А. В. Ипатов, М. Е. Варганов



Скачать 384.02 Kb.
Pdf просмотр
Дата12.02.2017
Размер384.02 Kb.
Просмотров291
Скачиваний0

19
А.В. Ипатов, М.Е.

Варганов

Институт прикладной астрономии Российской академии наук

Радиоинтерферометрический комплекс «Квазар-КВО» как основа
координатно-временного обеспечения и фундаментальной поддержки
системы ГЛОНАСС
В статье приведены основные данные о современном состоянии
исследований методами РСДБ для астрометрии и прикладной астрономии.
Приведены примеры реализации основных устройств, определяющих
чувствительность радиотелескопа, для указанных целей.

Ключевые слова
Радиоинтерферометр, РСДБ-технологии, РСДБ-комплекс,
РСДБ-коррелятор, радиотелескоп

Метод радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ), предложенный российскими учеными в 1965 г, через два года был реализован в США и Канаде, после чего началось быстрое развитие РСДБ-технологий и все более широкое их использование как в фундаментальных научных исследованиях, таки в решении конкретных научно-технических задач в различных отраслях хозяйства. В настоящее время активно проводятся РСДБ-наблюдения по международными национальным программам. В глобальную РСДБ-сеть IVS, например, входят более 40 радиотелескопов, расположенных на всех континентах и на некоторых островах мирового океана, а в европейскую сеть EVN — более 20 радиотелескопов. Отдельные радиотелескопы в России длительное время могли лишь участвовать в РСДБ- исследованиях совместно с зарубежными радиотелескопами, но ситуация кардинально изменилась в лучшую сторону после завершения строительства трехметровых радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО» (2008 г) и ввода в эксплуатацию центра кореляционной обработки данных (ЦКО РАН) в Санкт-Петербурге (2010 г. Комплекс «Квазар-КВО» представляет Россию в международном РСДБ-сообществе и активно участвует практически во всех РСДБ-наблюдениях, проводимых по международным программами и по российским программам, а также участвует в некоторых исследованиях, проводимых в регионе Азии и Австралии. Работа РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» в кооперации с международной РСДБ сетью
IVS, обеспечивает Россию данными о Всемирном времени, о параметрах вращения Земли (ПВЗ) — координатах полюсов, прецессии и нутации, а также о наземной и небесной системах отсчета координат [1], [2]. На основе широкой международной кооперации была создана, поддерживается и распространяется международная земная система координат (ITRF/ITRS) [3]. Эта система создавалась с использованием четырех основных технологий космической геодезии — глобальных навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС, РСДБ, спутниковой лазерной локации и доплеровской системы DORIS. Такие же технологии использовались и при создании национальных геодезических систем координат — ПЗ-
90.02 в России ив США.

20 Для выполнения фундаментальных научных исследований и решения важнейших прикладных задач, поставленных хозяйственными и оборонными отраслями страны, большое значение имеет оперативная информация о Всемирном времени и ПВЗ. Такую информацию дают с разной точностью и оперативностью и спутниковые навигационные системы, и лазерная локация, но только РСДБ позволяет измерить все ПВЗ и Всемирное время и непосредственно установить связь земной и небесной систем координат. Причем РСДБ дает наиболее устойчивые результаты измерений и лучше других методов подходит для поддержания долговременной стабильности рядов ПВЗ. Потому РСДБ-технологии стали основой координатно- временного и эфемеридного обеспечения навигационной системы ГЛОНАСС [3], [4]. Повышение точности и оперативности получения от средств фундаментальной поддержки данных о текущих значениях Всемирного времени и ПВЗ является необходимым условием повышения точности глобальной навигационной системы
ГЛОНАСС до уровня, достигнутого американской системой GPS. Комплекс «Квазар-КВО», работая в автономном режиме, в настоящее время измеряет Всемирное время со среднеквадратической погрешностью 70 мкс один разв сутки, а координаты полюса — с погрешностью 3 см один разв неделю. Для повышения точности данных о ПВЗ и Всемирном времени, получаемых комплексом средств фундаментального обеспечения (КСФО) системы ГЛОНАСС, во всех обсерваториях комплекса «Квазар-КВО» установлены спутниковые лазерные дальномеры типа «Сажень-ТМ» и беззапросные измерительные станции (БИС, а в обсерватории «Бадары» — еще и станция космической системы DORIS. Разработанные методики совместной обработки (колокации) данных, полученных от РСДБ-комплекса и от указанных систем, позволили уменьшить систематические ошибки и еще больше повысить точность определения Всемирного времени. Такие точности и быстродействие приемлемы для системы ГЛОНАСС на данном этапе ее развития, но для дальнейшего повышения точности этой системы необходимы более точные и оперативные данные от КСФО. В течение ближайших трех лет необходимо реализовать мониторинг Всемирного времени с периодом обновления данных 6–8 часов с уменьшенной до 10 мкс погрешностью измерений. При этом подразумевается автономная работа РСДБ-комплекса, без привлечения зарубежных радиотелескопов. Координаты полюса должны определяться ежесуточно с погрешностью не более 1 см. На первом этапе такую точность определения ПВЗ предполагается достичь в рамках международной кооперации, нов дальнейшем по мере развития российской РСДБ-сети на малых антеннах эта задача будет решаться автономно. Оперативный мониторинг ПВЗ и Всемирного времени требует проводения суточных сеансов наблюдений не реже 1 раза в неделю и часовых сеансов 3–4 раза ежедневно. Радиотелескопы с большими антеннами длительное время работать в таком режиме не могут, так как почти не остается времени для текущего регламентного обслуживания радиотелескопов и практически исключается возможность даже небольшого технического обслуживания, ремонта или модернизации оборудования. Использование уникального РСДБ–комплекса «Квазар-КВО» для оперативного мониторинга Всемирного времени и ПВЗ привело бык резкому сокращению РСДБ-

21 исследований в интересах фундаментальных наук – астрометрии, астрофизики, эфемеридной астрономии и др. Поэтому первостепенной задачей стало создание специализированного радиоинтерферометра с антеннами небольшого (12–13 м) диаметра. Основной проблемой разработки радиоинтерферометров нового поколения является сохранение и даже некоторое повышение чувствительности интерферометра при переходе к небольшим антеннам. Это может быть достигнуто за счет улучшения качества антенн, снижения шумовой температуры Т
ш приемной системы, значительного расширения полос пропускания Δf каналов системы преобразования сигналов (СПС) и уменьшения аппаратурных потерь когерентности принимаемых сигналов. Профиль метровой антенны, работающей в диапазоне частот 2–40 ГГц, должен выдерживаться с точностью 0.3 мм, а коэффициент использования поверхности должен быть не ниже
0.7–0.8. Чтобы уменьшить Т
ш
. разрабатывают модули облучателей, в которых до водородного уровня (20 К) охлаждаются не только малошумящие широкополосные усилители (МШУ), но и элементы облучателя, входные преобразователи волн и поляризаторы. Не менее эффективно и расширение полос пропускания каналов СПС, поскольку чувствительность радиоинтерферометра увеличивается пропорционально корню квадратному из полосы регистрации. В современных СПС шумовые сигналы оцифровываются для регистрации на видеочастотах (Δf ≤ 16 МГц, а в новых системах это должно выполняться в каналах промежуточных частот с полосами Δf = 0.5 ГГц или
1 ГГц [5], [6]. Улучшение амплитудночастотных и фазочастотных характеристик каналов и спектральных характеристик гетеродинов также дает заметный вклад в повышение чувствительности Для повышения точности угловых измерений увеличивают быстродействие систем наведения антенн, что позволяет почти вдвое увеличить число наблюдаемых в течение сеанса источников излучения. Скорость вращения антенн по азимуту должна быть не менее 12 град./с, при ускорениях до 5 град./с, а по углу места — 6 град./с и
3 град./с соответственно. Пределы поворота по азимуту ± 270° и по углу места 5–88°. Погрешности наведения и сопровождения не должны превышать 45 и угловых секунд соответственно. Другой резерв повышения точности измерений — увеличение числа приемных каналов и расширение общей полосы частот B
f
, в которой принимаются сигналы. Большое значение имеют также совершенствование методов и аппаратуры фазовой и амплитудной калибровки каналов и систем измерения задержек сигналов, точность совмещения шкал времени радиотелескопов и повышение стабильности опорных частот и единиц времени (секунд, используемых на радиотелескопах. Современные стандарты частоты имеют суточную нестабильность частоты (1–3)·10
–15
, но уже разрабатываются стандарты с нестабильностью Для оснащения радиотелескопов разрабатывается радиометр водяного пара, который позволит точнее учитывать влияние влажности атмосферы.

22 Информационный поток данных, получаемых с каждого радиотелескопа РСДБ- сети, увеличивается с 0.5–1 Гбит/с до 8–16 Гбит/с. Это требует разработки соответствующих устройств буферизации данных и программных РСДБ-корреляторов, увеличения скорости передачи данных по линиям радиотелескоп – коррелятор.
ИПА РАН планирует разработать и изготовить в 2014 г. опытные образцы радиотелескопов с метровыми антеннами ив г. ввести в действие радиоинтерферометр с базой 4405 км (Зеленчукская – Бадары) для оперативного измерения Всемирного времени. В те же сроки будет разработан программный коррелятор для радиоинтерферометра. В последующие 2–3 года планируется установить радиотелескопы с малыми антеннами около Калининграда и Уссурийска, что существенно повысит точность измерений Всемирного времени за счет увеличения базы до 6900 км. Более широкие исследования, включая измерения ПВЗ, будут проводиться в кооперации с зарубежными радиотелескопами, а после развития отечественной РСДБ-сети на малых антеннах — автономно. За рубежом такую сеть планируют создать в 2017 г. [7]. В настоящее время в ИПА РАН разрабатываются основные компоненты радиотелескопа охлаждаемый блок многодиапазонного облучателя со встроенными
МШУ для метровой антенны, микроэлектронные блоки усиления и преобразования частот сигналов, цифровая СПС с широкополосными (0.5 ГГц) каналами, средства буферизации и передачи данных, системы управления и контроля. Для двухэлементного радиоинтерферометра на малых антеннах проектируется программный РСДБ-коррелятор типа FX на базе серверов IBM HX5 с ядерными разрядными процессорами Intel Xeon 7500, работающими с тактовой частотой
2.2 ГГц. На рис. 1 показан макет охлаждаемого облучателя с МШУ на диапазоны волн
(8.5–9.1 ГГц) и (2.15–2.4 ГГц, у которых Т
ш
= 14 К и 11 К соответственно. Кольцевая антенна соединена со ступенью охладителя, имеющей температуру
20 Ка азотный экран криостата — со ступенью, имеющей температуру 80 К. Первые каскады усилителей охлаждающиеся до температуры 20 К имеют коэффициент усиления 30 дБ. Суммарная шумовая температура системы должна составлять 20 –
25 К.
Рис. 1. Внешний вид сборки микроохладителя, облучателея и МШУ

23 Расчетные значения шумовой температуры на входе воcьмиканального фокального блока по диапазонам представлены в табл. 1.
Таблица 1. Расчетная шумовая температура на входе фокального блока
Диапазон
Вклад в шумовую температуру, К
Итого
Т
ш
, K Укрытие Облучатель Кабель облуч.** Вентиль КриоМШУ
Теплоразв. кабель
Гермо- ввод Кабель
БПЧ
S
3 3
0.11 1.53 3.47 0
0 0.01 0.06
11
C
3 3
0.37 0.76 4.49 0.01 0
0.02 0.26
12
X
3 3
0.85 0.78 5.78 0
0.01 0.04 0.06
14
Ku
3 3
1.04 0.79 7.02 0.02 0.01 0.04 0.88
16
На рис. 2 показан макет цифровой СПС, состоящей из комплекта СВЧ конверторов на заданные диапазоны волн и канального модуля цифрового преобразования сигналов
(МЦПС). Каждый СВЧ конвертор, собранный из двух или трех интегрально-гибридных микросборок, переносит спектр сигнала из принимаемого участка диапазона 2.2–14 ГГц в диапазон ПЧ 1–1.5 ГГц, в котором работают каналы цифрового преобразования сигналов
(КЦПС) с полосами
Δf
= 512 МГц, сформированные на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС. С каждого канала снимается поток данных с информационной скоростью 2 Гбит/с в формате VDIF, рекомендуемом для новых РСДБ-комплексов. Эти потоки по волоконно-оптическим линиям передачи (ВОЛП) поступают в систему буферизации и передаются далее в РСДБ-коррелятор.
Рис. 2. Цифровая система преобразования сигналов
Во всех этих разработках важнейшую роль играют молодые специалисты, в том числе выпускники СПбГЭТУ. Значительный вклад в повышение профессионального уровня молодых специалистов ив подготовку научных кадров вносит базовая кафедра Радиоастрономия. Новые задачи, поставленные жизнью перед ИПА РАН, требуют более широкого привлечения к разработками научным исследованиям молодых специалистов и более тесного сотрудничества с кафедрами вузов.

24 Библиографический список
1. Финкельштейн А. М. Фундаментальное координатно-временное обеспечение // Вестник РАН. – М Наука. Т. 77. № 7. С. 608–617.
2. Финкельштейн А. М, Ипатов А. В, Скурихина Е. Аи др. Фундаментальное координатно- временное обеспечение системы ГЛОНАСС средствами РСДБ-сети «Квазар-КВО» // Труды ИПА РАН – СПб.; Наука, 2007. № 17. С. 3–23.
3. Лаверов Н. П, Крутиков В. Н, Финкельштейн А. М. Фундаментальный сегмент координатно- временного и навигационного обеспечения // Труды ИПА РАН – СПб.; Наука, 2009. № 20. С. 41–55.
4. Лаверов Н. П, Шилов А. Е, Крутиков В. Ни др. Взгляд на координатно-временное и навигационне обеспечение России // Труды ИПА РАН – СПб.; Наука, 2009. № 20. С. 11–19.
5. Федотов Л. В, Кольцов НЕ. РСДБ-терминалы комплекса «Квазар-КВО» // Труды ИПА РАН –
СПб.; Наука, 2007. № 16. С. 298–302.
6. Федотов Л. В, Кольцов НЕ, Гренков С. А, Носов Е. В. Цифровая радиоинтерферометрическая система преобразования сигналов // Приборы и техника эксперимента, 2010. № 5. С. 60–66.
7. Hase H., Behrend D., Ma C. et. al. The Future Global VLBI2010 Network of the IVS // Proc/ of the 20
th
Meeting of the European VLBI Group for Geodesy and Astronomy. March 29-30, 2011. Bonn. ISSN 1864-
1113. P. 78–81.



Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал