Специальная астрофизическая обсерватория РАН
Контроль характеристик радиотелескопа Ратан-600 по геостационарным спутникам Земли
В. Б. Хайкин, М. К. Лебедев, Н. Н. Бурсов, А. А. Стороженко
29 июня 2015
Аннотация
В статье предложены способы контроля характеристик радиотелескопа РАТАН-600 по геостационарным спутникам Земли. Приводятся результаты измерений двумерных диаграмм направленности и фокальных пятен, эффективности работы отражающих элементов и групп элементов радиотелескопа, измеренные характеристики сравниваются с модельными. Рассмотрен способ оценки параметров эффективности антенны по измеренным, расчетным и аппроксимированным характеристикам, дается оценка достижимой точности в допустимой области измерений. Полученные результаты показывают высокую информативность и эффективность метода контроля характеристик радиотелескопа по ГСЗ.
Ключевые слова: радиотелескоп, отражающие элементы, контроль и моделирование антенных характеристик, геостационарные спутники Земли.
Abstract
The paper suggests ways to control the characteristics of the radio telescope RATAN-600 using the geostationary satellites. The results of the measurement of two-dimensional antenna patterns and focal spots, the reflecting elements and groups of elements of the radio telescope efficiency (contribution) are presented, as well as the comparison of the measured characteristics with the model. A method for estimating the parameters of the antenna efficiency on measured, calculated and approximated characteristics is considered, estimates of the achievable accuracy in a feasible measurement region are given. The results show highly informative and effective method for monitoring of the radio telescope performance using the geostationary satellites.
Key words: radio telescope, reflecting elements, monitoring and modeling of antenna characteristics, geostationary satellites.
Введение
Измерение антенных характеристик крупного радиотелескопа в рабочем режиме, таких как диаграмма направленности (ДН), фокальное пятно (ФП), СКО отражающей поверхности, эффективная площадь и др., представляет значительную сложность из-за невозможности использовать наземные источники излучения в дальней зоне и недостаточно высокого отношения сигнал/шум (С/Ш) по космическим источникам. Такую возможность предоставляют только геостационарные спутники Земли (ГСЗ), но работа с ними имеет ряд особенностей, в т. ч. наблюдается собственное суточное движение ГСЗ, которое необходимо учитывать или отслеживать. Успешные попытки антенных измерений по ГСЗ проводились на РАТАН-600 ранее [1, 2], в работе [1] была изучена видимая траектория собственного движения ГСЗ («Горизонт», азимут 344є15'), выполнена попытка юстировки 31 элемента Главного зеркала (ГЗ) и измерялись ДН частей ГЗ на частоте 4 ГГц, в работе [2] изучались отклики части антенной системы «Юг+Плоский» РАТАН-600 (85 м) по двум ГСЗ с азимутами 359є20' (предположительно Turksat 1B) и 3є5' на облучателе тип 3 на частотах 3.67 ГГц и 10.95 ГГц. Первые результаты и некоторые особенности антенных измерений на радиотелескопе РАТАН-600 по ГСЗ Turksat 2A/3A приведены в работе [3].
Такой важный параметр антенной эффективности радиотелескопа, как эффективная площадь, традиционно измеряется по калибровочным источникам. Погрешность таких измерений обычно составляет более 10%, поскольку она включает в себя нестабильность калибровочного генератора шума (не менее 5%), погрешность знания величины калибровочной ступеньки (не менее нескольких процентов), погрешность знания потоков калибровочных источников (не менее 2-3% в коротком см диапазоне волн), погрешность наведения радиооси антенны на источник и установки облучателя в фокус радиотелескопа. Точное знание эффективной площади наряду с возможностью оценки эффективности радиотелескопа позволяет измерять абсолютные потоки космических источников без наблюдения калибровочных источников и относительной привязки к ним. Способ оценки эффективной площади по измеренной двумерной ДН практически не применяется на радиотелескопах в см диапазоне волн из-за недостаточного отношения С/Ш по космическим источникам, особенно это относится к области далеких лепестков ДН и широкого рассеянного фона. Использование сигнала ГСЗ снимает проблему недостаточного отношения С/Ш и позволяет получить приемлемую точность измерений ДН в эффективном телесном угле, где сосредоточено не менее 95% энергии ДН. В этом случае можно достичь точности оценки параметров эффективности радиотелескопа не хуже 10%, и такой способ не требует знания абсолютных потоков калибровочных источников.
Сравнение модельных характеристик радиотелескопа РАТАН-600 с экспериментом и попытка оценки по ним параметров антенной эффективности радиотелескопа в мм диапазоне волн предпринималась в работе [4]. В работе [5] проводится сравнение измеренных по космическим источникам ДН радиотелескопа РАТАН-600 с расчетными в области главного лепестка. В работе [12] приведены результаты расчета горизонтального размера ДН антенной системы (АС) «Юг+Плоский» РАТАН-600 с учетом характеристик конкретного синусного облучателя. В настоящей работе описаны способы и результаты измерения характеристик радиотелескопа и эффективности работы элементов РАТАН-600 по ГСЗ, выполнено сравнение измеренных характеристик с расчетными. Рассматривается возможность оценки параметров антенной эффективности радиотелескопа с использованием измеренных, модельных и аппроксимированных характеристик.
1. Подслеживание отклика АС на ГСЗ кареткой облучателя РАТАН-600
Для антенных измерений нами использованы ближайшие к меридиану геостационарные спутники Turksat 2A/3A c координатами: долгота спутников 42°E, высота на широте РАТАН-600 и азимут на долготе радиотелескопа в разное время года и суток равны H = 39°20?--39°40?, б = 179°20?--179°35?. Графики собственного движения ГСЗ Turksat 2A/3A по азимуту (наиболее критичная координата для РАТАН-600) в дни выполненных нами антенных измерений приведены на рис. 1.
Кривые получены при помощи программы Stellarium, выполняющей расчет положения спутников с учетом координат точки наблюдения, нутации земной оси, даты и времени наблюдения. В двух отмеченных на рисунке областях траектории спутника с наименьшим градиентом зависимости , имеющей форму синусоиды с суточным периодом, азимут спутника уходит на величину не более 1? за 3-4 часа вечером и утром. Этого времени вполне достаточно для измерения двумерной диаграммы направленности и других характеристик радиотелескопа.
Рис. 1. Графики собственного суточного движения ГСЗ Turksat 2A/3A по азимуту
Для снижения возможных амплитудно-фазовых ошибок, возникающих из-за собственного движения спутника в процессе длительных антенных измерений было предложено и реализовано автоматическое подслеживание кареткой облучателя радиотелескопа максимума отклика АС на сигнал ГСЗ в пределах мм, что соответствует азимутальному суточному движению спутника в пределах . Реализованная схема автоматического управления и подслеживания кареткой отклика радиотелескопа по ГСЗ приведена на рис. 2, а, изменение положения (смещение) максимума отклика ГСЗ Turksat 2A/3A за 3.5 часа без подслеживания кареткой -- на рис. 2, б. Максимальная величина смещения в данном случае составляет ~25 мм. Автоматическое подслеживание максимума отклика спутника кареткой осуществляется непрерывно или по команде оператора с ошибкой не более мм. фокальный радиотелескоп антенна
В отличие от наблюдений космических источников в режиме прохождения, ГСЗ можно наблюдать c использованием АСУ РАТАН-600 [6] и АСУ каретки [3] в режиме наведения, сопровождения и сканирования, что позволяет избежать ошибок наведения оси антенны на источник сигнала, ошибок установки облучателя в фокус, снизить возможные фазовые ошибки и исключить человеческий фактор в процессе антенных измерений.
2. Контроль характеристик, эффективности работы щитов и групп щитов радиотелескопа РАТАН-600 по ГСЗ
Большой практический интерес представляет оценка эффективности работы каждого щита и групп щитов радиотелескопа. Абсолютный КПД щита включает в себя эффективность его работы как антенны, омические потери, потери на рассеяние и отражение от металла. Нас будет интересовать относительный КПД щита, т. е. эффективность его работы или вклад в сравнении с опорным или другими отражающими элементами (ОЭ). Такой вклад определяется законом облучения щитов, качеством поверхности и юстировки щита по трем координатам и другими (внешними) факторами, связанными с геометрией АС. Один сектор РАТАН-600 состоит из 225 щитов (или 167 щитов в антенной системе «Юг+Плоский»). Мощностный вклад одного ОЭ сектора крайне мал в сравнении со всей антенной (N щитов). Так, отклик одного центрального щита при спадающем облучении на краях всего сектора составит не более 1/(N/2)2 отклика АС, т. е. имеет уровень около дБ. Мощностный отклик сигнала группы из 25 центральных щитов составляет менее -10 дБ отклика АС. Расчетные мощностные отклики разных частей АС «Юг+Плоский» приведены на рис. 3.
На рис. 4 приведены измеренные по ГСЗ отклики различных частей АС «Юг+Плоский». Пик 1 соответствует отклику всей антенны. Высокий уровень боковых лепестков вызван главным образом аберрациями, возникающими при наведении антенны на ГСЗ, который смещен относительно геометрической оси антенны по азимуту на угол 30?-40?. Наибольший лепесток ДН вызван влиянием второго спутника-дублера (2A или 3A). Пики 2 и 3 соответствуют откликам от восточной и западной половин Южного сектора, пик 4 -- отклику одной центральной группы щитов. Вклады частей антенны в целом соответствуют расчетным, но вклады восточной и западной частей сектора, как мы видим, различны, что может говорить о несимметрии облучения или погрешностях юстировки сектора и требует дальнейшего изучения.
Представленные на рис. 4 отклики АС на сигнал ГСЗ получены на облучателе тип 2, где практически невозможно получить малые внеосевые аберрации при работе с источником, смещенным относительно меридиана, поскольку, строго говоря, для этого требуется развернуть сам облучатель по азимуту в горизонтальной плоскости, что не предусмотрено его конструкцией. На облучателе тип 3 такой разворот предусмотрен на дуговых рельсах, что позволяет достичь существенно более низкого уровня внеосевых аберраций.
На рис. 5, а приведен отклик АС на ГСЗ на частоте 11.4 ГГц, измеренный на солнечном комплексе (СК) облучателя тип 3 с синусными облучателями в режиме многоазимутальных наблюдений [11]. На рис. 5, б приведены расчетные ДН на той же частоте для спадающего на краю раскрыва до уровня дБ и равномерного распределения поля. Полуширина ДН (HPBW) в азимуте 16° в нашей модели и эксперименте по ГСЗ составляет 23.9" и 17.2" соответственно, т. е. наблюдаемое сужение ДН на СК в сравнении с расчетом весьма существенно (более 25%). Как известно, HPBW ДН линейной антенны с равномерным синфазным возбуждением может достигать [13], что в нашем случае при горизонтальной ширине раскрыва АС «Юг+Плоский» 320 м дает HPBW = 16.7", и потому теоретический предел в полученных результатах измерений не превышен, но он может достигаться при более высоком уровне боковых лепестков (13.2 дБ). Только при спаде амплитуды на краю линейной антенны 2.5 дБ ожидаемый уровень боковых лепестков 15 дБ, а , в то время как в нашем случае падение амплитуды на краю апертуры существенно больше, что следует из прямых измерений вклада ОЭ на краю сектора АС.
Никаких существенных отклонений HPBW горизонтальной ДН РАТАН-600 по наблюдениям в континууме с рупорными облучателями в сравнении с расчетом на облучателе тип 1 ранее не замечено [5]. По результатам наших наблюдений опорного источника на АС «Юг+Плоский» на облучателе тип 2 и тип 3 в континууме HPBW на 11.4 ГГц составляют 23?-24?, в то время как в некоторых частотных каналах СК облучателя тип 3 наблюдается видимое сужение полуширины отклика АС на ГСЗ до 17? или уширение до 26?-27?. Характерно, что в тех частотных каналах, где ДН уже расчетной, наблюдается и низкий уровень боковых лепестков ДН (1-2%), в частотных каналах, где ДН шире расчетной уровень боковых лепестков существенно выше (6-8%).
Поэтому нами рассмотрен вопрос о влиянии на характеристики АС особенностей синусного облучателя СК. Некоторые аномалии в работе АС с синусным облучателем СК были замечены ранее. Так, согласно [12], сужение ДН до 10% в эксперименте относительно расчета и скачки HPBW были замечены в длинноволновом диапазоне работы приемного комплекса (на частоте менее 6 ГГц) что может говорить о переоблучении раскрыва. Расчетная HPBW ДН АС «Юг+Плоский» в меридиане согласно [12] составляет 22.97" на частоте 11.4 ГГц. В диапазоне коротких волн также вожет иметь место некоторое переоблучение горизонтального раскрыва но существенных скачков HPBW синусного облучателя нами не обнаружено, однако имеются быстрые вариации коэффициента усиления (КУ) в зависимости от частоты на масштабе менее 100 МГц величиной до 3 дБ. Зависимость КУ синусного облучателя по мощности в диапазоне углов облучения для одной из поляризаций приведена на рис. 6. Падение амплитуды на краю раскрыва АС «Юг+Плоский» с синусным облучателем по нашим оценкам составляет не более 8 дБ, что может дать некоторое уменьшение HPBW ДН до 22?.
Рис. 5 Зависимость КУ синусного облучателя в диапазоне частот 11-12 ГГц и углов облучение в пределах +-90 в одной из ортогональных поляризаци й
Дальнейший анализ особенностей ДН АС «Юг+Плоский», измеренных на СК облучателя тип 3, показал, что их поведение может быть связано с недостаточно высоким динамическим диапазоном многоканального приемника СК, а именно с нелинейностью КУ некоторых каналов как при большом, так и при малом сигнале. Это приводит к компрессии вершины отклика, видимому уширению ДН и повышению видимого уровня боковых лепестков в одних каналах и к растяжению отклика, видимому сужению ДН и снижению уровня боковых лепестков в других. Этому могут способствовать и вариации КУ синусного облучателя, поскольку в результате неравномерности АЧХ уровень сигнала в соседних каналах может различаться в несколько раз. Следует отметить, что хотя антенная температура ГСЗ многократно превышает антенную температуру спокойного Солнца, близкие уровни сигнала вполне достижимы во время сильных вспышек на Солнце в см диапазоне волн.
Эффективность работы каждого щита АС может быть также детально изучена по ГСЗ. Малый мощностный отклик одного щита относительно отклика всей АС (около дБ на рис. 3) делает невозможным измерение его относительного КПД (вклада) индивидуально без других щитов или всей антенны. На фоне всей антенны или ее части щит работает в когерентном режиме, когда складываются не мощности, а поля, и вклад одного щита возрастает на два порядка. Этим стоит воспользоваться для измерения вклада одного щита. По результатам моделирования, вклад одного центрального щита на фоне всей антенны cоставляет 5% -- такое падение сигнала будет в том случае, когда сигнал щита входит в противофазе с сигналом остальной части антенны. Для крайних щитов сектора аналогичный вклад щита на фоне всей антенны составит 0.4%. Вклад щита на фоне одного опорного может достигать 100% (два щита в фазе и противофазе) в центре и менее 0.01% на краю сектора. Несмотря на то, что абсолютный уровень сигнала щита на фоне одного опорного много ниже, чем на фоне всей антенны, в этом случае требуется существенно меньший динамический диапазон измерительной системы. Кроме того, практически возрастает чувствительность и стабильность измерительной системы из-за отсутствия необходимости ограничивать сигнал аттенюатором, имеющимся на входе приемной системы, который не только является источником потерь, но и вносит дополнительную нестабильность из-за температурных колебаний окружающей среды. В результате полностью используется возможности радиастрономического приемника для работы с малым сигналом, и измерение КПД щитов всего сектора по сигналу ГСЗ становятся практически выполнимыми в условиях относительно спокойной атмосферы. Расчетные уровни сигнала одного щита в различных конфигурациях, полученные в результате моделирования, сведены в табл. 1.