О модернизации наземных средств и бортового оборудования, используемых в радиофизических экспериментах перспективных космических проектов Гаврик А.Л., Гаврик Ю.А. ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН ИКИ РАН Таруса 4…8 июля 2011 г. Наземные средства для обеспечения перспективных научных космических проектов – проблемы и перспективы

ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ им. В.А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал М И РМ И Р С С С РС С С Р Л Е Н И НЛ Е Н И Н проводилась радиолокация Луны, Марса, Венеры посылались сигналы другим цивилизациям выполнялось радиопросвечивание оболочек Луны, Марса, Венеры, Солнца, кометы Галлея получена первая радиолокационная карта поверхности Венеры проводилась радиолокация астероидов и космического мусора проводились интерферометрические эксперименты Все эти эксперименты выполнялись на антеннах АДУ-1000 и РТ-70

Функции комплекса во всех экспериментах аналогичны - излучать мощные сигналы с Земли и с борта - обеспечить прием сигналов на Земле и на борту Основные функции радиофизических комплексов РТ-70, ОА и СС а. Управление межпланетными станциями и сброс информации на Землю - излучение мощных сигналов с Земли, с борта ОА, с борта СС - прием сигналов на Земле, на борту ОА, на борту СС б. Радиолокация планет, комет, астероидов, космического мусора - излучение мощных сигналов и прием эхо-сигналов на Земле в. Интерферометрические эксперименты - прием сигналов в нескольких наземных пунктах г. Эксперименты радиопросвечивания и бистатической радиолокации - излучение мощных сигналов с борта ОА и прием на Земле - излучение мощных сигналов с Земли, прием на борту ОА и СС - излучение мощных сигналов с борта ОА и прием на борту СС

Радиопросвечивание ионосферы и атмосферы (традиционная методика экспериментов) Высотный профиль электронной концентрации в ионосфере Венеры N(h), см -3 Изменение мощности радиосигналов в ионосфере и атмосфере Х СМ Х ДМ 8 см 32 см Изменение частоты сигнала в ионосфере и атмосфнре f ДМ 32 см Длительность сеанса радиопросвечивания 2 … 20 минут атмосфера Результаты измерений на Земле 1971 Марс Луна Луна-22 Марс-4 Марс-5 Марс Венера-9 Венера Венера-15 Венера Фобос-2. ионосфера Венера

Наземные средства 1, Высокостабильный водородный стандарт, из сигналов которого формируются когерентные опорные сигналы наземных устройств. 2. Тракты и приемные устройства антенны для радиосигналов L-, S-, X- диапазонов с низкой температурой шума и высокой стабильностью. 3. Система регистрации параметров радиосигналов L-, S-, X-диапазонов. Бортовые средства 4. Высокостабильный генератор, из сигналов которого формируются когерентные излучаемые сигналы L-, S-, X- диапазонов. 5. Высокостабильные по мощности и по фазе передатчики радиосигналов. 6. Мощные источники питания для одновременного излучения двух сигналов высокой мощности, что увеличит отношение сигнал/шум на входе приемника, и, следовательно, точность измерений амплитуд и фаз сигналов. 7. Остронаправленная антенна для одновременного излучения когерентных сигналов L-, S-, X-диапазонов. Трехдиапазонная антенна устраняет набеги фазы при маневрах ОА, а ее большой диаметр увеличивает отношение сигнал/шум на входе приемника. 8. Обеспечение ОА системой точной ориентации антенны на Землю. Технические требования эксперимента радиопросвечивания, направленные на обеспечение максимальной чувствительности измерений

Эта методика в настоящее время активно используется для зондирования земной оболочки (больше 100 сеансов в день). Намечается перспектива использования методики в межпланетных проектах. Перспективная для нас методика: радиопросвечивание на трассе спутник спутник

10. Обеспечение возможности передачи большого объема информации со спутника на Землю. 11. Разработка приемо-измерительного бортового комплекса. Дополнительные технические требования для эксперимента радиопросвечивания оболочек планет на трассе спутник спутник Главное достоинство радиофизических экспериментов на трассе спутник планеты спутник планеты : отсутствие мешающего влияния земной ионосферы и межпланетной плазмы на трассе радиосвязи, что повышает точность полученной информации. Разработка технических средств для такого эксперимента позволит планировать отечественные эксперименты для исследований ионосферы и атмосферы Земли и планет.

Самый перспективный проект эксперимент радиопросвечивания с использованием мощных наземных передатчиков когерентных сигналов и бортовых приемных комплексов. Направив наземную излучающую антенну на планету, формируем радиополе диаметром 500 тыс. км и обеспечиваем возможность приема сигналов всеми ОА на орбите планеты. Длительность одного сеанса, начинающегося при заходе ОА за планету и заканчивающегося после выхода ОА из-за планеты, составляет 1 час. Одновременно можно проводить 6 экспериментов, помимо работы других приборов. Регулярная радиолокация Бистатическая локация Межпланетная плазма на двух разнесенных трассах Земля ОА и Земля СС ОА СС Двухчастотное радиопросвечивание ионосферы Двухчастотное радиопросвечивание атмосферы К и н о п л а н е т я н а м…

Получение принципиально новых научных результатов возможно при увеличении точности и информативности методов просвечивания, локации и бистатической локации на 2-х когерентных частотах, что достигается только увеличением отношения сигнал/шум на входе приемных устройств. Мощность принятого сигнала прямо пропорциональна плотности потока мощности у приемной антенны, при излучении с Земли более 10 кВт (вместо 50 Вт с борта ОА) достигается увеличение отношения сигнал/шум не менее чем на порядок по сравнению с традиционными экспериментами. Прием сигналов на двух ортогональных поляризациях необходим в экспериментах локации, бистатической локации, при радиопросвечивании атмосферы, ионосферы, пылевых компонент комет и планетных колец. Увеличение количества сеансов просвечивания и бистатической локации за счет использования для экспериментов ОА и СС обеспечит значительное увеличение объема информации, что является главным условием для выяв- ления аномальных свойств газовых оболочек планет и, самое главное, для исследования свойств приповерхностной атмосферы Венеры. При определенных орбитах ОА и СС появляется возможность почти одновременного радиопросвечивания разных или близких областей газовой оболочки планеты, что позволит изучать ее динамику. Такая схема экспериментов, видимо, будет единственно возможной при исследованиях далеких внешних планет солнечной системы, т.к. обеспечит высокое отношение сигнал/шум на входе приемника.

Altitude of radio ray straight line h, km The refraction attenuation, Х Δt = 0.06 s Δt = 0.11 s Δt = 0.23 s Δt = 0.47 s Необходимость значительного увеличения потенциала радиолинии стала очевидной при проверке новой теоретической взаимосвязи вариаций частоты Δf(t) и мощности X Δf (t) радиосигнала. Только при высоком энергетическом потен- циале можно обеспечить высокую точность измерений параметров радиоволн на очень коротких интервалах времени t. Это позволит экспериментально проверить приближения теории распространения радио- волн и увеличит пространственно-временное разрешение результатов радиопросвечивания. Видно, что уменьшение интервала измерений в 2 раза уменьшает энергию сигнала в 2 раза и приводит к увеличению в 2 раза флуктуаций частоты и мощности сигнала. Уменьшение t возможно только до момента начала нелиней- ного усиления влияния шума. X Δf (t) X(t) ВЕНЕРА-16

Благодаря тому, что на КА ВЕНЕРА-15 мощность сигнала 32 см составляла 100 Вт, и диаметр антенны был более 2 м обнаружен волновой процесс в нижней ионосфере и в верхней атмосфере Венеры Высота линии прямой видимости спутника h, км Рефракционное ослабление ДМ-сигнала в атмосфере Рефракционное ослабление СМ-сигнала в атмосфере слоистая структура в атмосфере корреляция периодических структур в атмосфере для ДМ- и СМ- сигналов Рефракционное ослабление, вычисленное из частоты ДМ-сигнала Вариации Х дм и Х Δ f в атмосфере различаются Х10Х10 Слои плазмы в нижней ионосфере: корреляция Х ДМ и Х Δ f

Этот уникальный результат получен благодаря тому, что излучаемая мощность сигнала диапазона 3.6 см составляла 20 Вт, диаметр антенны был более 3.5 метров, температура шумов приемника не превышала 40º. Волноподобные вариации температуры в атмосфере Венеры выше 55 км использовались для анализа распространения гравитационных волн (по данным радиопросвечивания КА Magellan J.M. Jenkins)

Требования к приемнику: - Одновременный прием на двух ортогональных поляризациях трех когерентных сигналов в режиме независимого слежения за фазой каждого сигнала. Все тактовые частоты одинаковы для всех сигналов. - Квадратурные компоненты сигналов записываются в память временного хранения объемом 2 Гбит, режим регистрации может меняться. - После окончания сеанса радиозондирования включается режим обработки данных по заложенному алгоритму. - Обработанные, сжатые данные кодируются и записываются на другой носитель объемом 100 Мбит (10 сеансов просвечива- ния) для последующей передачи этих данных на Землю по магистральной линии телеметрии. Для реализации новых, более информативных экспериментов необходима разработка универсального, многофункционального наземного и бортового приемника

Современные компактные бортовые приемники сигналов с малым весом и энергопотреблением, созданные на современной элементной базе, позволяют проводить измерения и предвари- тельную обработку материалов радиопросвечивания на борту ОА в реальном масштабе времени, хранить и обрабатывать ин- формацию, передавать ее на Землю по штатному каналу связи. Разработанный универсальный бортовой приемник трех когерентных сигналов на двух ортогональных поляризациях получит широкое применение во всех космических миссиях. При незначительной модернизации он может использоваться при радиопросвечивании атмосферы Земли и бистатической радиолокации ее поверхности на трассе спутникспутник. Такой приемник можно будет предлагать иностранным космическим агентствам для проведения совместных космических экспериментов.

λ = 32 см, Δt = 0.11 s λ = 19 см, Δt = 0.02 s ВЕНЕРА-16 Земля GPS CHAMP Для реализации информативных экспериментов необходима разработка хорошего бортового приемника Достоверность информации зави- сит от соотношения между радиофи- зическими эффектами, обусловленны- ми исследуемой средой и мешающими факторами. Зондирование плазмы сигналом 32 см КА ВЕНЕРА-16 увеличило по сравне- нию с иностранными экспериментами (волна 13 см) рефракционные эффек- ты в 6 раз, что повысило точность результатов и открыло перспективы изучения тонкой структуры ионосферы. Следовательно, выбор частотного диа- пазона – ответственная задача. Точность интерпретации результа- тов радиопросвечивания имеет прин- ципиальное значение, т.к. определяет возможность дальнейшего использо- вания полученных характеристик при разработке моделей строения и изу- чении динамики газовой оболочки. ч а с т о т а сигнала, Hz в ы с о т а над поверхностью планеты, км влияние плазмы на частоту сигнала ионосфера Земли атмосфера и Неправильные данные из-за низкого с/ш

Радиофизические эффекты на волне Х- диапазона Плазма Венеры и Марса очень слабо влияет на вариации фазы и мощности. При погружении радиолуча в плотные слои атмосферы Венеры мощность быстро уменьшается из-за сильного поглощения. Наблюдаются сильные флуктуации мощности в областях развитой турбулентности атмосферы. Узкая диаграмма направленности антенны требует очень точного прогноза рефракции радиолуча в плотных слоях атмосферы. Достоинства Х- диапазона При зондировании глубоких слоев в атмосфере Венеры (~40 км) ослабление сигнала 25 дБ, а поглощение 15 дБ. Если мощность сигнала обеспечивает диапазон измере- ний 50…60 дБ, то можно определить концентрацию паров серной кислоты. На Марсе можно проводить бистатическую радиолокацию. На Венере и Марсе можно исследовать турбулентность атмосферы, т.к. флукту- ации мощности могут быть в 5 раз больше, чем для сигнала S- диапазона. На Юпитере и на Сатурне можно исследовать всю ионосферу и кольца. Можно зондировать глубокие слои солнечной короны. В США, Европе и Японии создана разветвленная сеть наземных приемных пунктов, можно излучать сигнал, когда на наших пунктах заход не виден. Радиосигнал Х- диапазона будет использоваться в качестве магистрального канала для передачи телеметрической информации.

Радиофизические эффекты на волне S- диапазона Плазма Венеры и Марса слабо влияет на вариации фазы и мощности. При погружении радиолуча в плотные слои атмосферы Венеры мощность достаточно быстро уменьшается из-за поглощения. Наблюдаются флуктуации мощности в областях развитой турбулентности атмосферы. Узкая диаграмма направленности антенны требует точного прогноза рефракции радиолуча в плотных слоях атмосферы. Достоинства S- диапазона На Венере можно определить концентрацию паров серной кислоты на высотах км. На Венере и на Марсе можно исследовать турбулентность атмосферы и проводить бистатическую радиолокацию. На Юпитере и на Сатурне можно исследовать ионосферу и кольца. Можно зондировать околосолнечную плазму. В качестве второго когерентного сигнала в США, Европе и Японии используется S- диапазон, для которого создана сеть приемных пунктов. Это обстоятельство является важным аргументом для использования S- диапазона в наших экспери- ментах, оно может оказаться решающим фактором при планировании частотного диапазона, т.к. можно излучать сигнал, когда на наших пунктах заход не виден.

Радиофизические эффекты на волне L- диапазона Плазма Венеры и Марса сильно влияет на вариации фазы и мощности сигнала. Поглощение в атмосфере слабое. Турбулентность атмосферы мало влияет на флуктуации мощности. Широкая диаграмма направленности антенны не требует точного прогноза рефрак- ции радиолуча в плотных слоях атмосферы. Достоинства L- диапазона На Венере и Марсе зондирование сигналом L диапазона увеличивает по сравнению с S диапазо- ном рефракционные эффекты в плазме в 6 раз, а вариаций частоты сигнала в 2.4 раза с уменьше- нием в 2.4 раза мешающих флуктуаций частоты, вызванных шумами бортового задающего генера- тора. Это увеличивает потенциал метода радиопросвечивания применительно к исследованию плазменных сред, в которых эффекты незначительно превышают уровень шума, например, ночная ионосфера, ионосфера вблизи ионопаузы и самая нижняя часть дневной ионосферы. Поглощение сигнала L- диапазона существенно меньше, чем поглощение сигналов S- и Х-диа- пазонов, что обеспечит определение характеристик турбулентности и паров серной кислоты. На Венере и Марсе можно проводить бистатическую локацию при малом поглощении в атмосфере, глубина проникновения в грунт в 2.5 раза больше, чем для S диапазона. На Венере по результатам бистатической локации можно определять характеристики атмосферы на высотах 0…30 км, в области мало доступной для других методов. Можно исследовать кольца верхнюю ионосферу Сатурна и Юпитера. Исследование солнечного ветра вдали от Солнца и плазменных оболочек комет является эффективным только с использованием сигнала L- диапазона. Сигнал L-диапазона является отличительным признаком отечественных экспериментов.

Управление межпланетными станциями и сброс информации на Землю Оптимальный Х диапазон, т.к. обеспечивается максимальная скорость передачи данных и есть международная приемо- передающая сеть. Бортовые и наземные приемники и пере- датчики уже существуют. Можно ли дополнительно использовать L-, S-диапазоны – это должны определить специалисты. Радиолокация планет, комет, астероидов, космического мусора Оптимальный Х диапазон, т.к. обеспечивается максимальная информативность данных и есть международная приемо- передающая сеть. Но очень желательно дополнительно использовать передатчики S- и L-диапазона, т.к. локация на разных длинах волн позволяет оценивать диэлектрические свойства поверхности. Использование сигналов L-, S-, Х- диапазонов согласуется и с другими функциональными задачами космического комплекса

1. Уровень научных исследований сильно зависит от объема передаваемой на Землю научной информации. Поэтому долго функционирующий ОА должен быть оборудован антенной большого диаметра и иметь высокое энергообеспечение, чтобы скорость передачи данных на Землю была не менее 500 Кбод/сек. 2. Излучения 2 когерентных сигналов с борта ОА является постоянным атри- бутом иностранных межпланетных миссий. В проекте ВЕНЕРА-Д целесооб- разно разработать 3-х диапазонную антенну (L-, S-, Х- диапазоны) и коге- рентные излучающие устройства, позволяющие одновременно излучать 2 монохроматических сигнала. Высокое энергообеспечение ОА, необходимое для двухчастотного просвечивания длительностью 1 час, согласуется с требованием увеличения скорости передачи телеметрической информации. 3. Наземный комплекс должен иметь тракты, приемную аппаратуру и систему регистрации данных, позволяющую получать данные для L-, S-, Х- диапа- зонов на двух ортогональных поляризациях. Актуальные задачи для обеспечения качественно нового уровня исследований в проекте ВЕНЕРА-Д. Такая аппаратура может применяться во всех отечественных межпланетных миссиях.

4. В проекте ВЕНЕРА-Д необходима высокоскоростная радиолиния для пере- дачи научной информации с борта СС на борт ОА. Целесообразно разрабо- тать 3-х диапазонную приемо-передающую антенну (L-, S-, Х- диапазоны) и когерентные излучающие устройства, позволяющие одновременно излучать 2 монохроматических сигнала. Энергообеспечение СС, необходимое для двухчастотного просвечивания на трассе спутник спутник, согласуется с требованием увеличения скорости передачи телеметрической информации. 5. Целесообразно разработать универсальный 3-х диапазонный (L-, S-, Х- ди- апазоны) бортовой приемник для реализации экспериментов просвечивания на трассе ССОА. Такой приемник может использоваться и для обработки данных на Земле. Самое существенное: разработка бортового приемника для L-, S-, Х- диапазонов необходима для реализации новых экспериментов радиопросвечивания на трассах Земля ОА и Земля СС. Актуальные задачи для обеспечения качественно нового уровня исследований в проекте ВЕНЕРА-Д. Такая аппаратура может применяться во всех отечественных межпланетных миссиях.

6. Качество радиофизических исследований существенно возрастет, если обеспечить возможность одновременного излучения 2 когерентных сигналов (L-, S-, Х- диапазоны) антенной РТ-70 и приема этих сигналов на борту ОА и СС. Такую схему экспериментов просвечивания можно будет применять при исследованиях всех планет солнечной системы, т.к. она обеспечит высокое отношение сигнал/шум на входе приемника. 7. Разработка технических средств для эксперимента радиопросвечивания на трассе Земля ОА качественно изменит уровень отечественных исследо- ваний. Создание универсального многофункционального комплекса, необхо- димо для всех радиофизических экспериментов: и для радиолокации, и для бистатической локации, и для радиопросвечивания на нескольких трассах Земля ОА, Земля СС, СС ОА. Актуальные задачи для обеспечения качественно нового уровня исследований в проекте ВЕНЕРА-Д. Такая аппаратура может применяться во всех отечественных космических проектах.

Заключение Необходимо сформулировать концепцию развития радиотехнического комплекса на близкую и далекую перспективу космических исследований. С этой целью необходимо создать рабочую группу, включающую широкий круг заинтересованных специалистов, которая рассмотрит научные и технические возможности модернизации комплекса с целью разработки реализуемой программы космических исследований. Задачей рабочей группы является подготовка конкретных предложений по модернизации радиотехнического комплекса для включения основных идей в программу космических исследований. Работа выполнена при частичной поддержке: программы Президиума РАН VI.15 Авторы выражают благодарность Н.А. Арманду за обсуждение этих предложений Спасибо за внимание