Радиоастрономическая юстировка радиотелескопов комплекса «Квазар» в полусфере

Технология радиоинтерферометрических наблюденийй со сверхдлинными базами (РСДБ), предложенная в СССР и реализованная в начале 70-х годов совместными усилиями СССР и США [1], является в настоящее время самым мощным и универсальным средством наземной астрономии. Она используется развитыми странами для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач, которые требуют высокоточных координатно-вре-менных и навигационных данных.

Данные, получаемые с помощью РСДБ-технологии, эквивалентны по пространственно-временному разрешению, данным, которые могут быть получены лишь с помощью радиотелескопа с диаметром зеркала порядка десяти тысяч километров. Современный потенциал такого глобального радиотелескопа — радиоинтерферометра со сверхдлинной базой, минимум на три порядка превышает потенциал существующих оптических наземных средств и составляет [2]:

• десятые доли миллисекунды дуги при определении координат радиоисточников и микросекунды дуги при построении их изображений;

• микросекунды дуги при определении параметров Солнечной системы;

• миллиметры при определении трехмерных координат точек земной поверхности и глобальных расстояний, включая расстояния между континентами;

• миллиметры в год при определении движения точек земной коры, в том числе глобальных тектонических движений;

• миллиметры и десятки микросекунд при определении параметров вращения Земли (координат полюса, всемирного времени, длительности суток, прецессии и нутации);

• десятки пикосекунд при синхронизации атомных шкал времени, разнесенных на глобальные расстояния.

В настоящее время РСДБ-технология во всем мире рассматривается, как базовая технология для получения координатно-временной информации в интересах:

• таких фундаментальных наук, как астрометрия, небесная механика, эфемеридная астрономия, геодинамика, геофизика, астрофизика и космология,.

• таких прикладных наук, как геодезия, космическая навигация в ближнем и дальнем космосе, метрология, сейсмология, климатология и океанография, телекоммуникации.

РСДБ-технология поддерживает своими данными: системы точного времени, глобальные навигационные спутниковые системы, системы управления транспортом, широкополосные системы связи и высокоскоростные системы передачи данных.

По этой причине данные высокоточных координатно-временных измерений, а также технические средства РСДБ-измерений помимо той роли, которую они играют в фундаментальных исследованиях, с годами все в большей степени приобретают народно-хозяйственное (прикладное) значение.

В 1988 г. Институт прикладной астрономии АН СССР (ныне — ИПА РАН) начал разработку проекта радиоинтерферометрического комплекса «Квазар», по которому предполагалось создать шестиэлементный радиоинтерферометр, заполнявший территорию страны по долготе и широте. Это обеспечивало независимость России от других стран при решении важных национальных задач и одновременно давало возможность для эффективного включения сети в международное радиоинтерферометрическое сообщество в рамках крупных международных астрометрических, геодинамических и астрофизических программ.

Однако после распада СССР и расширения международной кооперации было принято решение ограничиться строительством трех обсерваторий. К настоящему времени эти три обсерватории комплекса «Квазар» построены в поселке Светлое Приозерского района Ленинградской области, вблизи станицы Зеленчукская Карачаево-Черкесской Республики и в урочище Бадары Республики Бурятия. В результате образовался трехэлементный РСДБ-комплекс с размерами баз 2015×4282×4405 км, с центром управления в Санкт-Петербурге, где ведется первичная обработка данных и их анализ. Такая геометрия сети была выбрана исходя, прежде всего, из содержания астрометрических и геодезических задач, требующих наличия экваториальных и полярных проекций баз и большой общей зоны видимости радиотелескопов для источников с широким диапазоном склонений.

Кратко опишем типичную обсерваторию комплекса «Квазар» [3] (рис. 1), чтобы дать некоторое представление о ее технических средствах и возможностях при работе в радиометрическом и радиоинтерферометрическом режимах.

Рис. 1. Обсерватория «Светлое».

Основной элемент обсерватории — полноповоротный прецизионный радиотелескоп с зеркалом диаметром 32 м, который, как показал анализ, является во многих отношениях оптимальным при угломерных наблюдениях.

Антенна радиотелескопа была спроектирована специально для комплекса «Квазар», поскольку астрометрические и геодинамические задачи предъявляли особые требования к конструкции и динамическим качествам этого прецизионного астрометрического и геодезического инструмента. Она построена по модифицированной схеме Кассегрена с основным квазипараболическим зеркалом (фокусное расстояние 11.4 м) и вторичным зеркалом (контррефлектором), представляющим собой модифицированный гиперболоид вращения диаметром 4 м, с одной плоскостью симметрии. Основная и очень оригинальная идея этой конструкции состоит в том, что вторичное зеркало, его приводы и опоры физически «развязаны» с конструкцией зеркала и опираются на опорно-поворотное устройство радиотелескопа независимым образом. Такое техническое решение обеспечивает сохранение формы зеркала и его минимальные искажения, которые возникают при наклонах к горизонту. Впервые в истории отечественного телескопостроения азимутальное движение антенны осуществляется по рельсовому кольцевому пути. В соответствии с этим азимутальный привод выполнен в виде дискретно-фрикционной многоприводной системы, состоящей из четырех спаренных тележек, движущихся по рельсовому пути. Тележки воспринимают только силы, действующие вертикально: вес и вертикальные составляющие влияния ветра и опрокидывающего момента, а горизонтальные силы действуют на центральную азимутальную опору. Данная система позволяет улучшить стабильность положения вертикальной оси при вращении, повысить точность сопровождения источника, существенно снизить вес металлоконструкций, упростить монтаж антенной системы и ее эксплуатацию [4].

Цифровая система наведения радиотелескопа и сопровождения радиоисточников, разработанная ИПА РАН на базе компьютерных плат американских фирм Octagon и Fastwel с программным обеспечением в операционной среде Linux, дает возможность наблюдать медленные (естественные) и быстрые (искусственные) радиоисточники с точностью не хуже 5″ при скорости ветра до 20 м/с. Эта система реализует алгоритм управления (ПИД-алго-ритм), благодаря которому конструкция радиотелескопа массой более 700 т движется достаточно быстро и без заметных автоколебаний [5].

В связи со способностью радиотелескопа работать на различных длинах волн, в нем, в отличие от классической схемы Кассегрена, впервые в России была применена система с подвижным вращающимся вторичным зеркалом (рис. 2). Это зеркало фокусирует принимаемое излучение в стороне от центра антенны, и при вращении его вокруг оси антенны фокальная точка описывает окружность. На этой окружности располагаются рупорные облучатели для различных длин волн, и быстрый переход с одной длины волны на другую осуществляется простым поворотом контррефлектора.

Рис. 2. Система облучения с подвижным вращающимся вторичным зеркалом.

Комплекс высокочувствительных криоэлектронных (охлаждаемых до водородных температур) приемных устройств (радиометров) на волны 1.35, 3.5, 6, 13 и 18 см) [6], позволяет принимать излучение от естественных космических источников и космических аппаратов. Для высокоточных позиционных наблюдений наиболее важны радиометры на волнах 3.5 и 13 см.

S/X-диапазон), которые в настоящее время приняты международным РСДБ-сообществом в качестве стандартных. Для исключения влияния ионосферы производится одновременный прием на этих длинах волн с помощью двух-волнового (совмещенного) рупорного облучателя.

Одна из важнейших характеристик радиотелескопа — низкие шумовые температуры, ибо высокая чувствительность системы по потоку позволяет уверенно регистрировать слабые источники, что, в свою очередь, дает возможность создавать каталоги радиоисточников, равномерно распределенных по небесной сфере, и эффективно использовать эти источники при дифференциальных измерениях для подавления влияния турбулентной тропосферы и нестабильности аппаратуры. Уже первые измерения показали, что шумовые характеристики радиотелескопов сети «Квазар» на разных длинах волн — одни из лучших в мире [7].

Для достижения низких шумовых температур (снижение уровня шума путем охлаждения) системы «телескоп — радиометр» усилительные устройства радиометров всех диапазонов располагаются в криостате и охлаждаются до температуры 20 К (водородный уровень) двухступенчатыми микрокриогенными системами замкнутого цикла охлаждения, которые позволяют снизить шумовые температуры радиометров практически до предельного уровня. Так, на фланцах криоблока они составляют от 5 К на длинных волнах до 20 К на волне 1.35 см [8].

Как уже говорилось, радиотелескопы комплекса «Квазар» работают в двух режимах — радиометрическом и радиоинтерферометрическом, обеспечивая тем самым решение задач не только координатно-временного обеспечения, но и астрофизических задач.

Радиометрические измерения ведутся одновременно в двух диапазонах частот в двух круговых поляризациях. Устройство цифровой регистрации информации разработано в ИПА РАН [9]. Этот модуль воспринимает полосу частот 100−1000 МГц, что позволяет подключать его к любым радиоастрономическим приемникам. Чувствительность устройства практически доведена до теоретического предела. Динамический диапазон, по сравнению с ранее существовавшей в России аппаратурой, увеличен на 10−12 дБ, а нелинейные искажения уменьшены в 3−4 раза. Это дает возможность применять модуль как для измерения весьма слабых, так и для анализа сильных сигналов.

Программное обеспечение, разработанное в ИПА РАН, полностью согласовано с системой MarklV Field System (NASA), принятой в качестве международного стандарта, обеспечивающего подготовку и автоматизацию РСДБ-наблюдений и работу с современными системами регистрации (Mark3-Mark5, VLB А, К4, S2).

В настоящее время в сети «Квазар» в качестве систем магнитной записи используются системы регистрации S2 (скорость регистрации 128 Мбит/с) и Mark4 (скорость регистрации 1 Гбит/с), поставленные Геодезическими службами Канады и NASA, что позволило обсерватории «Светлое» в 2003 г. активно включиться в работу по международным геодинамическим РСДБ-про-граммам.

Существенным элементом обсерваторий комплекса «Квазар» является система частотно-временной синхронизации, обеспечивающая временную привязку радиометрических и радиоинтерферометрических наблюдений. Эта система фактически превращает отдельные радиотелескопы в единый глобальный радиоинтерферометр. Она состоит из:

• водородных стандартов времени и частоты с нестабильностью 3 • 10″ 15 при времени осреднения 1000 с, хранящих размеры единиц времени (1 с) и частоты (1 Гц);

• формирователя шкал времени;

• аппаратуры привязки шкал времени по сигналам спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС с точностью не хуже 50 не;

• буферных усилителей опорных сигналов 5 МГц и фазостабильных линий их передачи;

• аппаратуры контроля и измерения высокостабильных сигналов.

В эту систему также входят комплект синхронизируемых СВЧ-гетероди-нов с частотами 1.26, 2.02, 4.5, 8.08 и 22, 92 Гц и генератор пикосекунд-ных импульсов с длительностью 25−50 пикосекунд, амплитудой около 1 В и частотой следования 1 МГц. Высокостабильные гетеродины обеспечивают когерентное преобразование принимаемых СВЧ-сигналов к рабочему диапазону (100−1000 МГц), а генератор пикосекундных импульсов служит для контроля фазовых характеристик тракта от входа приемного устройства до системы регистрации.

На обсерваториях комплекса «Квазар» установлено также автоматическое метеорологическое оборудование, измеряющее в реальном времени с высокой точностью все метеопараметры (температура, давление, влажность и скорость ветра), которые необходимы при обработке и анализе радиоин-терферометрических наблюдений.

Все стандартные наблюдения выполняются в режиме программного управления оборудованием радиотелескопа. Также программно осуществляются планирование, подготовка, экспресс-анализ наблюдений и создание отчетной документации.

Особое значение имеет подготовка РСДБ-наблюдений, так как она объединяет различные радиотелескопы. При ее планировании применяются специальные программные пакеты, разработанные в США для планирования астрофизических и астрометрических наблюдений. С помощью этих пакетов обычно подготавливаются управляющие файлы, которые рассылаются по всем обсерваториям, участвующим в наблюдениях. Файлы содержат информацию о наблюдаемых источниках, их координатах, времени наблюдений, частотах настройки системы регистрации и других параметрах системы регистрации. Они поступают в управляющий компьютер, на котором установлена программная система MarklV Field System, адаптированная к разработанным в России техническим средствам. Эта система выделяет в управляющем файле информацию, относящуюся к данной обсерватории, и формирует подробную программу эксперимента. Таким образом, в настоящее время радиотелескопы комплекса «Квазар» способны воспринимать управляющие файлы международных РСДБ-сетей и, как следствие, без труда вписываться в международные наблюдательные программы.

Кроме того, управляющий компьютер снабжен средствами отображения текущего состояния всех систем и телекоммуникационными средствами дистанционного доступа к радиотелескопу и информационного обмена через глобальную сеть Интернет.

Первоклассные наблюдательные РСДБ-станции, которых сейчас в мире не более двух десятков, помимо чисто радиоинтерферометрических средств содержат и другие средства координатно-временных измерений. Такая кол-локация позволяет сравнивать результаты различных средств измерения, уменьшать влияние систематических ошибок, расширять класс исследуемых задач и изучать явления различных временных масштабов. Такой подход был принят и при создании комплекса «Квазар». Сейчас ее обсерватории оснащены геодезическими приемниками ГЛОНАСС и GPS, а обсерватория «Ба-дары» — системой DORIS.

Коррелятор, куда поступают первичные данные из обсерваторий, в определенном смысле фазовый центр сети «Квазар», ибо именно там когерентно складываются сигналы и вычисляются автокорреляционные и взаимокорреляционные функции видеосигналов, несущие информацию о структуре радиоисточника, его координатах и координатах радиотелескопа, а также о параметрах ориентации Земли и других геофизических, геодезических и радиофизических параметрах. В настоящее время он может обрабатывать данные, поступающие одновременно с трех пунктов с общей скоростью 384 Мбит/с.

Успех проведения радиоастрономического сеанса зависит от большого количества факторов, одним из наиболее существенных является правильное наведение радиооси телескопа на источник. Даже для идеально настроенного радиотелескопа остаются неучтенные поправки наведения, снижающие эффективность работы инструмента. В РСДБ сеансе существует опасность вообще не попасть диаграммой направленности антенны на источник, т.к. во время проведения наблюдений выходной сигнал радиотелескопа не контролируется. В радиометрии возможен контроль наличия источника в диаграмме, но при длительном сопровождении источника неверный учет статических поправок вызовет флуктуации выходного сигнала радиометра, что приведет к появлению артефактов и ухудшению реальной чувствительности. При этом целесообразно различать т. н. «динамические» ошибки наведения, вызванные неравномерным движением антенны относительно заданной траектории, и «статические» ошибки, являющиеся следствием отклонения истинного положения радиооси антенны от расчетного из-за различных факторов: неточностей изготовления конструкции антенны, ошибок датчиков положения, деформаций конструкции антенны и др. Такое разделение ошибок на «статические» и «динамические» необходимо для правильного понимания причин, вызывающих неудачи в наблюдениях. Данная работа посвящена решению проблемы уменьшения «статических» ошибок, определению причин их вызывающих и разработке методов их коррекции.

Вопросы, решаемые в диссертационной работе.

Введение

в эксплуатацию первых радиотелескопов комплекса «Квазар» в п. Светлом (Ленинградская обл.) и в ст. Зеленчукская (Карачаево-Черкесская республика) сопровождалось необходимостью настройки и исследования этих новых инструментов.

Целями настоящей диссертационной работы являются:

1. Разработка программно-аппаратных средств для проведения радиоастрономической юстировки и решения задач управления радиотелескопом.

2. Радиоастрономическая юстировка антенных систем РСДБ комплекса «Квазар» с целью достижения основных параметров по точности наведения, позволяющих, в том числе, включить радиоастрономические обсерватории «Светлое» и «Зеленчукская» в состав международных РСДБ-сетей.

В работе по реализации этих целей автор старался придерживаться следующей логики:

• формулировка проблемы обеспечения точности наведения радиотелескопа в различных режимах его работы,.

• выявление причин, вызывающих ухудшение точности наведения,.

• разработка блок-схемы аппаратного комплекса управления радиотелескопом, позволяющей решать как задачи обеспечения точности наведения, так и проводить методические исследования под управлением центрального управляющего компьютера радиотелескопа,.

• использование стандартного программного обеспечения РСДБ терминалов MarklV Field System (установленного на центральном компьютере) для решения задач наведения радиотелескопа,.

• разработка специального программного обеспечения центрального компьютера для управления периферийным оборудованием радиотелескопа, сбора данных и интерфейса оператора,.

• исследование метода радиоастрономической юстировки, применительно к антеннам комплекса «Квазар», выявление неучтенных эффектов ухудшающих точность наведения и разработка методик, компенсирующих эти неучтенные ошибки,.

• проведение радиоастрономической юстировки в полусфере радиотелескопов в обсерваториях «Светлое» и «Зеленчукская», определение моделей поправок во всех рабочих диапазонах длин волн.

Работа по представленному выше плану проводилась, начиная с 1995 года по настоящее время.

Научная новизна работы.

1. Разработана структура программно-аппаратного комплекса, позволяющего проводить автоматическую радиоастрономическую юстировку, а также наблюдения в радиометрическом и радиоинтерферометрическом режимах без введения дополнительных поправок в процессе наблюдения.

2. Впервые в нашей стране выполнена автоматизированная радиоастрономическая юстировка радиотелескопов в полусфере и построена аналитическая модель систематических поправок наведения.

3. Разработана методика измерения характеристик нелинейности датчиков положения (индуктосинов).

Научная и практическая значимость работы.

1. Произведенная радиоастрономическая юстировка радиотелескопов РСДБ-комплекса «Квазар» в полусфере позволила начать регулярные наблюдения в составе международных РСДБ-сетей и в режиме одиночного радиотелескопа.

2. Реализована программная коррекция нелинейности датчиков положения радиотелескопов комплекса «Квазар», в результате чего была достигнута точность наведения порядка единиц угловых секунд.

3. Разработан программно-аппаратный комплекс для управления радиотелескопом и регистрации радиоастрономических данных, обеспечивающий наблюдения в режиме одиночного радиотелескопа.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Программно-аппаратный комплекс для проведения радиоастрономической юстировки радиотелескопа с асимметричным контррефлектором в полусфере и управления процессом наблюдений в составе РСДБ-сети и в режиме одиночного радиотелескопа.

2. Результаты радиоастрономической юстировки радиотелескопов комплекса «Квазар» в обсерваториях «Светлое» и «Зеленчукская» (модели поправок в четырех частотных диапазонах), обеспечивающие требуемую точность наведения и давшие возможность начать регулярные наблюдения в интерферометрическом и радиометрическом режимах работы радиотелескопов.

3. Методика и результаты измерения нелинейности датчиков положения антенн радиотелескопов комплекса «Квазар», позволившие осуществить программную компенсацию ошибок сопровождения, вызванных нелинейностью этих датчиков и, тем самым, улучшить точность наведения в 3 раза.

Апробация работы.

Результаты, полученные в диссертации, представлялись на XXVI Радиоастрономической конференции (С.-Петербург, 18−22 сентября 1995 г.), XXVII Радиоастрономической конференции (С.-Петербург, 10−14 ноября 1997 г.), конференции «Астрометрия, геодинамика и небесная механика на пороге XXI века» (С.-Петербург, 19−23 июня 2000 г.), Международной конференция «Солнце в максимуме активности и солнечно-звездные аналогии» (С.-Петербург, 17−22 сентября 2000 г.), Всероссийской Астрономической конференции (С.-Петербург, 6−12 августа 2001 г.), Всероссийской конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение» (С.-Петербург, 11−15 апреля 2005 г.) и обсуждались на научных семинарах ИПАРАН.

Результаты проведенных автором исследований реализованы в ИПА РАН при вводе в действие радиотелескопов обсерваторий «Светлое» и «Зеленчук-ская» радиоинтерферометрического комплекса «Квазар».

Публикации и вклад автора.

Основные результаты диссертации опубликованы в 27 работах [5−31] (10 статьях, 15 тезисах и 2 технических отчетах) общим объемом 355 страниц, 21 работа написана совместно с другими авторами.

В работах по устройствам радиометрической регистрации [9,19,21] автору принадлежит участие в формулировке требований к устройству, участие в испытаниях устройства, практическая реализация программ для внешнего управления.

В работах, посвященных наблюдательным программам в режиме одиночного телескопа [11,14,16,24,25,28], автору принадлежит реализация алгоритма наблюдений на центральном компьютере радиотелескопа, а в работах [24,25,28] — также непосредственное участие в проведении наблюдений и обработке результатов.

В работах [12,13] автору принадлежит описание разработанных им компонентов аппаратно-программного комплекса управления радиотелескопом.

В работе [5] автору принадлежит участие в формулировке требований к системе контроля и управления антенной, непосредственное участие в отладке и испытаниях системы.

В работах по СВЧ приемному комплексу [6−8,10,17,18,20,29−31] автору принадлежит непосредственное участие в разработке и исследованиях аппаратуры приемного комплекса.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации 170 страниц. Диссертация содержит 10 таблиц, 62 рисунка и список литературы из 60 наименований.

1. Основные требования к точности наведения радиотелескопов и способы обеспечения точности 1.

2. Радиотелескопы комплекса «Квазар» Радиотелескопы комплекса «Квазар» расположены в пос. Светлое Ленинградской области, в станице Зеленчукской Карачаево-Черкесской республики и в урочище Бадары, республика Бурятия (рис.3). Географические координаты мест расположения радиотелескопов приведены в таблице.

3. Конструкции трех радиотелескопов практически одинаковы [4], за исключением размеров и расположения азимутальной кабины с аппаратурой на антенне в обсерватории «Светлое». Антенна радиотелескопа представляет собой полноповоротный параболоид с несимметричным вторичным зеркалом-контррефлектором (рис. 4). Основное назначение радиотелескопов проведение астрометрических геодинамических и геофизических РСДБ наблюдений в диапазонах длин 25.