадлежит основное участие на всех этапах — от постановки наблюдательного эксперимента и анализа данных до получения выводов и написания статей. Автор является разработчиком программных модулей расчета распределения поля диаграммы направленности ИРНР и расчета в масштабе реального времени координатных и некоординатных характеристик КО, наблюдаемых на ИРНР.

Апробация работы и публикации

Результаты работы докладывались на российских и международных конференциях: 4-я, 5-я, 6-я, 7-я, 9-я Научная сессия молодых ученых Международной Байкальской молодежной научной школы по фундаментальной физике (БШФФ) (Иркутск, 2001, 2002, 2003, 2004, 2006 гг.), конференция «Околоземная астрономия XXI века» (Звенигород, 2001 г.), Eighth International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics (Irkutsk, 2001), IX Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2003 г.), LXIII научная сессия, посвященная Дню радио (Москва, 2003 г.), Международная конференция «Околоземная астрономия - 2003» (Институт астрономии РАН, МЦ АМЭИ, 2003 г.), Всероссийская конференция «Дистанционное зондирование поверхности Земли и атмосферы» (Иркутск, 2003 г.), Международная научная конференция «Излучение и рассеяние волн» (Таганрог, 2005 г.), VI US-Russian Space Survilliance Workshop (St. Peterburg, 2005), 36^th COSPAR Scientific Assembly (Beijing, 2006), VII Russian-Chinese Workshop on Space Weather (Irkutsk, 2006), Научно-техническая конференция по основным результатам научно-прикладных исследований на PC МКС (Королев, 2007 г.), XXII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн», (пос. Лоо, 2008 г.), 37^th COSPAR Scientific Assembly (Montreal, 2008), XXIX General Assembly of the International Union of Radio Science (URSI) (Chicago, Illinois, USA, 2008), 1-я Международная конференция МАА-РАКЦ «Космос для человечества» (Москва, 2008 г.).

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 9 работ, 4 из них — в журналах, рекомендованных ВАК для публикаций результатов диссертаций:

1. Развитие диагностических возможностей Иркутского радара некогерентного рассеяния / А. П. Потехин, А. В. Медведев, А. В. Заворин, Д. С. Кушнарев, В. П. Лебедев, Б. Г. Шпынев //Космические исследования. -2008. -Т. 46.-С. 356-362.

2. Исследование методами радиозондирования характеристик плазменного окружения низкоорбитальных космических аппаратов / В. П. Лебедев, В. В. Хахинов, Ф. Ф. Габдуллин, А. Г. Корсун, Е. М. Твердохлебова, Е. А. Лалетина, А. И. Манжелей // Космонавтика и ракетостроение. -2008.-№50(1).-С. 51-60.

3. Радиофизические методы диагностики ионосферных возмущений, генерируемые бортовыми двигателями ТГК «Прогресс»: алгоритмы, инструменты и результаты / В. В. Хахинов, А. П. Потехин, В. П. Лебедев, А. В. Медведев, Д. С. Кушнарев, Б. Г. Шпынев, В. Е. Заруднев, С. С. Алсаткин, К. Г. Ратовский, А. В. Подлесный, И. Г. Брынько // Журнал радиоэлектроники. - 2010. - С. 555-571.

4. Результаты дистанционного зондирования ионосферных возмущений в активных космических экспериментах «Радар-Прогресс» / В. В. Хахинов, А. П. Потехин, В. П. Лебедев, С. С. Алсаткин, К. Г. Ратовский, Д. С. Кушнарев, Е. М. Твердохлебова, М. Ю. Куршаков, А. И. Манжелей, Н. И. Тимофеева // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2012. - Т. 9, № 3. - С. 199-208.

Публикации из базы Web of Science и Scopus:

5. Ionospheric Perturbation Associated with the "Plasma-Progress" Experiment at Irkutsk / B. G. Shpynev, V. V. Khakhinov, A. V. Medvedev, A. P. Potekhin, V. P. Lebedev, E. M. Tverdokhlebova, A. I. Manzheley II Proceedings of the XXIX URSI General Assembly. Chicago, Illinois, USA. - 2008. - P. GP2-05.3.

6. Active space experiments with the use of the transport spacecraft "Progress" and Irkutsk IS Radar I A. P. Potekhin, V. V. Khakhinov, A.V. Medvedev, D.S. Kushnarev, V.P. Lebedev, B.G. Shpynev II PIERS Proceedings, Moscow, Russia. - 2009. - P. 223-227.

7. Results of Complex Radiosounding of Ionospheric Disturbances Generated by the Transport Spacecraft "PROGRESS" Onboard Thrusters I V. Khakhinov, A. Potekhin, B. Shpynev, S. Alsatkin, K. Ratovsky, V. Lebedev, D. Kushnarev II Proc. XXX URSI General Assembly, Istanbul, Turkey. - 2011. - HP2.15.

8. Variations of the Transport Spacecraft "Progress" Radar Characteristics Connected with the Orbital Maneuvering Subsystem Run I V. Lebedev, V. Khakhinov, A. Potekhin, D. Kushnarev, V. Zarudnev II Proc. XXX URSI General Assembly, Istanbul, Turkey. - 2011. - HP2.16.

9. Radiosounding of ionospheric disturbances generated by exhaust streams of the transport spacecraft "Progress" engines I V. V. Khakhinov, B. G. Shpynev, V. P. Lebedev, D.S. Kushnarev, S. S. Alsatkin, D.S. Khabituev II PIERS Proceedings, Moscow, Russia.-2012.-P. 1168-1171.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Методика измерения диаграммы направленности ИРНР по наблюдениям космических радиоисточников, включающая: юстировку электрической оси антенны, восстановление двумерного распределения поля диаграммы направленности антенны, определение фазо-угломестной характеристики антенны.

2. Модель и методика определения характеристик принятого радиолокационного сигнала с учетом особенностей антенной системы ИРНР для исследования координатных и некоординатных характеристик наблюдаемого КО.

3. Методика учета эффекта Фарадея при наблюдении низко орбитальных К А.

4. Вывод о том, что инжекция выхлопных струй бортовых двигательных установок малой мощности ТГК «Прогресс» в направлении на ИРНР приводит к появлению значимым изменений в динамике амплитуды РЛ-сигнала, при этом эффективная площадь рассеяния ТГК падает на 25-50 %.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 118 страниц текста, 11 таблиц, 71 рисунок.

Модель ДН антенны ИРНР в азимутальном направлении

Из выражения (1.42) видно, что при не синфазном распределении наибольшее значение к достигается при A y/2l =rj21. В этом случае относительные амплитуды волн высших типов имеют достаточно малую амплитуду по сравнению с волной Нго. На рисунке 1.10 приведена зависимость дополнительной фазы г/21 от величины квадратичной фазы /Vax. В результате проведенной калибровки ДН антенны ИРНР показано, 1 1- Is

Выражения (1.25) и (1.36) определяют соответственно амплитудную и фазовую ДН антенны ИРНР, однако в общем случае не нулевой квадратичной фазы у/так, их не удается представить с помощью элементарных функций, поэтому в зависимости от величины у/тах следует выбрать необходимое приближение. Неопределенными в предложенной модели остаются относительные амплитуды и фазы волн высших типов. Таким образом, необходимо решить задачу калибровки параметров в моделях амплитудной и фазовой ДН: а2п1, Лу/2п1, тах.

Важной задачей контроля космического пространства является определение с высокой точностью координатных и некоординатных характеристик наблюдаемых КО. Для удовлетворения требований, предъявляемых к точности такой информации, необходимо как можно более точное знание ДН. Представленная выше математическая модель ДН антенной системы ИРНР содержит параметры, которые могут быть определены только экспериментально. Таким образом, в азимутальном направлении необходима калибровка:

Адекватные представления о ДН можно получить при непосредственных измерениях поля излучения или приема в дальней зоне, например, методом облета. Однако, из-за сложности эта процедура не всегда доступна. Измерения на уменьшенных макетах антенн, также требуют значительных дополнительных затрат и усилий и при этом не всегда дают адекватные результаты.

Общая мировая практика показывает, что наиболее эффективным способом получения характеристик ДН является измерение уровня мощности шума при прохождении через диаграмму различных космических радиоисточников [26].

Целью калибровочных измерений является решение следующих задач: 1. Уточнить зависимость угла наклона ДН от несущей частоты для каждого полурупора. 2. Построить зависимости пространственного (по азимуту и углу места в антенной системе координат) распределения мощности. 3. Измерить фазовую характеристику антенны. 4. Исследовать возможность синтеза ДН в меридиональном направлении. Методика калибровочных измерений ДН по радиоисточникам. На участке неба, который покрывает сектор сканирования антенны радара в разное время проходят три радиоисточника: Крабовидная туманность, «Кассиопея», «Лебедь-А». Угловые размеры этих источников не превышают 5 у г. мин. и их можно считать точечными по сравнению с ДН. В таблице 1.2 приведены основные характеристики наблюдаемых радиоисточников [26 - 30].

В настоящее время в пассивном режиме регулярно ведется регистрация шумовой обстановки в секторе ИРНР в диапазоне частот 149 - 163.2МГц, что соответствует диапазону антенных азимутов є є [-12.8,36.б]. На рисунке 11 (ось абсцисс - время (UT), ось ординат -рабочая частота в КГц, ось аппликат - мощность) приведен пример динамики мощности регистрируемых шумов, хорошо видны треки радиоисточников (трек максимальной мощности), черной линией показано расчетное движение радиоисточников. Из рисунка 1.11 видно, что Солнце является наиболее мощным радиоисточником в секторе ИРНР, однако для калибровочных измерений может использоваться только с апреля по август [31].

Регистрация космических шумов ведется в режиме циклического сканирования, время накопления шума для каждого положения ДН составляет от одной до десяти секунд. Такой режим позволяет вести измерения параметров ДН каждого полурупора в секторе сканирования антенны радара с достаточно хорошим пространственным и временным разрешением [31].

Уточнение уравнения сканирования. Цель измерений - получить зависимость между углом отклонения ДН є и рабочей частотой /, определить ширину ДН в плоскости частотного сканирования и уровень бокового излучения.

Наличие хорошей статистики наблюдений трех радиоисточников позволило уточнить уравнение сканирования. Методика определения данной характеристики состояла в следующем. В трек радиоисточника методом наименьших квадратов вписывалась парабола: freq = p2(tmJ+fmiBL, (1.44) где /тах - максимальная частота (вершина параболы) в треке радиоисточника, /тах - время прохождения вершины параболы, р2 0. С другой стороны азимут тах положения ДН, максимальной частоты, определяется следующим соотношением: =f-fo + ). (1-45) где д - склонение радиоисточника, sin = cos cosa, =36.79608 , ер - широта РЛС, а=1 -угол между положительным направлением оси антенны и меридианом. Таким образом, можно найти соответствие между частотой /тах и азимутом тах, (см. таблицу 1.3), т.е. уточнить зависимость угла наклона ДН от несущей частоты.

Модель амплитудной и фазовой ДН антенны ИРНР в угломестном направлении

В выражениях (2.22) и (2.24) F(As) - ДН по мощности в азимутальном направлении, нормированная на единицу, определяется выражением (1.7), Ає - азимутальный угол в системе координат, связанной с частотой /0, выражается через антенный азимут: Ає = є - є0.

Из выражения (2.21) видно, что амплитуда вариаций сигнала определяется как скоростью dqAt-тЛ d\n(F(Ss)) изменения формируемого сигнала , так и в виду азимутом є, так если КА находится в центре є = є0 азимутальной ДН F(0), то искажения сигнала отсутствуют, знак Е. также зависит от того с какой стороны относительно центра ДН F(0) находится КА. Схематично искажения сигнала в зависимости от положения в азимутальной ДН представлены на рисунке 2.3, где форма сигнала представлена в виде двух квадратур: a(t) - реальная часть сигнала и b(t) - мнимая часть сигнала, причем предполагается, что излученный сигнал q0(t) определяется только реальной составляющей, а искажения представляет b(t). На рисунке 2.4а и 2.4в представлены соответственно амплитудная и фазовая ДН в азимутальной плоскости, на рисунках 2.46 и 2.4г приведены зависимости амплитуды вариаций Е, и дополнительная задержка 8т в зависимости от антенного азимута 8є для рабочих частот приведена в мкс, так как это характерное время изменения сигнала, например, процесс смены фазы от 0 до ж занимает (от -1 до +1 в а-квадратуре) несколько микросекунд. Из рисунка 2.46 видно, что минимальные вариации соответствуют центральному направлению 8є = 0, причем максимальное значение амплитуды вариаций в некоторых направлениях может превышать уровень сигнала, который определяется в данном случае амплитудной ДН F(s). Также видно, что в пределах основного лепестка F(s) амплитуда вариаций Е, почти линейно зависит от антенного азимута 8е, таким образом, в данной области ДН по измеренным вариациям Е. можно уточнять 8є. Из рисунка 2.4г видно, что максимальная дополнительная задержка соответствует центральному направлению ДН, причем эта задержка в пределах основного лепестка меняется слабо. Отрицательные дополнительные задержки связаны с теми направлениями (нечетные боковые лепестки), где нулевой уровень сигнала получается немного раньше, чем как если бы сигнал просто прошел до цели и обратно. Таким образом, зависимость дополнительной задержки от азимута, должна приводить к дополнительным вариациям в динамике дальности при наблюдении КА, причем амплитуда этих вариаций может составлять примерно 350м.

На рисунке 2.5 приведены зависимости максимального значения уровня А и В квадратур для различной длительности переходного процесса от антенного азимута, сплошной линия - А-квадратура, пунктирная линия - В-квадратура. Переходной процесс от -1 до +1 для А-квадратуры излученного сигнала q0(t) задан функцией синуса, В-квадратура излученного сигнала полагалась нулевой. Видно, что амплитуда В-квадратуры падает с ростом длительности процесса смена фазы, амплитуда А-квадратуры становится все ближе к ДН в азимутальном направлении. Близость амплитуды А-квадратуры переходного процесса к ДН является одним из требований использования выражения (2.21) для медленно меняющегося сигнала. Другим требованием является близость В-квадратуры и производной излученного сигнала. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Зависимость точности используемой модели для А и В квадратуры от длительности процесса фазовой манипуляции сигнала от 0 до 180 град, синяя линия - А-квадратура, черная линия - В квадратура. используемой модели для А и В квадратуры от длительности процесса фазовой манипуляции сигнала от 0 до 180 град. Из рисунка видно, что точность используемой модели принятого сигнала, определяемая выражением (2.21) для длительности процесса фазовой манипуляции 10 мкс составляет менее 0.5% от сигнала, определяемого выражением (2.9), что вполне удовлетворительно для работы. Точность 5% обеспечивает сигнал с длительностью переходного процесса 6.5 мкс. Таким образом, если длительность фазовой манипуляции не превышает 1 мкс, можно использовать модель быстроменяющегося сигнала (2.11), если длительность фазовой манипуляции не меньше 6.5 мкс можно использовать модель медленно меняющего сигнала (2.21). В настоящее время на ИРНР длительность процесса смены фазы сигнала, поступающего в антенну, составляет 10 мкс, поэтому в дальнейшем будет использована модель медленно меняющегося сигнала (2.21). Выражение (2.21) без дополнительной задержки ST МОЖНО получить исходя из того что ребристую структуру вместе с щелевыми панелями можно представить как дисперсионную систему, в которой угол отклонения є0 связан с рабочей частотой /0 соотношением (1.5).

Для определения координат цели в угломестной плоскости применяется фазовый метод, основанный на измерении разности фаз эхо-сигналов, принятых двумя каналами антенной системы. Разность фаз эхо-сигналов между каналами антенной системы получается за счет разности путей распространения их до приемников. Одинаковые пути распространения получаются в случае прихода отраженной от цели волны по направлению нормали к раскрыву у = О. Отраженные от цели волны, не совпадающие с направлением нормали к антенне, приходят к приемникам со сдвигом фаз, определяемым наклоном фронта волны при у Ф О. Таким образом, разность фаз принятых сигналов в двух каналах антенны связана с углом прихода отраженной волны [40].

Двухканальная антенная система работает как две антенны в схеме простейшего интерферометра. Разность хода волн, выраженная в электрических градусах, будет равна: 2ж A(p = —lsmy = k9 y, (2.37) где / - расстояние между фазовыми центрами двух каналов, к = 16 эл.град/ град.уг.места -наклон фаза-угломестной характеристики. Выражением (2.37) можно пользоваться в диапазоне углов места у є [-110;11J, где разность фаз между полурупорами Аср растет линейно с изменением /, что составляет линейный диапазон для фазы ±176 , вне этого диапазона зависимость между разностью фаз и антенным углом места цели более сложная, не линейная. Разность фаз Аср между рупорами определяется из условия максимальной энергии суммы сигналов: qx(t) от верхнего рупора и сдвинутого на искомую фазу, q2(t)e A p сигнала от нижнего рупора:

Методика определения в реальном времени РЛ сигнала от К А в развертке HP сигнала

В ИСЗФ СО РАН разработаны методы измерения ионосферных параметров на радаре с линейно поляризованной антенной [7, 75]. Они основаны на одновременных измерениях по двум частотным каналам высотных профилей мощности, спектров мощности сигналов HP и специальных алгоритмах их вторичной обработки, позволяющих получить решения РЛ уравнения с учетом эффекта Фарадея. РЛ уравнение при зондировании ионосферы построено в рамках статистической теории однократного рассеяния электромагнитных волн на слабых флуктуациях диэлектрической проницаемости плазмы [76 - 78] и обобщенного с учетом эффекта Фарадея. Созданный аппаратно-программный комплекс регистрации и первичной обработки сигналов позволил в 1996 году начать регулярные исследования ионосферы на Иркутском радаре HP.

В последние годы на Иркутском радаре HP выполняется программа наблюдения низкоорбитальных космических объектов. При измерении РЛ сигнала существует та же проблема учета эффекта Фарадея, поскольку данный эффект приводит к неопределенности в измерении такой важной характеристики КО, как эффективная площадь рассеяния (ЭПР), а иногда и к полному замиранию сигнала, когда плоскости поляризации волны и антенны ортогональны. Для устранения этой неопределенности, в настоящей работе предлагается использовать разработанные ранее методы измерения сигналов HP [75], которые позволяют определять угол поворота плоскости поляризации электромагнитной волны и использовать его для определения ЭПР.

Выражение (2.5) получено на основании методологии, которая используется для расчета мощности сигнала некогерентного рассеяния (HP). Также, как для HP сигнала [75], рассматривается отраженный от КО сигнал на входе приемного устройства в виде: и = } G0Ae - L/) t - У2V , (3.1) здесь Ptr - импульсная мощность излучения, /3 - начальная фаза излучения, СО0 - несущая частота, к0 = й)01Сз Tr=Tlr, p = (fn-[Trx[TrxTu]]) - поляризационный множитель, Т единичные вектора поляризации, ftr(Jr),fr(lr) - нормированные на единицу ДН по полю соответственно для режима излучения и приема, a(t) - комплексная огибающая излученного импульса. U(t) рассматривается при t ru, где ти - длительность a(t). Уравнение (3.1) получено по аналогии со статистическим уравнением радиолокации. При его получении использованы определения, стандартные для радиолокации и приведенные во многих работах [79, 80].

Физическая сущность эффекта Фарадея состоит в том, что при распространении высокочастотной радиоволны в плазме, находящейся в магнитном поле, вектор суммарного поля обыкновенной и необыкновенной волн поворачивается по мере распространения из-за различия фазовых скоростей. При этом фаза вращения пропорциональна длине пути и разности показателей преломления по - пн. Поскольку мы имеем «высокочастотный» случай распространения волны, групповая скорость обыкновенной и необыкновенной волн совпадает. Следовательно, учет эффекта Фарадея в (3.1) нужно проводить только для волновой функции е r. Ее можно формально заменить на сумму геометрооптических выражений для указанных волн, для которых коэффициенты поляризации мало отличаются от ±/ и волны практически поляризованы по кругу: угломестном направлении соответственно для режима излучения и приема. В выражении (3.5) первый множитель (а) дает величину плотности мощности облучающей волны на дальности R , выраженной в ватах на единицу площади, произведение множителей (а)(Ь) определяет плотность мощности отраженной волны у РЛС с поляризацией, проходящей через поляризационный фильтр в раскрыве антенны, в ватах на единицу площади, множитель (с) представляет собой эффективную площадь приемной антенны. Выражение (3.5) справедливо в случае, когда поляризация волны не претерпевает дополнительного вращения при отражении от облучаемого КО.

Из (3.5) видно, что мощность РЛ сигнала зависит от: ЭПР КО - а2; местоположения КО в ДН антенны - Ftr(y)Fr(y)F2(є); эффекта Фарадея - cos2 Q.(R) . Таким образом для проведения

измерений ЭПР КО необходимо учитывать, что мощность РЛ сигнала на антеннах с одной линейной поляризацией поля, зависит от угла поворота Q плоскости поляризации волны в ионосферной плазме. Поскольку Q определяется интегральным содержанием электронов вдоль пути распространения волны (2.6), он достаточно медленно меняется в течение суток. Самые быстрые его вариации наблюдаются в утренние и вечерние часы, когда его значение изменяется на ж за 5-15 минут. Следовательно, если проводить достаточно частые измерения электронной концентрации, то можно учесть эффект Фарадея в (3.5) при измерении ЭПР низкоорбитальных КО. Регулярные измерения на Иркутском радаре HP в режиме зондирования ионосферы производятся с периодом 2 минуты. Мощность сигнала HP.

Интегрирование по углам в (3.7) ведется в пределах основного лепестка ДН ИРНР по уровню 0.5, так как основная мощность HP сигнала приходит именно с этих направлений.

Выражение (3.7) позволяет определить на основе измерений мощности сигналов HP концентрацию электронов и, как следствие, угол поворота плоскости поляризации волны. Величина температур электронов и ионов определяется путем измерений спектров мощности и специальной методики обработки, описанной в [75].

Учет эффекта Фарадея при измерениях ЭПР низкоорбитальных КО. Измерение ЭПР КО на основе уравнения (3.5) может осуществляться несколькими способами. Первый способ - измерение технических характеристик радара и установление соотношений между мощностью отраженного сигнала и ЭПР КО. В реальных условиях это часто представляет определенную проблему вследствие температурных колебаний окружающей среды, условий влажности и пр. Второй способ - сравнение ЭПР цели с ЭПР известного (калибровочного) КО. Третий способ - сравнение мощности отраженного от КО сигнала с мощностью сигнала HP. Первые два способа известны и давно используются в радиолокации. Третий способ можно использовать только при одновременных измерениях параметров ионосферы методом HP.

Результаты наблюдения КА "ФОБОС-ГРУНТ"

На рисунке 3.24 представлены результаты, полученные 25 августа 2012: левый верхний рисунок - динамика амплитуды прямоугольных сигналов, правый верхний - динамика амплитуды ЛЧМ сигнала, правый нижний рисунок - динамика ЭПР ТГК, левый нижний -геометрия эксперимента. Из рисунка видно, что во время включения/выключения СКД амплитуда сигнала меняется рывком, во время работы СКД возмущение отрицательное на всех частотах. Моменты включения и выключения СКД обозначены красными вертикальными линиями. Как видно из рисунка, геометрия пролета такова, что присутствует значимая составляющая движения вдоль антенного азимута (узкая ДН). Таким образом, динамика амплитуды прямоугольных сигналов, связанная с прохождением ТГК через ДН, настолько быстрая, что делает расчет ЭПР по амплитуде плоского РЛ сигнала менее достоверным. Амплитуда принятого ЛЧМ - сигнала, не зависит от ДН в азимутальном направлении и меняется медленнее, на рисунке серой линией показана динамика амплитуды, в случае постоянного ЭПР ТГК, черной линией - измеренная амплитуда. Таким образом, расчет ЭПР ТГК проводился по амплитуде принятого ЛЧМ - сигнала, из правого нижнего рисунка видно, что во время работы СКД наблюдается сильное отрицательное возмущение, так ЭПР Прогресса с 8.3 м (СКД не работают) падает до 5 м (падение на 35%) после включения СКД.

На рисунке 3.25 представлены результаты, полученные 26 августа 2012: левый рисунок -динамика амплитуды прямоугольных сигналов, правый - динамика ЭПР ТГК. Моменты включения и выключения СКД обозначены красными вертикальными линиями. В наблюдениях 26 апреля во время работы СКД также наблюдается сильное отрицательное возмущение в динамике амплитуды сигнала, ЭПР Прогресса с 8.3 м (СКД не работают) падает до 6 м (падение на 25%) после включения СКД. Геометрия эксперимента в рассматриваемом пролете такова, что эфемерида ТГК проходила практически поперек сектора сканирования (вдоль антенного угла места), таким образом, для расчета ЭПР использовалась динамика амплитуды прямоугольных сигналов. В рассматриваемом наблюдении можно выделить несколько отдельных импульсов в работе СКД: первый - включение СКД, второй через 3.5 секунды, третий еще через 3 секунды. Наличие дополнительных импульсов, по-видимому, можно связать не неравномерностью работы СКД.

В работе описаны технические особенности антенной системы ИРНР, показано как формируется ДН в азимутальном и угломестном направлении, получена параметрическая модель ДН как в азимутальном, так и в угломестном направлениях. В виду сложности и уникальности конструкции антенной системы ИРНР, полученные выражения для ДН содержат ряд параметров, теоретическое определение которых достаточно сложно, а достоверность таких вычислений не велика. Для устранения имеющейся неопределенности было проведено измерение ДН и уточнено уравнение сканирования. По результатам наблюдения космических радиоисточников получены значения следующих искомых параметров: уровень поля в конце антенны в относительных единицах по отношению к уровню на входе А =0.15, что соответствует ширине ДН в азимутальной направлении 0,45 ; квадратичная разность фаз на краю рупора у/тлх =60; относительная амплитуда волны Н2о ос21 =0.813, разность фаз в раскрыве рупора между волной Ню и Нго Ду21=14.6 , и относительная амплитуда волны Н40 а41=0.3, разность фаз в раскрыве рупора между волной Ню и Н40 Ау/41 =250 .

Построена модель принятого РЛ сигнала с учетом особенностей антенной системы ИРНР, параметры модели связаны с координатной и некоординатной информацией наблюдаемого КО. Показано что, в процессе излучения/приема на ИРНР принятый сигнал по сравнению с синтезируемым удлиняется почти на 4 мкс, кроме того, меняется форма фронта сигнала в зависимости от азимута, что в свою очередь дает возможность связать эти изменения с азимутом наблюдаемого КО и повысить точность измерения данного угла. Тот факт, что форма принятого сигнала зависит от азимута, также необходимо учитывать и при корреляционной обработке, в противном случае можно получить дополнительную задержку, связанную с пересечением КО диаграммы направленности в азимутальном направлении. В работе также проведена оценка точности предложенной модели принятого сигнала, показано, что для достижения высокой точности определения координатной информации необходимо учитывать процесс распространения сигнала в антенно-фидерном тракте.

Для определения характеристик отраженных от КА радиосигналов, с учетом описанных выше особенностей, предложен метод, основанный на анализе квадратур РЛ сигнала. Предлагаемый алгоритм реализован в виде программы и заключается в определении параметров сигнала, обеспечивающих минимальное СКО комплексной огибающей модели принятого сигнала, с учетом азимутальных искажений, от полученной при измерениях комплексной огибающей. Методом компьютерного моделирования проведена оценка точности получаемой координатной информации, полученной при разном отношении сигнал/шум, с помощью представленного метода.

Предложена методика, определения в реальном времени наличия РЛ сигнала от КО в развертке HP сигнала. В настоящее время это очень актуальная задача, так как плотность КО на низкой орбите земли достигла такой плотности, что 7-10% реализаций сигнала HP содержат РЛ от КО, которые являются серьезными помехами в дальнейшем анализе. В настоящее время в регистрирующий комплекс на ИРНР внедрен специальный программный модуль, который во время стандартных ионосферных измерений отбирает реализации, в которых присутствует РЛ сигнала от КО. Далее эти данные записываются в отдельные файлы и обрабатываются по описанной выше методике, в результате в квазиреальном масштабе времени определяются следующие характеристики наблюдаемого КО: дальность, лучевая скорость, азимут, угол места и отношение сигнал/шум РЛ сигнала. За месяц ионосферных измерений в автоматическом режиме на ИРНР регистрируются десятки тысяч пролетов КО. Данные о координатной и некоординатной информации наблюдаемых КО заносятся в соответствующую базу данных (БД). К настоящему времени за 6 лет измерений в БД содержится информация о более чем 400 тысяч пролетов КО через сектор сканирования ИРНР. Полученные высотные распределения могут представлять интерес для исследования вопросов контроля околоземного космического пространства, расширения каталогов регистрируемых фрагментов КМ, корректировки существующих моделей КМ.

Одной из наиболее актуальных задач контроля космического пространства (ККП) является определение параметров орбиты КО с точностью, достаточной чтобы обеспечить прогноз на следующий виток. В работе сформулированы требования, предъявляемые к количеству и качеству траекторной информации, полученной на ИРНР, необходимые для решения поставленной задачи. В большинстве случаев решить данную задачу нельзя из-за короткого интервала времени наблюдения и больших СКО в координатной информации. Тем не менее, в работе предложен метод оценки определения параметров плоскости орбиты КО, с учетом реального качества и количества траекторной информации, получаемой на ИРНР, и проведена связь с качеством определения параметров плоскости орбиты.