РСДБ ::: Обработка РСДБ-данных и определение характеристик объектов "космического мусора"

Метод радиолокационной длиннобазовой интерферометрии (РСДБ-локации) состоит в облучении исследуемых объектов радиосигналами мощного передатчика и приеме отраженных сигналов комплексом антенн в РСДБ-режиме. Целью исследований является изучение как объектов солнечной системы (астероидов и планет), так и объектов "космического мусора" (нефункционирующх космических аппаратов (КА)) в околоземном космическом пространстве.

Эксперименты по развитию метода РСДБ-локации проводятся с 2001 г. на Низкочастотной сети LFVN (Low Frequency VLBI Network), которая объединяет планетный радиолокатор в Евпатории (антенна РТ-70, НЦУИКС, РИНАНУ, Украина), приемные пункты РСДБ: Медвежьи Озера (ТНА-1500, ОКБ МЭИ, Россия), Ното (РТ-32, Италия), Урумчи (РТ-25, Китай), Симеиз (РТ-25, Украина) и др. и центр обработки РСДБ-данных в Нижнем Новгороде (Россия).

Во время сеансов РСДБ-локации исследовались эхо-сигналы от каталогизированных объектов и отрабатывалась методика измерений и обработки данных для поиска неизвестных тел на околоземных орбитах. Подготовка целеуказаний и предварительный расчет орбит лоцируемых объектов проводились в Баллистическом центре института прикладной математики им. Келдыша.

Корреляционная и спектральная обработка РСДБ-данных выполнялась в ФГНУ "НИРФИ" на корреляторе "НИРФИ-3". В число основных задач обработки включалось измерение частоты Доплера, частоты интерференции и задержки при локации линейно-частотно-модулированным сигналом; по полученным данным в Баллистическом центре ИПМ им. Келдыша проводился расчет параметров орбит. Рассмотрен способ получения информации об общем состоянии космического аппарата по результатам первичной обработки: скорости вращения, направления и стабильности оси вращения, размерах, наличии отдельных отражающих фрагментов на корпусе объекта и т.д.

Основные этапы корреляционной обработки

Обработка эхо-сигналов выполняется в несколько этапов и на сегодняшний день представляет собой установившуюся схему обработки РСДБ-данных, которая применяется в НИРФИ.

1.
На первом этапе проводится автокорреляция записанного сигнала в каждом пункте и его спектральный анализ для определения наличия отраженного сигнала от лоцируемого объекта на ожидаемой частоте.

По результатам автокорреляции определяется также наличие помех и паразитных сигналов в приемной системе.

Пример спектра мощности результата автокорреляции эха, принятого в пункте Медвежьи Озера, представлен на рис.1.

На втором этапе выполняется корреляция сигнала передатчика (или модели излученного сигнала) и эхо-сигнала, принятого в каждом приемном пункте. Результат корреляции подвергается спектральной обработке (режим бистатической локации).

По частоте максимума спектрального отклика с высокой точностью определяется частота Доплера, которая несет информацию о скорости движения объекта. В стадии отладки находится процедура измерения дальности по геометрической задержке с использованием при локации линейно-частотно-модулированного сигнала.

На рис.2 приведены спектрограммы для последовательных во времени участков корреляционного сигнала при приеме в Медвежьих Озерах эха крупного объекта на геостационарной орбите.

На последнем этапе обработки вычисляется взаимная корреляционная функция эхо-сигналов для всех баз сети (режим РСДБ) и выполняется спектральный анализ

Измеряемыми пара-метрами являются частота интерференции, которая несет информацию о скорости движения объекта, и задержка для определения координат объекта (при использовании ЛЧМ-сигнала).

Примеры кросс-корреляционных спектров эхо-сигналов от спутника («Космос-1366»), полученных в режиме РСДБ одновременно на трех базовых линиях комплекса Медвежьи Озера – Ното – Урумчи, показаны на рис.3.

Получение некоординатной информации о лоцируемом объекте

На примере данных эксперимента VLBR 03.10 (2003 г.) рассмотрен способ определения периода вращения, размеров объекта, направления оси вращения, стабильности параметров вращения по результатам первичной обработки.

1. РСДБ-аппаратура пункта в Медвежьих Озерах оснащена дополнительным каналом записи интенсивности принимаемого сигнала (радиометрический режим). Временные зависимости интенсивности отраженного сигнала от аппарата "Радуга-9" построены на рис.4а, 5а. Кривые имеют четко выраженный импульсный характер. Предполагается, что сигнал отражается блестящим пятном на корпусе аппарата; периодичность обусловлена вращением объекта, что дает возможность определения его периода вращения.

2. С помощью Фурье-анализа каждого импульса оцениваются линейные размеры отражающей области исследуемого аппарата. Для объекта "Радуга-9" выделена область протяженностью 5 м, на ее фоне выделяются 2 более ярких пятна 1.5-2м. (рис.6)

3. Исследована возможность оценки периода вращения объектов из анализа амплитуды взаимно-корреляционных спектров сигнала передатчика и сигнала, отраженного от объекта и принятого в каждом пункте РСДБ-сети.

На рис.4b,4c и 5b,5c приведены временные зависимости максимума спектра, полученные в результате корреляционной обработки сигналов пунктов Урумчи (принятый сигнал) - Евпатория (излученный сигнал) и Медвежьи Озера (принятый сигнал) - Евпатория (излученный сигнал) по результатам двух сканов по аппарату "Радуга-9", которые проводились с интервалом в трое суток.

По корреляционному сигналу в Медвежьих Озерах определяется период вращения КА, равный 82 с. Отчетливо видно, что в сигнале Урумчи-Евпатория нечетные импульсы "развалились“ (рис.4с, 5с). Это указывает на то, что на объекте находятся два крупных отражающих фрагмента с несколько различной ориентацией в пространстве, и период вращения объекта следует считать равным 166 с. Четкая периодичность появления импульсов указывает на стабильность оси вращения аппарата.

Характер сигнала за трое суток практически не изменился, что также свидетельствует о стабильности параметров вращения. Это же подтверждают данные рис.7, где приводится временная зависимость максимума кросс-корреляционного спектра, полученного на базе Урумчи-Медвежьи Озера, для двух сканов.

Существенные отличия радиометрического канала и корреляционной обработки проявляются при быстром вращении объектов. На рис.8 для четвертой ступени ракетоносителя "Протон" по радиометрическому сигналу период вращения оценивается как ~3 с. В корреляционном канале Медвежьих Озер виден сильный сигнал от всего аппарата с характерными всплесками от ярких фрагментов. Характер корреляционного сигнала пункта Урумчи сильно меняется: наблюдается периодическое появление сигнала от корпуса с всплесками от ярких фрагментов длительностью около 30 с.

Данное обстоятельство можно интерпретировать как быстрое вращение аппарата с биением оси вращения. На быстрое вращение указывает значительное до (200 Гц) размывание спектра (рис.9)

4. Информация о направлении оси вращения объекта может быть получена из результатов взаимной корреляции эхо-сигналов для всех баз сети (РСДБ-режим).

Примеры кросс-спектров эхо-сигналов от аппарата "Космос-1366", принятых на базах Медвежьи Озера - Ното, Медвежьи Озера - Урумчи, Урумчи - Ното приведены на рис.3. (Графики интенсивности сигнала в Медвежьих Озерах, а также временные зависимости амплитуды спектра (при корреляции принятого эха и излученного сигнала) построены на рис.10) .

При введении дополнительного временного сдвига сигнала одного пункта относительно другого при кросс-корреляционной обработке обнаружено существенное смещение максимумов кросс-спектров, измеренных на различных базах интерферометрического комплекса. Временная зависимость спектрального максимума кросс-корреляционного сигнала на трех базах показана на рис.11.

Сдвиг максимума для трех баз относительно начальной точки отсчета t₀=22:23:11 при наблюдении КА "Космос 1366" составил –3.35 с для базы Медвежьи Озера – Ното, +1.65 с для базы Медвежьи Озера –Урумчи, –5.5 с для базы Ното – Урумчи (рис.11). Данный факт указывает на то, что максимум отраженного сигнала последовательно проходит через три приемных пункта. Это обстоятельство позволяет провести расчет направления оси вращения лоцируемого объекта в предположении, что ориентировочно известны средняя дальность R_ср до КА, его координаты и период вращения Т_вр.

При интерпретации смещения максимумов кросс-корреляционных спектров между тремя пунктами предполагается, что ширина диаграммы рассеяния объекта захватывает сразу все три пункта, но существенно разными по уровню участками. При вращении объекта максимум диаграммы рассеяния последовательно проходит пункты приема.

Для конфигурации системы “КА - РСДБ-комплекс” рассчитываются величины проекций баз на картинную плоскость источника (рис.12).

Скорость движения “пятна” диаграммы рассеяния:

Время, за которое “пятно” дойдет от одного приемного пункта до другого:

или для проекций баз на картинную плоскость:

B_ij⁰ – величина базовой линии между пунктами на картинной плоскости,
B_ij – проекция базы на направление движения “пятна”,
γ_ij – угол между вектором базы и направлением движения “пятна” диаграммы рассеяния.

Для “треугольника” баз Медвежьи Озера – Ното – Урумчи получены следующие значения углов γ (рис.13):

γ(МО-У)= 73°, γ(МО-Н)= 41°, γ(Н-У)= 55°,

При отсчете от направления линии базы Ното – Урумчи значения углов равны 55,7°, 63° и 55°, т.е. среднее значение угла, под которым движется максимум сигнала относительно базы Ното – Урумчи, равно 57,9° и определяется с максимальной ошибкой менее 5°, которая зависит, в основном, от погрешности определения временных задержек появления максимума сигнала на пунктах. Вектор оси вращения аппарата направлен перпендикулярно этой линии. Развитие данной методики позволит получить более полные сведения о параметрах вращения исследуемых объектов.

Работа поддержана грантом РФФИ №05-02-16838.

Документ предоставил Игорь Молотов

Размещен 19 сентября 2006.


Евпатория РТ-70, НЦУИКС, Украина	Медвежьи Озера РТ-64, ОКБ МЭИ, Россия	Ното РТ-32, Италия	Урумчи РТ-25, Китай	Симеиз РТ-22, КРАО, Украина