НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ И С ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТЬЮ КООРДИНАТ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Г.Г. Райкунов, Д.В. Ковков, Г.Г. Смышляева, (ФГУП ЦНИИ машиностроения), В.А. Разин, Е.Н. Виняйкин, В.И.Абрамов, А.М. Пасека, А.И. Теплых, Б.С.Формозов (ФГНУ Научно- исследовательский радиофизический институт)

Основой предлагаемого инновационного навигационно-радиоастрономического интерферометра с двумя ортогональными базами на трёх малых антеннах и двух 14-ти метровых антеннах с универсальным корреляционным приемником для определения координат КА разного типа с позиционной калибровкой по космическим радиоисточникам является

малобазовый одноканальный радиоастрономический интерферометр РИСЭ, предназначенный для измерения угловых координат космических источников (КИ) естественного происхождения (Лебедь А, Кассиопея А, Телец А и др.) и координатно-траекторных измерений космических аппаратов (КА) разного типа. При приеме сигналов от КИ в качестве антенны используется параболическое зеркало диаметром 14 метров (режим большой антенны), а при приеме сигналов от спутников – только сам облучатель (режим малой антенны), направленный в противоположную от зеркала сторону.

Фото РИСЭ

Принцип работы основан на измерении разности фаз сигналов от движущегося КА, принимаемых двумя разнесенными в пространстве антеннами. В случае одноканального интерферометра временная зависимость разности фаз извлекается из кривой интерференционного отклика при наличии данных целеуказаний (с точностью не хуже ширины самого узкого лепестка интерферометра). По измеренной фазе рассчитывается уточненная траектория движения КА.

Использование антенн малых размеров в малобазовом интерферометре, предназначенном для координатно- траекторных измерений КА, привлекательно с точки зрения существенного упрощения и удешевления его конструкции, а также снижения требований к точности сопровождения спутника, в том числе и исключения сопровождения вообще. В нашем случае в режиме малой антенны траекторные измерения КА производятся при неподвижной антенне, направленной в зенит. Ввиду большой ширины ДН требуется проведение идентификации КА с целью устранения их путаницы. Для этого используется программа визуализации прохождений спутников, которая в реальном времени выдает траектории прохождения спутников, работающих на рабочей частоте интерферометра (400МГц) и находящихся над горизонтом.

Результатом траекторных измерений является уточнение траектории по отношению к данным целеуказаний. Областью применения РИСЭ является измерения угловых координат космических источников (КИ) естественного происхождения (Лебедь А, Кассиопея А, Телец А и др.) и координатно-траекторных измерений космических аппаратов (КА) разного типа.

Состав РИСЭ 1) Антенная система (два РТ-14) 2) Малые антенны, специально разработанные из облучателя, предназначенного для возможности его использования, как в качестве одиночной антенны, так и в качестве облучателя 14-метрового радиотелескопа. 2) Фидерный тракт 3) Приемная система 4) Система регистрации данных 5) Система обработки 6) Система передачи данных в ФГУП ЦНИИ Маш Антенная система и фидерный тракт расположены вне помещения (Рис 1), а приемная и регистрирующие системы расположены в технологическом здании.

Структурная схема РИСЭ

На основании экспериментальной отработки выбран оптимальный вариант конструкции радиоинтерферометра РИСЭ и 3 малых антенн для приёма сигналов КА. Приемная система реализована по принципу интерферометра Райла, по схеме прямого усиления. Проверка конструктивных и схемных решений разрабатываемого макетного образца, его составных частей и подтверждение окончательно принятых решений была произведена на радиоастрономическом интерферометре в РАО ФГНУ НИРФИ "Старая Пустынь" (Нижегородская область).

Технические характеристики 1 Географические координаты РАС «Старая Пустынь» долгота λп = 43° 38 широта φп = 55° Длина базы интерферометра В составляет 60,06 метра, ориентация близка к линии Восток - Запад. 3 Проекции базы в горизонтальной декартовой системе координат Bx=2.64м (север юг), By=59.98м (восток-запад), Bz= 1.74м (надир-зенит). 4 Минимальная ширина интеференционного лепестка в направлении Восток - Запад угловой минуты 5 Антенны - параболоиды вращения с диаметром зеркал 14 метров, полноповоротные с азимутально-угломестной монтировкой, с ручным управлением 6 Ширина диаграммы направленности каждой из антенн на уровне половинной мощности 10 (режим большой антенны) 60 (режим малой антенны). 7 Приемник – прямого усиления, одноканальный, с переключением фазы. 8 Рабочие частоты радиоастрономического интерферометра равны 150 или 400 МГц. 9 Ширина полосы пропускания на уровне 3 дБ равна 1 МГц. 10 Шумовая температура приемника 250 К, 11 Общие потери в антенно-фидерном тракте составляют ~3 дБ 12 Постоянная времени интегрирующей цепочки =0.1сек

Состав РИСЭ 1) Антенная система (два РТ-14) 2) Малые антенны, специально разработанные из облучателя, предназначенного для возможности его использования, как в качестве одиночной антенны (Рис 3б), так и в качестве облучателя 14-метрового радиотелескопа (Рис 3а). 2) Фидерный тракт 3) Приемная система 4) Система регистрации данных 5) Система обработки 6) Система передачи данных в ФГУП ЦНИИ Маш Антенная система и фидерный тракт расположены вне помещения (Рис 1), а приемная и регистрирующие системы расположены в технологическом здании.

Структурная схема РИСЭ

Приемная система Генератор шума (ГШ) Г2-32 Механические «крановые» переключатели на 3 входа Вентили ФЦК Согласованные нагрузки с волновым сопротивлением 75 Ом Коаксиальные переходы 75 Ом – 50 Ом Входной усилитель М42118 Делитель мощности 3дБ (1 шт.), выполненный на отрезках коаксиальных кабелей Сумматор и Фазовый модулятор Генератор опорного напряжения (ГОН) Фильтры 1 и 2 Блок квадратичного детектора СВЧ усилитель Предварительный НЧ усилитель Блок низкой частоты

Приемная система Приемная система реализована по принципу интерферометра Райла [2], по схеме прямого усиления. Перемножение входных сигналов от антенн осуществляется путем: 1) модуляции фазы (0-180) одного из сигналов 2) их сложения и квадратичного детектирования 3) синхронного детектирования на частоте модуляции В результате на выходе синхронного детектора получается сигнал, пропорциональный косинусу разности фаз сигналов: VСД = |V1+V2|2 – |V1–V2|2 = 4 V1 V2* = 4 |V1| |V2| cos ( -разность фаз между сигналами антенн).

Структурная схема приемной системы

Блок-схема системы регистрации интерферометра

Система регистрации Системный блок ПЭВМ типа ноутбук OmniBook XE3 Электронный виртуальный самописец PCS500 (программа PCLab2000) компании Velleman, выполненный в виде приставки к ПК GPS приемник (комплект синхронизации Acutime 2000 компании Trimble) Программа (Orbitron), предназначенная для наблюдения в реальном времени на экране монитора траекторий прохождения выбранных КА

Персональный компьютер, в качестве которого используется ноутбук OmniBook XE3. Помимо стандартного программного обеспечения в ПК установлено ПО, необходимое для функционирования: Электронного виртуального самописца PCS500 (программа PCLab2000) GPS – приемника (Trimble Accutime2000, включающий «окна» Timing Receiver Monitor и TimeKeeper) Программы перевода в другую систему координат, предназначенная для наблюдения в реальном времени на экране монитора траекторий прохождения выбранных КА, работающих на частоте 400МГц. Эта программа позволяет провести идентификацию наблюдаемого КА (необходимость которой вызвана широкой ДН малых антенн), оценить помехи от других КА, а также контролировать начало и конец записи наблюдений.

Электронный виртуальный самописец PCS500 (программа PCLab2000) Двухканальный электронный виртуальный самописец PCS500 компании Velleman, выполненный в виде приставки к ПК. "Виртуальность" проявляется в том, что передняя панель самописца создается на экране дисплея ПК соответствующими программными средствами. Управление самописцем осуществляется с помощью графического манипулятора – мыши. Прибор подключается к компьютеру посредством стандартного параллельного порта LPT. Программное обеспечение PCLab2000 позволяет использовать прибор в режимах: электронного самописца, осциллографа, спектроанализатора, генератора.

OmniBook XE3 Двухканальный электронный виртуальный самописец PCS500 компании Velleman, выполненный в виде приставки к ПК. "Виртуальность" проявляется в том, что передняя панель самописца создается на экране дисплея ПК соответствующими программными средствами. Управление самописцем осуществляется с помощью графического манипулятора – мыши. Прибор подключается к компьютеру посредством стандартного параллельного порта LPT. Программное обеспечение PCLab2000 позволяет использовать прибор в режимах: электронного самописца, осциллографа, спектроанализатора, генератора.

Комплект синхронизации Acutime 2000 компании Trimble GPS приемник (комплект синхронизации Acutime 2000 компании Trimble), выдающий сигналы для синхронизации часов ПК. Комплект синхронизации содержит выносную интеллектуальную антенну, интегрированную с приемным устройством и блоком обработки сигналов от навигационных GPS-КА, а также конвертор (Trimble converter) для преобразования стандартных интерфейсов (RS-422 to RS-232) последовательной передачи данных. Подключение к компьютеру производится через стандартный последовательный порт COM.

Система постобработки и Система передачи данных в ФГУП ЦНИИмаш Они включают в себя ПК, подключенный к Интернету. ПО для постобработки данных наблюдений и подготовки Протокола измерений. В настоящее время для обработки используется разработанная программа InterferometerProcessor_v2. Предполагается дальнейшее развитие методик, алгоритмов и программ постобработки с целью повышения точности и увеличение оперативности выдачи данных для Протокола измерений. Для доступа к Интернету предполагается использование системы мобильного Интернета, в которой подключение к компьютеру обеспечивается через USB порт с помощью мобильного интернет-модема.

Acutime 2000 Smart Antenna Acutime 2000 Smart Antenna - это 8 (-12) - канальный GPS приемник, совмещенный с антенной во всепогодном герметичном корпусе, допускающий использование режима предопределенного временного решения для генерирования временного сигнала (PPS) и временной метки, синхронизованых с UTC c точностью ±50 наносекунд

. Проведение траекторных измерений КА 1 Обе антенны радиотелескопов установить в зенит, т.е. H=90, A=180). 2 Оба «крановых» переключателя (Рис 12) перевести в положение АНТЕННА (Рис 12) 3 С помощью кнопочных переключателей на передней панели блока НЧ (Рис 11) установить усиление (=100), и значение постоянной времени (= 0.1 сек). 4 Согласно текущему времени и таблице целеуказаний пролетов спутников определить наименование ближайшего спутника и подготовить электронный самописец к сохранению файла данных сигнала интерференционной отклика на предстоящее прохождение спутника. Для этого нужно вызвать команду сохранения данных из меню «File» »AutoSave Date…» и ввести имя файла, в который будут заноситься данные

Фрагмент записи интерференционного отклика в окне виртуального самописца

7 После сохранения файла данных преобразовать его(с помощью макроса "Vell2txt") в формат, пригодный для чтения программой Mathcad. (см. Приложение 2. Инструкция к виртуальному самописцу PCS500) 8 Открыть программу "view_velleman.mcd" и просмотреть целиком полученный файл данных прохождения спутника

Сигнал интерференционного отклика от пролета спутника

На этом проведение траекторных измерений заданного прохождения КА заканчивается. Далее производится постобработка проведенных измерений

Постобработка результатов измерений

Заключение Разработана конструкторская документация на малые антенны и эксплуатационная документация на РИСЭ. Разработан технический проект, обоснованы окончательные технические решения, дающие полное представление о конструкции навигационно-радиоастрономического интерферометра с двумя ортогональными базами на трёх малых антеннах и двух 14-ти метровых антеннах с универсальным корреляционным приемником для определения координат КА разного типа с позиционной калибровкой по космическим радиоисточникам, позволяющие проводить определение положения КА на орбитах разных типов с точностью до 1 см.

Радиоастрономические интерферометры со связанными элементами (РИСЭ) могут применяться для решения ряда задач прикладного характера: - высокоточное определение координат космических аппаратов (КА) на далеких орбитах; космическая навигация; - высокоточное определение векторов баз РИСЭ с целью закрепления сети реперов на поверхности Земли для уточнения и дополнения геодезической сети; - непрерывный контроль стабильности векторов баз с целью определения уровней смещения точек поверхности Земли в сейсмоактивных зонах относительно стационарных геологических платформ для разработки методов прогноза землетрясений; - контроль изменения координат места установки инструментов для изучения геодинамических параметров; - применение техники РИСЭ для фазирования и суммирования сигналов крупных антенных комплексов с целью повышения дальности и надежности приема сигналов КА без строительства новых больших и дорогостоящих антенных систем; - применение РИСЭ для оперативного контроля среды распространения радиоволн на трассах Земля - КА для учета влияния ионосферы на координатные и навигационные измерения