Введение к работе
Актуальность. Работа посвящена разработке и развитию радиоастрономических методов измерения параметров антенных систем, радиотелескопов и радиоинтерферометров и разработке устройств позволяющих повысить эффективность работы радиоастрономических инструментов, улучшить точность и надежность измерений
Абсолютные измерения радиоизлучения космических источников не потеряли актуальности до настоящего времени, поскольку для изучения переменности излучения (плотностей потоков) таких объектов как остатки сверхновых звезд требуются длительные и высокоточные наблюдения С ростом требований к точности измерения параметров антенн различного назначения также необходимо иметь точные данные о потоках радиоисточников - калибраторов для эффективного использования простых и не дорогостоящих радиоастрономических методов Изучение процессов, проходящих при ядерных взрывах, после запрещения испытаний сместилось в область математического моделирования, что существенно подняло интерес к изучению естественных источников такой информации - взрывам сверхновых звезд С этой точки зрения, актуальность продолжения работ на стендах радиоастрономической обсерватории (РАО) НИРФИ "Старая Пустынь" очевидна, тем более что они к 2000-му году остались единственными работающими установками такого типа
Проблемы повышения точности, простоты и надежности методов исследования антенн, сокращения времени рутинных наблюдений или проведения одновременных исследований на разных частотах решаются постоянным совершенствованием методов измерений и их разнообразием, созданием многочастотных антенных систем или систем облучения, разработкой новой аппаратуры, автоматизацией систем записи и обработки информации
Развитие методологии и технологии фазостабильной
радиоинтерферометрии для прикладных исследований (геодезических,
геодинамических, координатных, исследований среды распространения
радиоволн) актуально хотя бы по той причине, что с применением
техники передачи данных на большие расстояния в реальном времени
радиоинтерферометры со сверхдлинной базой (РСДБ) по технике приема
и обработки информации становятся аналогичными фазостабильным
инструментам Из-за крайне малого числа подобных инструментов на
территории страны необходимость накопления опыта работы на них и
поддержания соответствующего уровня исследований в данной отрасли
радиоастрономии не может вызывать сомнений , .
Крайне актуальной является задача повышения точности траекторных, координатных и навигационных измерений ИСЗ и ракет-носителей при максимальной экономии средств и минимуме наземных контрольно-измерительных пунктов Поскольку параметры орбит спутников подвержены изменениям под влиянием аномалий гравитационного поля Земли, неравномерности скорости ее вращения, торможения в атмосфере, давления солнечного ветра и т д, для расчета орбит используются данные длительных наблюдений за движением ИСЗ и сложные алгоритмы уточнения его положения на определенный момент времени от расчетной точки, учитывающие геодинамические и геофизические факторы
Повышение эффективности функционирования космических навигационных систем (КНС) постоянно является одной из основных задач в процессе их эксплуатации, для глобальной отечественной КНС «ГЛОНАСС» проблема повышения эффективности в настоящий момент актуальна в связи с новым этапом ее развития
Радиоастрономические интерферометрические комплексы
позволяют проводить измерения угловых координат объектов и параметров их траекторий в реальном времени с высокой точностью и определять их положение на орбите при наличии двух-трех пунктов слежения Развитие методов, альтернативных радиотехническим средствам или дополняющих их, позволит повысить надежность и эффективность работы глобальных КНС
Цель работы.
Разработка методов и устройств для достижения предельных точностей абсолютных измерений плотностей потоков радиоизлучения внеземных источников в широком диапазоне длин волн с калибровкой радиотелескопа по методу «черных» дисков
Разработка методов и устройств для исследования параметров антенн
Применение техники фазостабильной радиоинтерферометрии для решения фундаментальных и прикладных задач
Научная новизна. Практически все предложенные к рассмотрению разработки оригинальны и имеют четко определенные признаки, выделяющие их из групп подобных методов и устройств Приоритет одного метода и трех устройств подтвержден авторскими свидетельствами и патентами
Метод калибровки антенн по излучению «черных» дисков был предложен в НИРФИ и активно применялся в трех
радиоастрономических обсерваториях, где в процессе эксплуатации стендов был выявлен ряд недостатков метода, не позволявших достичь погрешностей абсолютных измерений лучше 3-5% При возобновлении работ по эталонированию потоков радиоисточников в РАО «Старая Пустынь» была поставлена задача устранить эти недостатки и достичь погрешности измерений около 1%, что повлекло за собой разработку не имеющих аналогов методов и устройств
На конструкции двухтемпературного эталона шумового радиоизлучения с нагреванием дисков в термокамерах и устройства для перемещения излучателя (калибровочную вышку) получены патенты Применение для калибровки радиотелескопа двухтемпературного эталона позволило исключить два фактора, приводивших к наибольшим ошибкам в методе «черных» дисков
Метод учета неоднородности фонового излучения при измерениях интенсивности радиоисточника позволяет выделять опорные области с фоновым излучением, равным или близким к фону за источником, при усреднении его по диаграмме направленности антенны Это позволяет стандартизовать процедуру измерений и проводить корректное сравнение результатов, полученных на разных антеннах, особенно, с широкими диаграммами направленности и при неоднородном космическом фоне в метровом диапазоне волн В сравнении с методами выбора опорных областей по радиокартам неба предложенный метод не приводит к погрешности из-за неточности радиокарт при их пересчете на нужную длину волны и из-за ошибок измерения исходных карт, зависящих от разрешения примененных антенн, главным образом, в районе исследуемых радиоисточников
Метод определения точности наведения антенны на источник излучения по данным радиоастрономических измерений не имеет аналога и позволяет быстро и просто оценивать эффективность работы приводных и следящих систем антенны Предложенный алгоритм расчета ошибок наведения применим при различных методиках измерений сигнала от радиоисточника и позволяет измерять соответствующие поправки в амплитуду сигнала на неточность наведения в серии наблюдений, величина которых может быть меньше 1%
Двухчастотный вибраторный облучатель, принцип создания которого основан на поляризационной развязке частот и смещении диполей по оси устройства, прост в изготовлении и удобен в эксплуатации при полном сохранении технических характеристик одиночных дипольных облучателей Патентный поиск аналогов не обнаружил
Проведение абсолютных измерений плотностей потоков радиоизлучения внеземных источников и калибровка антенн различного назначения методом «черных» дисков являются приоритетными для НИРФИ В настоящее время стенд для абсолютных измерений в РАО «Старая Пустынь», на котором получены приводимые в диссертации результаты, остался единственным действующим измерительным комплексом для решения задач абсолютных измерений, необходимость которых не вызывает сомнений
В плане развития и применения радиоастрономических методов в антенных измерениях был разработан метод определения точности изготовления поверхности зеркальных антенн по излучению эталонированных источников и предложено устройство для измерения уровня бокового излучения антенн и фазовой диаграммы корреляционным методом, на которое получено авторское свидетельство
Малобазовые радиоинтерферометры со связанными элементами дециметрового и метрового диапазонов длин волн, работающие в режиме апертурного синтеза, создавались при непосредственном участии автора в РАО «Старая Пустынь» До сих пор это единственные в стране инструменты подобного класса, на них решались все приведенные в данной работе задачи На способ определения поправки к часовому углу радиоисточника с помощью радиоинтерферометра получен патент Этот способ уникален тем, что позволяет в принципе провести калибровку инструмента по одному источнику в единичном замере
Практическое применение малобазового радиоастрономического интерферометра для координатных и траекторных измерений ИСЗ в отечественной практике осуществлено впервые При этом использовался дифференциальный метод измерений положения ИСЗ относительно дискретных внеземных радиоисточников, а фрагменты траектории полета исследуемых объектов могут определяться в режиме близком к реальному времени
Метод одновременного определения географических координат и ориентации объекта-потребителя сигналов КНС с помощью бортового интерферометрического комплекса не имеет аналогов
Существенной особенностью применения радиоинтерферометров для поддержки КНС в сравнении с радиотехническими средствами является то, что измерения параметров орбит НИСЗ и навигационных параметров потребителей проводятся по квазишумовым сигналам НИСЗ Это обстоятельство позволяет использовать работающую КНС при закрытии доступа к кодовой информации, что обеспечивает
независимость навигационных интерферометрических комплексов от режима работы КНС
Применение радиоинтерферометра метрового диапазона для контроля состояния среды распространения радиоволн в режиме непрерывной записи сигнала с последующей обработкой (в отличие от режима апертурного синтеза) позволило обнаружить быстропеременные вариации полного электронного содержания ионосферы и рассмотреть варианты использования интерферометров для мониторинга состояния ионосферы, в том числе для повышения точности координатных измерений
На радиоинтерферометре дециметрового диапазона проведены наблюдения кратковременных солнечных вспышек («спайков»), показавшие возможность регистрации интерферометрического сигнала от источников спайкоподобных солнечных всплесков миллисекундной длительности
Разработки радиоинтерферометрической аппаратуры и ее отдельных подсистем в большинстве случаев имеют специфические особенности, связанные с необходимостью учета как технических характеристик инструментов РАО, так и производственных и финансовых возможностей В ходе проводимых исследований приобретался опыт работы на интерферометрических инструментах, на основе которого предложены современные разработки по их практическому применению
Научное н практическое значение.
Практическое значение проведенных разработок заключается в следующем
а) Для решения задач радиоастрономии
Разработаны и развиты методы и методики прецизионных абсолютных измерений интенсивности источников радиоизлучения с учетом методических, аппаратурных и антенных факторов Впервые разработаны стандартизованные методика измерений и алгоритм расчета для выбора опорных областей в районе исследуемого источника излучения Впервые предложен метод измерения поправок на спад интенсивности сигнала измеряемого источника с учетом неточности сопровождения его антенной системой Рассмотрен алгоритм учета изменения поглощения радиоизлучения в атмосфере для каждого замера радиоисточника
Проведены высокоточные абсолютные измерения плотностей потоков радиоизлучения радиоисточников Кассиопея А, Лебедь А, Крабовидная туманность (Телец А) на длинах волн 3,4 и 10,6 см впервые с калибровкой радиотелескопа по двухтемпературному чернотельному
эталону Полученные данные продолжили прерванный в 90-е годы многолетний ряд абсолютных измерений, это позволяет получить новые сведения о годовом уменьшении плотностей потоков радиоизлучения остатков сверхновых звезд и спекіральньїх индексах исследованных источников и служит основой для создания вторичной абсолютной шкалы потоков более слабых радиоисточников
Восстановленный в РАО «Старая Пустынь» стенд для абсолютных измерений в настоящее время является единственным рабочим инструментом в данной области техники, результаты, получаемые на нем, имеют приоритетное значение в задачах радиоастрономии и астрофизики
Успешные наблюдения коротких солнечных вспышек на малобазовом радиоинтерферометре позволяют расширить методологию исследования Солнца за счет одновременного применения техники как малобазовой интерферометрии, так и РСДБ
б) Для решения задач антенной техники
Впервые создан и апробирован в экспериментах двухтемпературный эталон шумового радиоизлучения с нагревом «черных» дисков в термокамерах Эталон может быть использован для калибровки антенн и радиотехнических устройств как в полевых, так и в лабораторных условиях, так как позволяет взаимно заменять излучатели-диски с разной температурой без изменения общей конфигурации устройства
Впервые разработан радиоастрономический метод определения средней погрешности наведения антенны на источник в серии измерений Метод позволяет оценить качество приводных и следящих систем антенны непосредственно в ее рабочем режиме
Разработан и апробирован радиоастрономический метод определения качества изготовления поверхности крупных зеркальных антенн, требующий использования эталонированных радиоисточников -калибраторов Метод позволяет быстро и достаточно просто измерить интегральное отклонение поверхности зеркала от расчетной величины и оперативно контролировать состояние поверхности после резких внешних воздействий на зеркало антенны без применения таких сложных методов как, например, голографический
Разработан и апробирован двухчастотный вибраторный облучатель антенн на длинноволновый диапазон Простая и эффективная конструкция увеличивает возможности антенны, позволяя вести наблюдения одновременно на двух частотах и, соответственно, вдвое сокращая наблюдательное время
- Предложено устройсіво для измерения бокового излучения и
фазовой диаграммы направленности антенны корреляционным методом
Устройство позволяет упростить измерительный комплекс, заменив
опорную антенну вторым (опорным) облучателем
в) Для решения задач радиоинтерферометрии
- Метод определения поправки к часовому углу радиоисточника,
позволяющий оперативно измерять некоторые геодинамические
параметры и проводить калибровку инструмента по одному источнику,
достигает максимальной эффективности для инструментов с
континентальными и межконтинентальными базами (имеющими
максимальное разрешение), когда совместные сектора наблюдения
антенн не велики и, в основном, захватывают радиоисточники вблизи
момента их кульминации Наиболее реально в этом случае
использование РСДБ, современная техника приема и обработки которых
позволяет проводить измерения в режиме близком к реальному времени
Кроме того, данный метод позволяет включать в состав
радиоинтерферометров неполноповоротные антенны с большой
эффективной площадью (например, типа РАТАН-600), для которых
актуальной задачей может быть определение точки отсчета базовой
линии и контроль ее положения при переориентировке радиотелескопа, и
проводить точные измерения проекций их базовых расстояний
Применение радиоинтерферометров для эфемеридной поддержки глобальных КНС может быть осуществлено двумя путями - в составе наземных контрольно-корректирующих станций и навигационных комплексов, измеряющих координаты НИСЗ, и в качестве бортовых комплексов, устанавливаемых на объектах-потребителях сигналов КНС Использование двухэлементных интерферометров для определения фрагментов траектории полета ИСЗ по измерениям разности фаз принимаемых сигналов имеет ряд специфических особенностей, которые обуславливают использование косвенной координатной информации (для исключения неоднозначности измерения разности фаз) и ее дальнейшее уточнение за счет высокой потенциальной точности фазовых измерений Малобазовые системы позволяют решить эту задачу практически в реальном времени, что является их существенным преимуществом
Разработанный алгоритм одновременного определения местоположения и ориентации объекта дает возможность существенно повысить точность навигационных определений Особый интерес представляет возможность непрерывного контроля положения объекта, особенно при его быстрых изменениях (качка морских судов, полет самолетов, вращение ИСЗ) В сравнении с известными методами
интерферометрический комплекс имеет существенное преимущество за счет прецизионных измерений разности высот приемных антенн
Радиоинтерферометрические навигационные системы могут обеспечить независимость работы от кодовой информации, поскольку работают по шумовому сигналу, и значительно ослабляют влияние ионосферных возмущений на трассе распространения радиоволн на конечный результат измерений
Радиоастрономические интерферометры дают возможность проводить мониторинг состояния ионосферы, создать объединенную антенну большой площади за счет точной фазировки сигналов разнесенных антенн, проводить высокоточные измерения расстояний на поверхности земли
Разработанные элементы приемной аппаратуры малобазовых интерферометров могут быть применены в радиоастрономической технике и интерферометрических навигационных комплексах
Разработки систем автоматического управления антеннами, измерительно-вычислительных комплексов на базе ЭВМ различных поколений, методик измерений параметров антенн и радиоинтерферометров, математического и программного обеспечения измерений, баз данных и каталогов для радиоастрономических задач могут быть полезны в практической работе различных групп исследователей, занимающихся не только радиоастрономической тематикой
На защиту выносятся следующие результаты:
1 Завершение технической и методической разработки метода
калибровки антенн с помощью «черных» дисков без ограничений на
рабочий диапазон частот
Разработка, создание и апробация двухтемпературного чернотельного эталона с нагревом «черных» дисков в термокамерах Достижение погрешности калибровки антенн 0,3-1,5%
Разработка и апробация метода учета неоднородности фонового излучения за источником при радиоастрономических измерениях плотностей потоков радиоизлучения дискретных источников, позволяющего стандартизовать процедуру наблюдений и выбора опорных областей с интегральным фоновым излучением, равным фону за исследуемым источником
Разработка радиоастрономических методов и устройств для определения параметров антенных систем (точности наведения антенны на источник излучения в серии наблюдений, точности изготовления
поверхности зеркальных антенн, характеристик бокового излучения и фазовых диаграмм направленности)
Разработка и апробация способа определения по одному радиоисточнику параметров базы радиоинтерферометров с двух- и одноканальними приемниками
Разработка способа одновременного измерения местоположения объекта и его ориентации радиоинтерферометрическим комплексом, установленным на объекте, при использовании сигналов ИСЗ глобальных спутниковых навигационных систем
Развитие и апробация принципов применения радиоастрономических интерферометров для решения координатных, траекторных и навигационных задач, для мониторинга состояния среды распространения радиоволн с целью повышения эффективности функционирования глобальных КНС
Апробация работы.
