О модернизации наземных средств и

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
Наземные средства для обеспечения
перспективных научных космических
проектов – проблемы и перспективы
ИКИ РАН
Таруса
4…8 июля 2011 г.
◊ 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
ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ
им. В.А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал
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
Функции комплекса во всех экспериментах аналогичны
- излучать мощные сигналы с Земли и с борта
- обеспечить прием сигналов на Земле и на борту
Радиопросвечивание ионосферы и атмосферы
(традиционная методика экспериментов)
1971 Марс-2
1973 Луна-19
1974 Луна-22
Марс-4
Марс-5
Марс-6
1975 Венера-9
Венера-10
1983 Венера-15
Венера-16
1989 Фобос-2
Высотный профиль
электронной концентрации
в ионосфере
Венеры
N(h), см-3
.
Длительность сеанса
радиопросвечивания
2 … 20 минут
ионосфера
3
0
1
2
3 -15 -10
240
240
240
220
220
220
200
200
200
180
180
180
160
160
160
140
140
140
120
120
120
100
100
100
80
80
80
60
60
атмосфера
-5
0
5
3
4
10 Венера
10
10 0
Изменение
мощности
радиосигналов
в ионосфере и атмосфере
ХСМ
8 см
ХДМ
32 см
Изменение
частоты
сигнала
в ионосфере
и атмосфнре
fДМ
32 см
60
Результаты
измерений на Земле
501
6 2
2
3
0
1
0
1
0
12 1 2
332 -150 -10 3-5 -15
10 5-1010 -521
10
10
Технические требования эксперимента радиопросвечивания,
направленные на обеспечение максимальной чувствительности измерений
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-, Xдиапазонов 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.
Перспективная для нас методика:
радиопросвечивание
на трассе спутник→спутник
Эта методика
в настоящее время
активно используется
для зондирования
земной оболочки
(больше 100 сеансов в день).
Намечается перспектива
использования методики
в межпланетных проектах.
Дополнительные технические требования
для эксперимента радиопросвечивания
оболочек планет на трассе спутник→спутник
10. Обеспечение возможности передачи большого объема
информации со спутника на Землю.
11. Разработка приемо-измерительного бортового комплекса.
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.
К и н о п л а н е т я н а м…
ОА
СС
Межпланетная плазма на двух разнесенных трассах Земля→ОА и Земля→СС
Двухчастотное радиопросвечивание ионосферы
Двухчастотное радиопросвечивание атмосферы
Бистатическая локация
Регулярная радиолокация
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 выявления 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.
40
4
60
80
100
120
140
XΔf(t)
3
160
180
200
Δt = 0.06 s
2
The refraction attenuation, Х
1
X(t)
0
4
Δt = 0.11 s
3
1
0
4
3
Δt = 0.23 s
2
1
0
4
ВЕНЕРА-16
Δt = 0.47 s
2
1
0
40
cL d
X  f (t)  1 
 f ( t )
2 dt
f 0 V
Только при высоком энергетическом потенциале можно обеспечить высокую точность
измерений параметров радиоволн на очень
коротких интервалах времени t.
2
3
Необходимость значительного увеличения
потенциала радиолинии стала очевидной при
проверке новой теоретической взаимосвязи
вариаций частоты Δf(t) и мощности XΔf(t)
радиосигнала.
60
80
100
120
140
160
180
Altitude of radio ray straight line h, km
200
Это позволит экспериментально проверить
приближения теории распространения радиоволн 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 нелинейного усиления влияния шума.
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.
Рефракционное ослабление ДМ-сигнала в атмосфере
Х
Рефракционное ослабление СМ-сигнала в атмосфере
Рефракционное ослабление, вычисленное из частоты
ДМ-сигнала
1
корреляция периодических структур
в атмосфере для
ДМ- и СМсигналов
Слои плазмы в нижней ионосфере:
корреляция ХДМ и ХΔf
Вариации Хдм и ХΔf в атмосфере различаются
0
25
50
75
100
Высота линии прямой видимости спутника h, км
125
Волноподобные вариации температуры в атмосфере Венеры выше 55 км
использовались для анализа распространения гравитационных волн
(по данным радиопросвечивания КА Magellan J.M. Jenkins)
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.
Для реализации новых, более информативных экспериментов
необходима разработка универсального,
многофункционального наземного и бортового приемника
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 просвечивания) для последующей передачи этих данных на Землю по
магистральной линии телеметрии.
Современные компактные бортовые приемники сигналов с
малым весом и энергопотреблением, созданные на современной
элементной базе, позволяют проводить измерения и предварительную обработку материалов радиопросвечивания на борту
ОА в реальном масштабе времени, хранить и обрабатывать информацию, 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 спутник→спутник.
Такой приемник можно будет предлагать иностранным
космическим агентствам для проведения совместных
космических экспериментов.
Для реализации информативных экспериментов необходима
разработка хорошего бортового приемника
http://isdc.gfz-potsdam.de
ч а с т о т а сигнала, Hz
атмосфера и
ионосфера
Земли
GPS → CHAMP
λ = 19 см,
Δt = 0.02 s
влияние плазмы на частоту сигнала
Неправильные данные
из-за низкого с/ш
λ = 32 см, Δt = 0.11 s
ВЕНЕРА-16 → Земля
в ы с о т а над поверхностью планеты, км
Точность интерпретации результатов радиопросвечивания имеет принципиальное значение, т.к. определяет
возможность дальнейшего использования полученных характеристик при
разработке моделей строения и изучении динамики газовой оболочки.
Достоверность информации зависит от соотношения между радиофизическими эффектами, обусловленными исследуемой средой и мешающими
факторами.
Зондирование плазмы сигналом 32 см
КА ВЕНЕРА-16 увеличило по сравнению с иностранными экспериментами
(волна 13 см) рефракционные эффекты в 6 раз, что повысило точность
результатов и открыло перспективы
изучения тонкой структуры ионосферы.
Следовательно, выбор частотного диапазона – ответственная задача.
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 измерений 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. флуктуации 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.
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 экспериментах, 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 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 35-50 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.
Сигнал L-диапазона является отличительным признаком отечественных экспериментов.
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 рефракции радиолуча в плотных слоях атмосферы.
Достоинства L- диапазона
На Венере и Марсе зондирование сигналом L диапазона увеличивает по сравнению с S диапазоном рефракционные эффекты в плазме в 6 раз, а вариаций частоты сигнала в 2.4 раза с уменьшением в 2.4 раза мешающих флуктуаций частоты, вызванных шумами бортового задающего генератора. 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-диапазонов, 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.
Использование сигналов L-, S-, Х- диапазонов согласуется и с
другими функциональными задачами космического комплекса
Управление межпланетными станциями и сброс информации на Землю
Оптимальный ─ Х диапазон, т.к. обеспечивается максимальная
скорость передачи данных и есть международная приемопередающая сеть. Бортовые и наземные приемники и передатчики 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 приемопередающая сеть.
Но очень желательно дополнительно использовать передатчики
S- и L-диапазона, т.к. локация на разных длинах волн позволяет
оценивать диэлектрические свойства поверхности.
Актуальные задачи
для обеспечения качественно нового уровня исследований
в проекте ВЕНЕРА-Д.
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 атрибутом иностранных межпланетных миссий. В проекте ВЕНЕРА-Д целесообразно разработать 3-х диапазонную антенну (L-, S-, Х- диапазоны) и когерентные 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- диапазонов на двух ортогональных поляризациях.
Такая аппаратура может применяться во всех отечественных межпланетных миссиях.
Актуальные задачи
для обеспечения качественно нового уровня исследований
в проекте ВЕНЕРА-Д.
4. В проекте ВЕНЕРА-Д необходима высокоскоростная радиолиния для передачи научной информации с борта СС на борт ОА. Целесообразно разработать 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- диапазоны) бортовой приемник для реализации экспериментов просвечивания
на трассе СС→ОА. 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.
Такая аппаратура может применяться во всех отечественных межпланетных миссиях.
Актуальные задачи
для обеспечения качественно нового уровня исследований
в проекте ВЕНЕРА-Д.
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 исследований. Создание универсального многофункционального комплекса, необходимо для всех радиофизических экспериментов: и для радиолокации, и для
бистатической локации, и для радиопросвечивания на нескольких трассах
Земля → ОА, Земля → СС, СС → ОА.
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