Статья: Развитие метода РСДБ-локации в проекте LFVN

Научно-исследовательский Радиофизический институт, Н. Новгород, Россия

Институт Прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Москва, Россия

Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, С.-Петербург, Россия

Развитие метода РСДБ-локации в проекте LFVN

И.Е. Молотов, М.Б. Нечаева, А.А. Коноваленко,

Дж. Туккари, Ш. Лю, А.Ф. Дементьев, А.А. Антипенко,

Н.А. Дугин, А.Б. Пушкарев, В.М. Агапов, В.В. Титенко,

В.А. Шишов, В.А. Степаньянц, И.С. Фалькович, А.Е. Вольвач,

Ю.Н. Горшенков, Г.Ю. Харламов, В.В. Орешко, В.П. Языков

Аннотация

Представлены результаты отработки метода РСДБ-локации, сочетающего радиозондирование тел Солнечной системы планетным радиопередатчиком РТ-70 в Евпатории и прием отраженных эхо-сигналов на РСДБ-сети LFVN. 11 пробных экспериментов позволили зарегистрировать эхо-сигналы Марса, Венеры, Луны, астероида 2004ХР14 и около 100 объектов космического мусора. На спецпроцессоре НИРФИ-3 в Нижнем Новгороде освоено получение методом кросс-корреляционной обработки эхо-сигналов прецизионных измерений сдвигов Доплера и частот интерференции, определение периода вращения и ориентации оси вращения космических объектов. Использование данных РСДБ-локации на порядок повышает точность орбитальных определений.

Annotation

The results of the VLBI radar (VLBR) method adjusting are presented. VLBR combines the radio sounding the Solar system bodies using planet transmitter of RT-70 in Evaptoria and receiving the reflected echo-signals with LFVN VLBI network. The echo-signals of Mars, Venus, Moon, 2004XP14 asteroid and about 100 space debris objects were detected during 11 trial experiments. The special NIRFI-3 processor in N. Novgorod learned the procedure of radar echo cross-correlation that allowed to obtain the precise Doppler shift and VLBI fringe rate measurements, to fix the period of rotation and orientation of rotation axis of space objects. The application of VLBR data can result greatly improvement the orbital parameter determination.

В 1996 г. была предложена концепция "Низкочастотной РСДБ-сети LFVN" [1,2]. Основной задачей проекта, координируемого инициативной группой сотрудников ГАО РАН, ИПМ им. Келдыша РАН, НИРФИ, РИ НАНУ и КрАО, являлось создание международной РСДБ-кооперации с участием российских и украинских радиотелескопов для проведения экспериментов по заявкам отечественных ученых. В проекте, базировавшемся на РСДБ-опыте НИРФИ и АКЦ ФИАН, была предпринята попытка объединить усилия всех РСДБ-групп России и Украины. За время выполнения проекта 14 антенн - РТ-64 в Медвежьих Озерах, РТ-22 в Пущино, РТ-64 в Калязине, РТ-15 в Зименках, РТ-14 в Старой Пустыни (Россия), РТ-70 в Евпатории и РТ-22 в Симеизе (Украина), РТ-32 в Вентспилсе (Латвия), РТ-32 в Ното (Италия), РТ-14 в Торуни (Польша), 500х30 (параболический цилиндр) в Ути и РТ-45 в Пуне (Индия), РТ-25 в Урумчи и РТ-25 в Шанхае (Китай) были дооснащены приемно-регистрирующей радиоастрономической аппаратурой. Организовано 24 РСДБ-эксперимента на длинах волн 92 см, 18 см, 13 см, 6 см и 3,6 см с использованием в разных комбинациях радиотелескопов Австралии, Англии, Индии, Италии, Канады, Китая, Латвии, Польши, России, США. Украины, Южной Африки и Японии, а также центров корреляционной обработки в Австралии, Канаде, России и США. Первые РСДБ-лепестки были получены от РТ-14 в Старой Пустыни и РТ-45 в Пуне на длине волны 92 см; от РТ-22 в Пущино и РТ-32 в Светлом на длине волны 18 см с терминалом регистрации S2; от РТ-70 в Евпатории на длинах волн 6 см, 13 см, 3,6 см; от РТ-64 в Медвежьих Озерах на длинах волн 6 см и 13 см.

На первом этапе развития LFVN главными научными задачами являлись построение РСДБ-изображений квазаров [3,4] и освоение РСДБ-методов исследований солнечного ветра [5]. В период с 1999 по 2006 гг. усилия LFVN, поддержанные грантом ИНТАС 2001-0669, были сосредоточены на отработке применения методов РСДБ-локации [6,7] для изучения тел Солнечной системы - планет земной группы, сближающихся с Землей астероидов, Луны, объектов космического мусора на различных типах орбит. Исследования проводились в следующих основных направлениях:

· определение характеристик вращения околоземных космических объектов (период вращения, его короткопериодические вариации, ориентация оси вращения), получение информации о структуре их поверхности;

· уточнение траекторий движения околоземных космических объектов (измерение сдвигов Доплера для определения радиальной скорости и угловых координат), в том числе в квази-инерциальной радиосистеме координат;

· отработка техники РСДБ в квази-реальном времени через Интернет;

· организация сети оптических станций (при поддержке гранта Минобрнауки и ИНТАС 03-70-567) для обнаружения космических объектов и уточнения их эфемерид.

Первые полученные результаты рассматриваются в данной статье.

Эксперименты по РСДБ-локации. Радиолокация является мощным средством исследования околоземного космического пространства. С ее помощью можно получать наиболее полные данные о телах Солнечной системы, включая точные орбитальные параметры, период вращения, ориентацию в пространстве, форму и размер, структуру и состав поверхности. Использование метода радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) для приема отраженных эхо-сигналов способно расширить перечень измеряемых параметров и увеличить точность получаемых измерений. Комбинация классической радиолокации и РСДБ (т.н. РСДБ-локация) позволяет создать уникальный инструмент для трехмерных измерений:

· радиолокатор имеет разрешение по дальности и радиальной скорости

· РСДБ обеспечивает измерение угловых координат и угловой скорости.

Метод РСДБ-локации направлен на решение задач фундаментальной астрометрии - определение параметров векторов собственного вращения небесных тел, включая их короткопериодические (внутриорбитальные) вариации, а также определение методом дифференциальных координатных измерений точного положения центров масс небесных тел (траекторий их движения) в квазиинерциальной системе координат, опирающейся на внегалактические радиоисточники, имея конечной целью установление точной взаимной связи динамической барицентрической и радио - систем координат. Важными прикладными аспектами проводимых исследований являются определение точных траекторий астероидов, потенциально опасных для Земли, и фрагментов "космического мусора" в интересах безопасности использования космического пространства.

РСДБ-локация - новое в мировой практике направление. Известны только две попытки применения РСДБ-локации для визуализации поверхности небесных тел в США и Японии [9]. Поэтому первые LFVN эксперименты в этой области были направлены на создание методической, технической и программной базы метода РСДБ-локации. В VLBR (very long baseline radar) наблюдениях, которые проводятся с июня 1999 г., радиозондирование тел Солнечной системы обеспечивается передатчиком РТ-70 в Евпатории на частоте 5010,024 МГц (непрерывная мощность 2-х канального передатчика может достигать 200 кВт, с 2000 г. задействуется только один канал с максимальной мощностью 60 кВт). В РСДБ-локации используется два режима излучения - немодулированная несущая и линейно-частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал с размахом 512 кГц и периодом повторения 32 млс. Два пробных эксперимента (в 2001 и 2006 гг.) были проведены с РТ-70 в Голдстоуне (США) на длинах волн 13 см и 3,6 см. Прием отраженных эхо-сигналов осуществлялся различными комбинациями приемных антенн, пока в в 2003 г. не сложилась подсистема LFVN "РСДБ-локатор", которая включает РТ-64 в Медвежьих Озерах, РТ-22 в Симеизе, РТ-32 в Ното и РТ-25 в Урумчи. В 2006 г. вместо РТ-64 в Медвежьих Озерах в эксперименте VLBR06.1 участвовал РТ-64 в Калязине. В дополнение проводится дооснащение РТ-32 в Вентспилсе (Латвия). На рис. 1 представлено географическое расположение радиотелескопов, входящих в подсистему LFVN РСДБ-локатор. Перечень экспериментов по РСДБ-локации тел Солнечной системы представлен в таблице 1.

Рис. 1. Географическое расположение антенн LFVN, участвующих в VLBR наблюдениях.

Таблица 1. Эксперименты LFVN по РСДБ-локации.

В результате проведенных работ на видеокассеты и магнитные диски были записаны эхо-сигналы от Марса, Венеры, Луны, астероида 2004ХР14 и около 100 объектов космического мусора размером от нескольких десятков метров до 0,5 м на различных типах орбит, обработка которых проводится на корреляторе LFVN НИРФИ-3 в НИРФИ, Н. Новгород.

Обработка результатов экспериментов. Попытки корреляционной обработки записей РСДБ-локационных экспериментов проводились на различных российских и зарубежных корреляторах. Но первые практические результаты удалось получить только в 2002 г. после ввода в опытную эксплуатацию коррелятора НИРФИ-3 в Нижнем Новгороде [9]. До 2005 г. коррелятор мог обрабатывать записи только в РСДБ-формате Мк-2, а в 2006 г. он был переведен на новый формат - NRTV (near real time VLBI). Обработка эхо-сигналов выполняется в несколько этапов и на сегодняшний день представляет собой установившуюся схему работы с РСДБ-локационными данными, которая применяется в НИРФИ. При обработке используется модель траектории объекта, координаты приемной антенны, дата и время измерений, учитывается эффект ближней зоны, движение объекта относительно геоцентра и вращение Земли.

На первом этапе проводится автокорреляция записанного сигнала в каждом пункте и его спектральный анализ для определения наличия отраженного сигнала от лоцируемого объекта на ожидаемой расчетной частоте (необходимые траекторные и эфемеридные расчеты выполняются в Баллистическом центре ИПМ им. Келдыша РАН). По результатам автокорреляции (см. примеры на рис. 2) определяется также наличие помех и паразитных сигналов в приемной системе.

Рис. 2. Спектр мощности результата автокорреляции эха геостационарного объекта 95035, принятого на пункте Медвежьи Озера 28.07.2004 г. Спектр мощности результата автокорреляции эха планеты Марс, принятого на пункте Медвежьи Озера 24.07.2003 г.

На втором этапе выполняется корреляция сигнала передатчика (или модели излученного сигнала) и эхо-сигнала, принятого в каждом приемном пункте. Результат корреляции подвергается спектральной обработке. По частоте максимума спектрального отклика с точностью до тысячных долей Гц определяется частота сдвига Доплера (см. пример на рис. 3а), которая несет информацию о радиальной скорости движения объекта (в стадии отладки находится процедура измерения дальности по геометрической задержке с использованием при локации ЛЧМ сигнала). Кроме того, анализ зависимости от времени амплитуды максимума спектрального отклика (взаимно-корреляционного спектра сигнала передатчика и эхо-сигнала) дает возможность определить период вращения исследуемого объекта (см. пример на рис. 3б). Для спутника "Горизонт-3" период вращения определяется как 84 с. В случае наличия симметричных элементов конструкций на космическом аппарате, может возникнуть неоднозначность измерений.

радиозондирование планетный сигнал космический

Рис. 3. Спектрограммы для двух последовательных по времени участков корреляционного сигнала на базовой линии Евпатория-Медвежьи Озера для эха геостационарного спутника "Космос-1366" 15.09.2005 г. Временная зависимость амплитуды максимума кросс-спектра зондирующий-эхо сигналы для геостационарного спутника "Горизонт-3" на базовой линии Евпатория-Медвежьи Озера 29.07.2003 г.

На рис. 4 приведены временные зависимости амплитуды максимума спектра, полученные в результате корреляционной обработки сигналов пунктов Урумчи (принятый сигнал) - Евпатория (излученный сигнал) и Медвежьи Озера (принятый сигнал) - Евпатория (излученный сигнал) по результатам двух сканов по спутнику "Радуга-9", которые проводились с интервалом три дня. По корреляционному сигналу в Медвежьих Озерах определяется период вращения КА, равный 82 с. Отчетливо видно, что в сигнале Урумчи-Евпатория нечетные импульсы "развалились". Это указывает на то, что на объекте имеются два крупных отражающих элемента с несколько различной ориентацией в пространстве, видимых с РСДБ-пунктов под разными углами зрения, поэтому период вращения объекта следует считать равным 164 с. Четкая периодичность появления импульсов указывает на стабильность оси вращения аппарата. Характер сигнала за трое суток практически не изменился, что также свидетельствует о стабильности параметров вращения (это также подтверждают данные на рис. 7).

Рис. 4. Временные зависимости амплитуды максимума кросс-спектра зондирующий-эхо сигналы для спутника "Радуга-9" на базовых линиях Евпатория-Медвежьи Озера и Евпатория-Урумчи в двух разных сканах с интервалом 3 дня, 25 и 28.07.2004 г.

На рис. 5а представлена временная зависимость амплитуды максимума спектра, полученная в результате корреляционной обработки сигналов пунктов Калязин (принятый сигнал) - Евпатория (излученный сигнал) для малоразмерного фрагмента 90022 на геостационарной орбите. Этот объект был обнаружен в КрАО 30 апреля на оптическом телескопе АТ-64 и имеет блеск 17 звездной величины (что примерно соответствует размеру 40 см). Фотометрия такого рода объектов затруднена, поэтому возможность оценки периода вращения по радиолокационным данным очень важна.

На рис. 4б показан результат корреляционной обработки переданный-принятый сигналы для быстровращающегося геостационарного объекта, 4-й ступени р/н "Протон" (на быстрое вращение указывает значительное - до 200 Гц размывание спектра, см. рис. 4б), а также временные зависимости амплитуды максимума этого спектра на базовых линиях Евпатория-Медвежьи Озера и Евпатория-Урумчи. В Медвежьих Озерах виден сильный сигнал от всего аппарата с характерными всплесками от ярких элементов конструкций. Характер сигнала пункта Урумчи сильно меняется: наблюдается периодическое появление сигнала от корпуса с всплесками от ярких фрагментов длительностью около 30 с. Данное обстоятельство можно интерпретировать как быстрое вращение аппарата с биением оси вращения.