Главная Новости ПулКОН РСДБ Обсерватории Публикации About us Контакт

Радиоинтерферометрия со сверхбольшими базами (РСДБ) – история, состояние и аппаратура.

И. Е. Молотов
Введение.

До сих пор радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ) является самым передовым радиоастрономическим методом, используемым в самых различных областях научных исследований. Радиоинтерферометрические системы создаются для получения более высокого углового разрешения, чем это доступно для антенн со сплошной апертурой. Одна из крупнейших в мире полноповоротная 100-метровая антенна в Эфельсберге, Германия на волне 10 см создает угловое разрешение 10-3 радиан (~3 мин. дуги). Для исследования с более высоким разрешением на этой длине волны пригодны только радиоинтерферометрические системы. Классический радиоинтерферометр строится по принципу объединения двух или более полноповоротных антенн, с идентичными приемными устройствами и линиями связи, обеспечивающими сохранение когерентности принимаемых в разных пунктах сигналов при их передаче в центр корреляционной обработки. Самый крупный радиоинтерферометр такого типа - MERLIN (см. рис. 1), который расположен в Англии, имеет максимальную длину базы 217 км, объединяет 6 антенн диаметром от 25 м до 76 м, работает в диапазоне частот от 151 МГц до 24 ГГц и обеспечивает угловое разрешение от 0,01” до 1” в зависимости от используемого диапазона.

Рис.1. Карта расположения антенн крупнейшего радиоинтерферометра MERLIN.

Дальнейшее увеличение разрешающей способности радиоастрономических систем возможно только за счет использования метода радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами – РСДБ.

Основные принципы РСДБ заключаются в следующем. Космические объекты или явления наблюдаются по единой программе одновременно на нескольких радиотелескопах (антеннах), расположенных на расстояниях от нескольких десятков до многих тысяч километров друг от друга. Радиосигналы от объектов когерентно принимаются в заданном диапазоне частот высокочувствительными радиоприемниками, преобразуются на промежуточную частоту, затем требуемая полоса частот вырезается видеоконверторами в зависимости от спектра принимаемого радиосигнала, оцифровывается и записывается на магнитную ленту, видеокассеты, жесткие диски вместе со шкалой времени пункт (в настоящее время претворяются в жизнь планы перевода национальных и международных РСДБ-сетей на работу в квази-реальном времени с передачей РСДБ-данных в центр обработки по оптическому кабелю). Все частотные преобразования приемного тракта на радиотелескопах привязываются к опорному водородному стандарту частоты. Шкала времени ведется также от водородного стандарта и синхронизируется по сигналам системы GPS или телевизионным сигналам. Информация о текущих параметрах радиотелескопа, шумовой температуре системы и всех событиях по ходу эксперимента оформляется в виде лог-файлов. Записанные магнитные носители и лог-файлы пересылаются в центры корреляционной обработки, где воспроизводятся и взаимно коррелируются на спецпроцессорах (корреляторах), после чего вторичная обработка позволяет извлечь различную информацию в зависимости от поставленной задачи. Таким образом, для проведения РСДБ-наблюдений необходимо иметь несколько радиотелескопов, оснащенной однотипными радиоприемниками и системами регистрации, и центр корреляционной обработки.

На сегодня, РСДБ является наиболее используемым методом в радиоастрономии, он широко применяется в астрофизике, астрометрии, геодинамике и многих других областях науки. Измерения, выполняемые глобальными сетями радиотелескопов (в том числе, с участием космических антенн), достигают микросекундного углового разрешения и проводятся в широком диапазоне от миллиметровых до метровых радиоволн. Десятки специализированных радиотелескопов круглосуточно работают в РСДБ-режиме. Существует множество национальных (в США, Японии, Австралии, Китае, Канаде), международных (Европейская, Глобальная, Геодезическая, Низкочастотная) и наземно-космических (в прошлом - VSOP, в будущем - "Радиоастрон") РСДБ-проектов. Имеется несколько центров корреляционной обработки коллективного пользования (в США, Голландии, Канаде, Японии и Австралии).

Помимо чисто научных исследований, важной областью применения методов РСДБ является навигация дальних космических аппаратов, обеспечивая наивысшую в настоящее время точность траекторных определений.

Группа радиотелескопов, объединенных обычно по территориальному признаку и оснащенных однотипной аппаратурой, вместе с коррелятором называется РСДБ-сетью. Наиболее известные РСДБ-сети:
Важным отличительным признаком сети является используемый тип системы регистрации (и воспроизведения) РСДБ-данных: VLBA (VLBA), MARK-IV (EVN), S2 (Австралия), MARK-III (IVS), K-4 (VERA). Хотя в последнее время этот признак все больше размывается – новые системы MARK-V начинают использоваться повсеместно, японские регистраторы К-4 устанавливаются далеко за пределами Японии – на Украине (Симеиз), в России (Калязин, в Германии (Ветсель), в Китае (Урумчи), канадские системы S2 имеются также в России, Австралии, Китае, Индии, Японии и США.



Рис. 2. Карта расположения антенн РСДБ-сетей VLBA (сверху), EVN (в середине), LBA (снизу).

Наиболее известны РСДБ-сети VLBA, EVN и DSN. Американская сеть VLBA состоит из 10-ти однотипных антенн (см. рис. 2) диаметром 25-м, максимальная база 8600 км, рабочие длины волн от 90 см до 7 мм. Европейская РСДБ-сеть включает 18 разнотипных антенн диаметром от 14 м до 100 м. Длина базовых линий от 198 км до 9169 км. Типичное разрешение EVN находится в пределах от 1 до 30 миллисекунды дуги, в зависимости от используемого диапазона частот. Основные рабочие длины волн EVN: 18 см, 13 см, 6 см, 5 см, 4 см и 1см. Также с использованием части антенн EVN возможны наблюдения в более широком диапазоне длин волн – от 90 см до 7 мм. Иногда VLBA и EVN проводят совместные эксперименты, объединяясь в т.н. Глобальную РСДБ-сеть. В австралийскую сеть LBA входит 6 антенн, кроме того, в экспериментах иногда принимают участие 70-м антенна сети DSN в Тидбинбилле (Австралия) и 26-м антенна в Хартебестоуке (Южная Африка). Длина базовых линий от 113 км до 3168 км (9853 км с учетом Хартебестоука). Три 70-м антенны сети DSN (Deep Space Network), используемой для управления дальними космическими аппаратами, находятся в Голдстоуне (США), Мадриде (Испания) и Тидбинбилле (Австралия). Это единственная сеть в мире специализирующаяся на дифференциальных РСДБ-измерениях траекторий межпланетных КА. Также несколько процентов наблюдательного времени выделяется для участия антенн DSN в международной РСДБ-активности.

Наиболее глобальное сотрудничество осуществляется в рамках геодинамического проекта Международный РСДБ-сервис (IVS). С IVS сотрудничает около 30 антенн на всех континентах, включая Антарктиду (см. рис. 3), а также используются небольшие мобильные антенны. В то время, как астрофизические РСДБ-сети, такие как VLBA, EVN проводят 3-4 сессии в год, эксперименты IVSорганизуются еженедельно. Основные рабочие диапазоны IVS – 3,6/13 см, при этом наблюдения осуществляются одновременно в обоих диапазонах.

Рис. 3. Карта расположения антенн и центров анализа данных, сотрудничающих с IVS.
1. Краткий обзор научных задач, решаемых методам РСДБ.

Наблюдаемыми объектами радиоинтерферометрической сети являются естественные и искусственные космические радиоисточники. Научные задачи подразумевают измерения энергетических и геометрических характеристик астрофизических объектов (интенсивность, спектры, поляризация, пространственная и временная структура излучения, кинематика собственных движений). Прикладные задачи связаны в основном с измерениями геометрии системы «интерферометр – наблюдаемый объект», причем в качестве наблюдаемых объектов могут быть естественные космические радиоисточники (фундаментальная радиоастрономическая метрология, космическая геодезия, геодинамика), искусственные космические радиоисточники (радио просвечивание космических сред), так и их совокупность (космическая навигация, небесная механика).

В целом научные и прикладные задачи РСДБ можно разделить по типу объектов исследования:

Одной из главных задач РСДБ является построение радиоизображений внегалактических радиоисточников. Основным методом изучения физических процессов, происходящих в сверхкомпактных космических радиоисточниках (квазары, ядра галактик, мазеры т.д.), является детальное изучение их РСДБ-карт. Глубина РСДБ-обзоров внегалактических радиоисточников достигла в последние годы уровня плотностей потоков, измеряемых миллиянскими, что делает возможным включение в обзор тысяч источников. Такие обзоры служат как исследованию астрофизических свойств АГЯ — наиболее мощных энергостанций Вселенной, так и применению АГЯ в космологических тестах. РСДБ позволяет изучать самые удаленные из известных радиоквазаров. Интенсивные исследования внегалактических источников, проводимые с помощью глобальной, американской и европейской РСДБ-сетей выявили большое разнообразие морфологических, спектральных, временных и поляризационных свойств наблюдаемых объектов. Выделены различные типы, классы источников, каждый из которых обладает своим набором характеристик и корреляций между ними. Связь между этими классами объектов (эволюционная или через различные значения одного и того же параметра, как, например, угла между направлением выброса из активного ядра и луча зрения) далеко не всегда ясна. Нет пока и убедительного ответа на основные вопросы: какова природа источника огромного количества энергии релятивистских частиц и магнитных полей, и как она переносится из центральных областей радиоисточников в их внешние области. Также исследования АГЯ позволили создать систему координат ICRF, опирающуюся на квазары.

В нашей Галактике методом РСДБ традиционно исследуются четыре основных класса объектов – пульсары, источники т.н. мазерного излучения, остатки сверхновых и активные звезды.

Пульсары представляют собой уникальные объекты нашей Галактики не только с астрофизической точки зрения – вращающиеся нейтронные звезды, вещество которых находится в экстремальном состоянии сверхбольших плотностей и сверхсильных магнитных полей, но и с точки зрения метрологических приложений буквально в космических масштабах. Они используются для задания на длительных интервалах сверхстабильной шкалы времени, для установления прямой шкалы галактических расстояний, для изучения межзвездной среды. Хронометрирование (тайминг) излучения пульсаров на окологодичном интервале позволяет установить координаты пульсаров в эклиптической барицентрической системе координат, а радиоинтерферометрическое определение углового положения пульсаров относительно близко наблюдаемых ICRF квазаров позволяет установить связь динамической барицентрической системы координат с квазиинерциальной «квазарной» системой. Это представляет интерес не только для фундаментальной астрометрии, но и для практических приложений в космической навигации межпланетных полетов. Когда положение планеты задается в барицентрической системе координат, а положение межпланетной станции определяется в квазарной системе, знание этой связи необходимо.

Космические мазеры – это сверхкомпактные области в облаках межгалактического газа, которые являются источником мощного микроволнового излучения. Мазеры переизлучают энергию какого-либо источника радиации, находящегося в непосредственной близости от облака, в узкой и строго определенной полосе микроволновой области спектра (длина волны от 30 см до 1 мм). Возникшее микроволновое излучение, в свою очередь, возбуждает другие молекулы газа облака, усиливая интенсивность линии в полной аналогии с принципом действия лазера в оптическом диапазоне. Основные типы мазерного излучения принадлежат межзвездному гидроксилу ОН, водяному пару Н2О, молекулам оксида кремния SiO и метилового спирта CH3OH. В нашей и в соседних галактиках обнаружено несколько сотен космических мазеров. Их можно разделить на два основных типа: 1) мазеры, ассоциирующиеся с молодыми горячими ОВ-звёздами (а возможно, и с протозвёздами), излучение которых осуществляет накачку; 2) мазеры, связанные с сильно проэволюционировавшими холодными звёздами большой светимости. Только РСДБ-наблюдения мазеров позволяют реконструировать структуру локальных областей мазерного излучения, а также следить за перемещением различных мазерных компонентов, чтобы разобраться в вопросах звездной эволюции.

К этим двум задачам исследований звездной эволюции примыкают и изучение остатков сверхновых и исследования активных звезд. Некоторые звезды периодически проявляют вспышечную активность и в течение некоторого времени после выброса энергии, такие звезды доступны для исследования методом РСДБ. Это направление получило развитие только в последние годы в связи с резким увеличением чувствительности радиоинтерферометров.

Понимание природы и механизмов солнечных процессов чрезвычайно полезно для изучения многих астрофизических процессов во Вселенной. Солнечная активность оказывает влияние на биосферу Земли именно через межпланетную среду. Методом РСДБ могут быть исследованы такие фундаментальные проблемы физики солнечной активности как высвобождение и перенос энергии в солнечных вспышках, условия формирования и развития корональных выбросов и их влияние на формирование неоднородностей космической плазмы в Солнечной системе. Изучение солнечной короны и солнечного ветра представляет постоянный интерес, поскольку исследование состояния этих сред позволяет предсказывать геофизические эффекты солнечной активности. Космическая среда оказывает существенное влияние на работу РСДБ-систем и космических линий связи. Чтобы понять процессы высвобождения и переноса энергии в солнечных вспышках, необходимо определить пространственные и частотные характеристики и физические параметры плазмы, магнитных полей и ускоренных заряженных частиц в этих областях. Изучение быстропеременного дециметрового солнечного излучения дает возможность получить необходимую информацию, потому что оно генерируется на солнечных высотах близких к областям вспышечного энерговыделения. Принципиально важными в решение этой проблемы являются сведения о пространственном масштабе области первичного энерговыделения и ускорения частиц, а также о характере поведения этих процессов во времени. Исследования солнечных вспышек, проведенные в последнее время в различных диапазонах длин волн, показали, что область энерговыделения сильно фрагментирована в пространстве, а процесс энерговыделения во времени. Были получены первые прямые доказательства пространственной фрагментации источника радиоизлучения с очень малыми временными интервалами (около 100 млс.). Проявления этой фрагментации обнаруживаются в микроволновом радиодиапазоне в виде спайков – короткоживущих всплесков радиоизлучения с узкополосным спектром. Оцениваемые размеры элементарных источников составляют 0,1-0,001 угл. сек. Поэтому методы РСДБ идеально подходят для исследования тонкой пространственно-временой структуры солнечных микровспышек-спайков.

В настоящее время диагностика межпланетной и околосолнечной плазмы осуществляется различными радиоастрономическими способами, которые основаны на методе радиопросвечивания. Перспективным направлением в этой области является дополнение традиционного метода радиопросвечивания методом РСДБ. При использовании РСДБ-метода, когда излучение от радиоисточника принимается далеко разнесенными антеннами (сотни и тысячи км) и распространяется через неоднородные среды по разным трассам с различными фазовыми и групповыми скоростями, имеется возможность прямых исследований пространственных характеристик неоднородностей плазмы солнечной короны и межпланетной среды. Слабые неоднородности приводят к изменению фазы интерферометрического отклика. При наличии сильных неоднородностей в просвечиваемой среде фазовые искажения отклика переходят в частотные. Поэтому по фазовому портрету интерференционного отклика можно исследовать слабые неоднородности, спектральный же состав интерференционного отклика и его положение в плоскости взаимных частотно-временных сдвигов дают информацию о характеристиках сильных неоднородностей. При этом индикаторами состояния турбулентной среды служат ширина и форма спектральной линии интерференционного отклика. При одновременных РСДБ-измерениях с использованием нескольких баз разной длины и ориентации можно судить также и о форме (анизотропии) неоднородностей по разнице фазовых возмущений интерференционных откликов на различных базах, снимая практически их "мгновенный" портрет.

Радиолокация является мощным средством исследования околоземного космического пространства. С ее помощью можно получать наиболее полные данные о телах Солнечной системы, включая точные орбитальные параметры, период вращения, ориентацию в пространстве, форму и размер, структуру и состав поверхности. Информативность и точность координатных и некоординатных измерений может быть увеличена за счет применения метода РСДБ для приема отраженных эхо-сигналов. Комбинация классической радиолокации и РСДБ (т.н. РСДБ-локация) позволяет создать уникальный инструмент для трехмерных измерений:

Одним из аспектов применения метода РСДБ-локации может быть определение параметров вектора собственного вращения планет, включая их короткопериодические (внутриорбитальные) вариации. Традиционные методы с помощью обычной радиолокации требовали проведения многолетних экспериментов и подразумевали получение усреднённых за эти периоды значений. Метод РСДБ-локации обеспечивает получение «почти мгновенной», усреднённой лишь на мерном интервале в несколько месяцев, величины угловой скорости и ориентации оси вращения. Возможно также измерение методом дифференциальной РСДБ-локации точного положения центров масс небесных тел (траекторий их движения) в квазиинерциальной системе координат, опирающейся на внегалактические радиоисточники.

В этом случае и положение планеты и положение межпланетной станции может быть определено в одной и той же квазарной радиосистеме координат. Важной прикладной задачей является РСДБ-локация фрагментов «космического мусора». Разнесенная радиолокационная РСДБ-система сможет обеспечить всепогодный контроль высокоорбитальных космических объектов (в том числе малоразмерных) в любое время суток, включая высокоточные измерения координат, радиальной скорости из нескольких пунктов наблюдения, определение дальности, оценку размеров и размеров основных конструкций, периода вращения и ориентации оси вращения, оценку формы объекта, получение информации о материале корпуса. Другим прикладным аспектом РСДБ-локации может быть уточнение траекторий астероидов, потенциально опасных для Земли, и построение их объемных «радиоголографических» образов. Уточненные данные эфемерид больших и малых планет, определенные относительно внегалактических радиоисточников, будут использованы для уточнения связи барицентрической динамической и квазарной инерциальной систем небесных координат и их «нуль-пункта».

Исследования космического пространства с использованием космических аппаратов поставили задачу вывода КА в заданную точку пространства с высокой точностью. Для этого необходимо оперативно получать точные координаты КА, что невозможно при использовании для определения параметров движения КА только измерений дальности и радиальной скорости. Привлечение РСДБ-системы позволяет успешно решать задачи высокоточной межпланетной навигации. На рис. 4 представлен график увеличения точности измерений американской навигационной сети дальнего космоса DSN со временем. Применение РСДБ-методов для навигации межпланетных КА позволило достичь точности в несколько нанорадиан (один нанорадиан соответствует 150 м на дальности в 1 астрономическую единицу). РСДБ-измерения ортогональны измерениям дальности и радиальной скорости, которые получаются вдоль траектории КА, в то врем как РСДБ-измерения – поперек.

Рис. 4. График увеличения точности измерений американской сети дальнего космоса DSN со временем.

Основным методом навигационных РСДБ-измерений является метод дифференциальной радиоинтерферометрии. Производится квазиодновременный прием и регистрация на магнитную ленту сигналов от КА и находящегося от него на минимальном угловом расстоянии ква­зара с точно известными координатами (см. рис. 5). В результате обработки магнит­ных записей вычисляется разностная временная задержка сигналов от космического аппарата и квазара, которая служит информативной основой для определения относительного углового положения КА и квазара. Точные положения квазаров даются соответствующими каталогами, а параметры векторов базовых линий, составляющих апертуру интерферометра, считаются априорно известными. Метод дифференциальной интерферометрии обеспечивает почти на порядок большую точность координатных измерений по сравнению с методом абсо­лютной интерферометрии. В случае работы с узкополосным сигналом КА информационной основой дифференциальных РСДБ-измерений является частота интерференции – разность доплеровских частот принятых пунктами радиоинтерферометра. В этом случае точность координатных измерений снижается в несколько раз, по сравнению с широкополосной дифференциальной РСДБ.

Рис. 5. Схема измерений методом дифференциальной РСДБ.

Помимо собственно навигации межпланетных космических аппаратов, было два случая применения метода дифференциальной РСДБ для отслеживания перемещения спускаемых аппаратов в атмосфере планет – в июне 1985 г. глобальная РСДБ-сеть наблюдала перемещения зонда в атмосфере Венеры, а в январе 2005 г. – КА «Гюйгенс» в атмосфере Титана.

Наиболее заметный прогресс в точных геодезических методах стал возможен благодаря использованию методов РСДБ для приема сигналов опорных квазаров, закрепляющих радиосистему координат ICRF (международная небесная радио система координат), объектов настолько удаленных, что их собственное движение не может наблюдаться с Земли. РСДБ позволяет измерить базовые линии длиной в тысячи километров с точностью до нескольких сантиметров. Длина базовой линии определяется по величине задержки времени прихода сигналов квазара на радиотелескопы. Вследствие вращения Земли эта временная задержка изменяется вместе с изменением ориентации базовой линии по отношению к поступающему сигналу. Наблюдаемая величина запаздывания сигнала может использоваться для высокоточного определения параметров вращения Земли. Другие геодинамические процессы, как, например, движение полюсов Земли и движение плит земной коры, существенно воздействуют на результаты РСДБ, изменяя ориентацию геоцентрической системы координат по отношению к инерциальному пространству, определяемому квазарами. Таким образом, РСДБ позволяет усовершенствовать геофизические модели этих процессов с помощью мониторинга (систематических измерений) длин базовых линий РСДБ-сети. С помощью РСДБ выявляется движение континентальных плит составляющее несколько сантиметров в год. Таким образом, нашла подтверждение гипотеза тектоники плит. Для геодезии особенно важно то, что РСДБ позволяет определить ориентацию опорной геодезической сети по отношению к небесной сфере. Применение спутниковых, интерферометрических и инерциальных методов геодезических исследований сделало возможным одновременное определение всех трех координат (широты, долготы и высоты), что привело к развитию трехмерной геодезии. Одним из прикладных аспектов геодезической РСДБ является предсказание землетрясений. Сверхточные измерения позволяют фиксировать небольшие колебания земной коры – предвестники катаклизмов.
2. Имеющийся опыт РСДБ-исследований.

В России накоплен значительный опыт проведения РСДБ-работ. Но усилия различных организаций и инициативных групп не были объединены, полученный опыт не передавался от группы к группе и, следовательно, слабо накапливался со временем. В то время как специфика РСДБ требует именно объединения многочисленных групп ученых и специалистов различного профиля. Необходимо правильно сформулировать задачу, грамотно спланировать РСДБ-наблюдения, провести их на сети радиотелескопов с однотипной приемно-регистрирующей аппаратурой, потом провести первичную обработку записанных на радиотелескопах данных на спецпроцессоре-корреляторе, затем провести вторичную обработку коррелированных данных в зависимости от типа поставленной задачи, а в заключение нужно суметь провести интерпретацию результатов. Ни одному российскому институт оказалось не под силу собрать такую уникальную научно-технологическую цепочку. В результате, до сих пор Россия не может самостоятельно реализовать РСДБ-технологию, несмотря на то, что имеет значительное количество антенн большого диаметра и огромную единую территорию, благоприятствующую созданию национальной РСДБ-сети.

Одним из первых отечественных успехов являлось создание РСДБ-сети в рамках проекта ВЕГА при координирующей роли Л.И. Матвеенко, ИКИ РАН. Основной задачей проекта являлось отслеживание перемещения аэростатного зонда в атмосфере Венеры в июне 1985 г. Использовался терминал регистрации Мк-2 и типовой радиоприемник на длину волны 18 см. В состав сети ВЕГА вошли РТ-70 в Уссурийске, РТ-25 в Улан-Удэ, РТ-64 в Медвежьих Озерах, РТ-22 в Пущино, РТ-70 в Евпатории, РТ-22 в Симеизе. Первичная обработка эксперимента частично выполнялась на Мк-2 корреляторе ИКИ РАН. К сожалению, РСДБ-кооперация проекта ВЕГА распалась буквально на следующий год. Отдельные антенны сети продолжали проведение РСДБ-экспериментов вплоть до 1993 г., включая эксперименты в составе Глобальной РСДБ-сети.

Одновременно (но не вместе) отечественные РСДБ-работы развивались в НИРФИ при координирующей роли В.А. Алексеева (а затем Б.Н. Липатова). Лабораторией РСДБ НИРФИ при поддержке РНИИ КП был проведена серия успешных экспериментов по дифференциальной РСДБ сигналов межпланетных станций Вега-1 и Вега-2 в апреле 1985 г., апреле 1986 г. и октябре 1986 г. Эксперименты были организованы на длине волны 32 см (принимался телеметрический сигнал полосой 1,5 кГц) на базовой линии между РТ-70 в Евпатории и РТ-25 в Щелково с использованием РСДБ-регистраторов собственной разработки с полосой 1 МГц. Первичная обработка экспериментов проводилась на корреляторе НИРФИ-1 в Н. Новгороде. На рис. 6 показаны результаты эксперимента.

  

Рис. 6. РСДБ-лепестки по телеметрическому сигналу КА «Вега-1» (слева), траектория КА «Вега-2» в апреле 1985 г.: I – по РСДБ-измерниям, II – по стандартным траекторным измерениям.

Следующий навигационный РСДБ-эксперимент был проведен в апреле 1987 г. по высокоапогейному КА «Астрон» на длине волны 32 см на базе между РТ-70 в Уссурийске и РТ-64 в Медвежьих Озерах. Затем 2 эксперимента (в декабре 1988 г. и январе 1989 г.) были проведены на длине волны 18 см на трех базовых линиях между РТ-70 в Уссурийске, РТ-70 в Евпатории и РТ-64 в Медвежьих Озерах. Впервые использовался специально сформированный сигнал КА (две спектральные линии разнесенные на 14 МГц), что позволило получить точность 0,05 угловых секунд. Последний эксперимент был проведен в ноябре 1992 на базовой линии между РТ-70 в Уссурийске и РТ-70 в Евпатории по сигналу высокоапогейного КА «Гранат» на длине волны 5 см [1]. Несмотря на использование узкополосного телеметрического сигнала, точность измерений составила 0,01 угловой секунды (параллельный эксперимент на РСДБ-регистраторе формата Мк-2 проводила группа Л.И. Матвеенко). Кроме того, РНИИ КП совместно с лабораторией НИРФИ и АКЦ ФИАН в 1990-91 гг. была организована серия калибровочных экспериментов совместно с американской навигационной сетью DSN на длине волны 18 см с использованием терминала регистрации Мк-2 [2]. Обработка осуществлялась на корреляторе Блок-2 JPL/Caltech в США. В результате положения антенн в Уссурийске, Евпатории и Медвежьих Озерах были определены в международной системе координат с точностью до нескольких метров (см. в таблице 1 параметры базовых линий для пунктов НКУ).

Таблица 1. Параметры базовых линий для пунктов НКУ

Базовая линия Параметры, м
Sx Sy Sz S
МедвОз-Евпат 939758,8 258619,3 -754147,2 1232383,2
Уссур-Евпат 6828031,3 -9625570,0 92778,3 6896169,9
МедвОз-Уссур -5888272,5 1221189,3 -846925,5 6072918,5

В 1991 г. АКЦ ФИАН (отдел В.И. Алтунина) была предпринята попытка организации постоянного действующего РСДБ-пункта на базе РТ-70 в Уссурийске. Из NRAO была получена современная широкополосная система регистрации VLBA, а из канадского космического агентства – система S2. РНИИ КП изготовил радиоприемники на длины волн 18 см и 3,6 см. Всего за 1992-93 гг. были проведено 7 РСДБ-экспериментов в составе Европейской и Глобальных РСДБ-сетей (обработка которых проходила на корреляторе в Бонне, Германия, одни эксперимент совместно с геодезической РСДБ-сетью (обработка проводилась в Бостоне, США) и один, совместно с австралийской сетью LNA (обработка проводилась в Сиднее, Австралия). В результате эксперимента в геодезической сети, положение фазового центра РТ-70 было измерено с точностью до 15 см. Эксперимент с S2 проводимый на длине волны 18 см совместно с РТ-64 в Парксе и РТ-26 в Хобарте, позволил получить интересные научные результаты по ОН-мазерам [3,4].

Другой отечественный РСДБ-проект, «Астрокомплекс», координировался из ПРАО АКЦ ФИАН (отдел Ю.П. Илясова). Была предложена концепция создания средне базового РСДБ-комплекса в составе РТ-64 в Калязине, РТ-22 в Пущине, РТ-14 в Старой Пустыни и РТ-64 в Медвежьих Озерах. Все эти антенны были оснащены современной канадской системой регистрации S2. Но, полностью удалось укомплектовать РСДБ-аппаратурой только РТ-64 в Калязине, который на длинах волн 21 см и 13 см проводит астрометрические наблюдения пульсаров совместно с РТ-34 в Кашиме, Япония с использованием японской системы регистрации К-4 (а сейчас уже и К-5).

Таблица 2. Координаты 6 пульсаров, определенные по данным РСДБ-наблюдений на базовой линии Калязин – Кашима.

Обработка экспериментов проводится в Кашиме, Япония. Некоторые полученные результаты представлены в таблице 1. Также РТ-64 в Калязине принял участие в серии экспериментов по наземно-космической РСДБ в составе международной сети проекта VSOP на длине волны 6 см и терминалом регистрации S2. Обработка записанных лент проводилась в Японии и Канаде.

К немногочисленным активно действующим отечественным РСДБ-проектам относится проект создания РСДБ-сети для решения задач координатно-временного обеспечения. Первоначально проект «Квазар» предусматривал строительство 10-ти 32-м антенн и разработку собственной системы регистрации.

Рис. 7. Схема расположения радиообсерваторий РСДБ-сети «Квазар».

К настоящему моменту построено 3 радиотелескопа, расположенных в Светлом под Санкт-Петербургом, Зеленчукской на Северном Кавказе и Бадарах в Саянах (см. карту расположения антенн на рис. 7). Каждый радиотелескоп оснащен типовым комплектом радиоприемников на длины волн 18 см, 13 см, 6 см и 3,6 см, видеоконвертерами собственной разработки, а также системами регистрации Мк-5 и S2. Было предпринято несколько попыток создания центра корреляционной обработки. По имеющейся информации, последний вариант коррелятора, под названием «Парсек» для стандарта S2 является более успешным и поэтапно вводится в эксплуатацию. «Парсек» ориентирован только на обработку данных геодезической РСДБ, т.е. существующий выходной формат данных пока не может быть использован программами вторичной обработки для построения изображений, определения координат КА и т.д. Основное наблюдательное время действующих радиотелескопов в Светлом и Зеленчукской посвящено участию в экспериментах международной геодезической РСДБ-сети на длинах волн 3,6/13 см и системой регистрации Мк-5. Корреляция этих экспериментов производится в Бостоне, США.

В 1996 г. была предложена концепция «Низкочастотной РСДБ-сети LFVN». Основной задачей проекта, координируемого И.Е. Молотовым (АКЦ ФИАН, затем ГАО РАН, ИПМ им. Келдыша РАН), являлось создание международной РСДБ-кооперации с участием российских и украинских радиотелескопов для проведения экспериментов по заявкам отечественных ученых. В проекте, базировавшегося на РСДБ-опыте НИРФИ и АКЦ ФИАН была предпринята попытка объединить усилия всех РСДБ-групп России и Украины и до известной степени это удалось. За время выполнения проекта 14 антенн – РТ-64 в Медвежьих Озерах, РТ-22 в Пущино, РТ-64 в Калязине, РТ-15 в Зименках, РТ-14 в Старой Пустыни (Россия), РТ-70 в Евпатории и РТ-22 в Симеизе (Украина) , РТ-32 в Вентспилсе (Латвия), РТ-32 в Ното (Италия), РТ-14 в Торуни (Польша), Ути 500х30 (параболический цилиндр) и Пуне РТ-45 (Индия), Урумчи РТ-25 и Шанхай РТ-25 (Китай) были дооснащены приемно-регистрирующей радиоастрономической аппаратурой (главным образом терминалами регистрации Мк-2 и радиоприемниками на длину волны 92 см, также были изготовлены серия одноканальных видеоконвертеров, интерфейсы для системы регистрации S2, несколько радиоприемников на длины волн 13 см, 6 см и 3,6 см, разработан терминал регистрации NRTV). Организовано 24 РСДБ-эксперимента на длинах волн 92 см, 18 см, 13 см, 6 см и 3,6 см с использованием в разных комбинациях радиотелескопов Австралии, Англии, Индии, Италии, Канады, Китая, Латвии, Польши, России, США. Украины, Южной Африки и Японии, а также центров корреляционной обработки в Австралии, Канаде, России и США.

Основные результаты в части исследования квазаров [6] и солнечного ветра были получены в экспериментах LFVN INTAS 99.4 и INTAS 00.3 на длине волны 18 см с участием 6 радиотелескопов, включая РТ-64 в Медвежьих Озерах, РТ-32 в Светлом и РТ-22 в Пущино, корреляционная обработка которых проводилась в Пентиктоне, Канада. Примеры определения показателя пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации и скорости солнечного ветра на базовых линиях Медвежьи Озера – Ното и Медвежьи Озера-Хартебестоук в эксперименте INTAS 99.4 представлены на рис. 8. Впервые параметры скорости солнечного ветра и спектрального индекса были получены независимо на масштабах неоднородностей 2000-9000 км [7]. Пример заполнения (u,v)-плоскости для источника 1418+546 и построенное радиоизображение на базовых линиях Медвежьи Озера-Пущино-Ното-Хартебестоук-Пуне-Шанхай в эксперименте INTAS 00.3 – на рис. 9.

Рис. 8. определения показателя пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации и скорости солнечного ветра на базовых линиях Медвежьи Озера – Ното (слева) и Медвежьи Озера-Хартебестоук (справа) в эксперименте INTAS 99.4.

Рис. 9. Пример заполнения (u,v)-плоскости для источника 1418+546 и построенное радиоизображение на базовых линиях Медвежьи Озера-Пущино-Ното-Хартебестоук-Пуне-Шанхай в эксперименте INTAS 00.3. РСДБ-карта обнаруживает одностороннюю структуру типа ядро-выброс с позиционным углом 120 градусов. Струя распространяется на расстояние 8 парсек.

Рис. 10. Кооперация радиотелескопов, участвующих в экспериментах по развитию метода РСДБ-локации.

Другим основным направлением работ сети LFVN является развитие метода РСДБ-локации тел Солнечной системы [8]. Эксперименты проводятся с 1999 г. на длинах волн 6 см (с помощью радиопередатчика РТ-70 в Евпатории), 13 см и 3,6 см (с помощью радиопередатчиков РТ-70 в Голдстоуне, США). Запись осуществлялась на системы регистрации Мк-2 и NRTV (разработаны в Италии для LFVN экспериментов в квази-реальном времени [9]), корреляционная обработка проводилась на корреляторе НИРФИ-3 в Н. Новгороде. Кооперация антенн основных участников экспериментов по РСДБ-локации представлена на рис. 10. Были зарегистрированы эхо-сигналы от астероида 2004 ХР14 (см. рис. 11), Марса, Венеры, Луны, а также от более 100 объектов космического мусора на различных типах орбит размером от десятков см до десятков метров.

Рис. 11. Эхо-сигнал от астероида 2014 ХР14. Принят 3 июля 2006 г. на РТ-32 в Калязине при зондировании радиоcигналом на длине волны 6 см из Евпатории

Наиболее полно метод РСДБ-локации был отработан применительно к объектам космического мусора на геостационарной орбите. Отлажена методика измерения сдвигов Допплера одновременно в нескольких приемных пунктах (методом кросс-корреляции переданного и принятых сигналов), измерение частоты интерференции, определение периода вращения (по изменению максимума спектра кросс-корреляционного сигнала) и ориентации оси вращения (по запаздыванию в приеме эхо-сигналов на РСДБ-пунктах) (см. рис. 12), оценки размеров объекта и элементов его конструкций. По ГСО-объекту Космос-1366 в Баллистическом центре ИПМ им. М. В. Келдыша РАН было проведено уточнение орбитальных параметров с использованием измерений радиальной скорости, полученным в эксперименте РСДБ-локации на двух базовых линиях Евпатория-Урумчи и Евпатория-Медвежьи Озера. Измерения радиальной скорости были обработаны совместно с оптическими измерениями прямого восхождения и склонения объекта.

  

Рис. 12. Временная зависимость изменения максимума кросс-спектра эхо-сигнала от ГСО-фрагмента 90022 на базовой линии Калязин-Евпатория (слева) с шагом 2,13 с.
Временные зависимости изменений максимумов кросс-спектров эхо-сигнала от КА Космос-1366 на базах Медвежьи Озера-Ното, Ното-Урумчи и Медвежьи Озера-Урумчи (справа). Сдвиг максимума в полученных кривых относительно начальной точки отсчета t0=22:23:11 составляет соответственно –3.35 с, -5.5 с, +1.65 с.

В целом интервал измерений охватывает период с июля 2002 года по июль 2003. Для сравнения уточнение орбиты Космос-1366 было получено только по оптическим измерениям. Результаты апостериорной оценки точности определения элементов орбиты приведены в таблице 3.

Таблица 3. Оценка точности определения параметров орбиты ГСО-объекта Космос-1366 по результатам оптических измерений и с привлечением измерений Доплера на базах Евпатория-Урумчи и Евпатория-Медвежьи Озера.

Параметр Ошибка определения
Только по оптическим измерениям По оптическим измерениям и измерениям РСДБ
Период (сек) 0.00039 0.00016
Эксцентриситет 0.000001289 0.00000011
Наклонение (градусы) 0.0000397 0.0000385
Долгота узла (градусы) 0.0001523 0.0001443
Аргумент перицентра (градусы) 0.3186443 0.0553811
Время перицентра (сек) 0.08468 0.03756

Как видно из этой таблицы привлечение измерений радиальной скорости обеспечивает существенное повышение точности определения орбиты рассматриваемого объекта.

В октябре 2006 г. на сети LFVN был проведен пробный навигационный РСДБ-эксперимент с европейским КА «Марс-Экспресс» с участием РТ-70 в Евпатории, РТ-64 в Медвежьих Озерах, РТ-25 в Урумчи и РТ-22 в Симеизе на длинах волн 13 см и 3,6 см с терминалами регистрации Mk-2 и NRTV. Первые результаты первичной обработки представлены на рис. 13. Кросс-коореляция по сигналу КА на длине волны 13 см и оценки частот интерференции были получены на базовых линиях Евпатория-Медвежьи Озера-Урумчи, а на длине волны 3,6 см между Евпаторией и Урумчи.

Т.о., несмотря на все трудности развития в России получен опыт решения научных задач в самых разных областях:

Рис. 13. Кросс-спектр сигнала КА «Марс-Экспресс» на длине волны 13 см на базовой линии «Евпатория»-«Медвежьи Озера». 10.10.2005. Частота интерференции -523.813 Гц

Целый ряд российских антенн оснащен в той или иной степени РСДБ-аппаратурой, тем не менее до сих пор внутри России (без привлечения зарубежных радиотелескопов и центров обработки) проводятся только тестовые РСДБ-эксперименты. Единственным исключением остается LFVN, наблюдательные сессии котрой проводятся регулярно каждый год, коррелятор НИРФИ-3 до сих пор остается единственным российским центром обработки, последовательно выдающим научные результаты, которые уже представлены более чем в 100 научных и технических публикациях.
3. Обзор существующей аппаратуры для проведения исследований методами РСДБ.

При проведении РСДБ-исследований на радиотелескопе используется следующий комплекс РСДБ-аппаратуры:

Кроме того, для проведения радиоастрономических исследований в режиме одиночного радиотелескопа каждая РСДБ-антенна оснащена:

Типовая блок-схема многозадачного комплекса радиоастрономической аппаратуры изображена на рис. 14.

Рис. 14. Блок-схема многозадачного комплекса радиоастрономической аппаратуры РТ-64 в Калязине.

Различные сети РСДБ используют радиоприемники в типовых частотных диапазонах, отведенных международным радиочастотным комитетом для радиоастрономии. Тем не менее приемные частоты РСДБ-сетей отличаются из-за различных задач, возможностей антенных систем, помеховой обстановки и т.д. К примеру, РСДБ-пункты отечественного проекта «Квазар» оснащены набороми радиоприемных устройств на длины волн 18 см, 13 см, 6 см, 3,6-см и 1,35 см. Европейская РСДБ-сеть EVN использует в регулярных экспериментах длины волн 18 см, 13 см, 6 см, 5 см, 3,6 см и 1,35 см. В тоже время с меньшим количеством антенн возможны эксперименты на длинах волн 92 см, 50 см, 30 см, 2 см и 7 мм. Сеть VLBA осваивает также длину волны 3 мм.

Ключевым устройством любого приемника, от которого зависит успех РСДБ-наблюдений, является источник гетеродинной мощности или гетеродин. От качества первого гетеродина напрямую зависит степень когерентности частотного преобразования радиосигналов на промежуточную частоту. Специалистами проекта LFVN был проведен поиск возможных производителей недорогих и надежных гетеродинов. Были найдены две подходящие фирмы – Nexyn Corporation в США и Xintong Microwave Electronics в Китае. После консультаций с РСДБ-специалистами Италии и Китая был сделан выбор в пользу китайской фирмы (тем более, что стоимость гетеродина там в 2,2 раза ниже, чем в США).

На рис. 15 приведены фотографии гетеродина на частоту 4500 МГц, которые были закуплены для РТ-70 в Евпатории, РТ-64 в Медвежьих Озерах и РТ-32 в Вентспилсе.

  

Рис. 15. Гетеродин на 4500 МГц китайской фирмы Xintong Microwave Electronics. Такие приборы установлены на РТ-70 в Евпатории, РТ-64 в Медвежьих Озерах и РТ-32 в Вентспилсе.

В качестве источника опорной частоты для всех частотных преобразований в приемном тракте РСДБ-пункта используется водородный стандарт частоты. Российские стандарты частоты до сих пор остаются одними из лучших в мире. На рис. 16 представлен последняя модификация водородного стандарта института «Кварц» - два полукомплекта Ч1-75А, приобретенного для РТ-64 в Медвежьих Озерах по гранту Министерства образования и науки. На сегодня это одна из наиболее современных моделей водородного стандарта частоты, которая обеспечивает нестабильность 10-13/с, 1,5х10-15/час и 7х10-16/день. Установленный в соответствующих условиях, благодаря системе температурного контроля, он обеспечивает температурный коэффициент 1,5х10-15/градус. Также мазер имеет 5-ти слойную защиту от магнитных полей, что особенно важно для установки прибора вблизи большой антенны, и обеспечивает чувствительность к магнитным полям на уровне 1х10-14/Гаусс.

Шкала времени, которая ведется службой времени РСДБ-пункта, формируется устройством типа синхронометр по опорному частотному сигналу от водородного стандарта. При этом запуск шкалы времени и последующее периодическое сравнение осуществляется по метке времени, получаемой от GPS-приемника. Существует множество моделей GPS-приемников различных компаний. Стоимость некоторых моделей исчисляется десятками тысяч долларов. Команда проекта LFVN остановилась на простом и недорогом GPS-приемнике Trimble Resolution T, общей стоимостью всего лишь 200 долларов США, но обеспечивающего выдачу меток времени с точностью до 20 наносекунд. На рис. 17 показаны плата и антенна Trimble Resolution T.

Рис. 16. Два полукомплекта водородного стандарта частоты Ч1-75А на РТ-64 в Медвежьих Озерах.

  

Рис. 17. Плата и антенна GPS-приемника Trimble Resolution T.

Для получения метеоданных в реальном масштабе времени может быть рекомендована автоматическая цифровая метеостанция АЦАТ-3М, содержащая каналы измерения горизонтальной V и вертикальной W компонент скорости ветра, направления ветра D, температуры воздуха t, относительной влажности воздуха Hu и атмосферного давления Р. Датчики метеостанции установлены на высоте 15м от земли (см. рис. 18), что позволяет избежать ошибок в измерении скорости ветра в связи с изменением температуры и влажности вблизи поверхности земли. Автоматическая метеостанция подключается к отдельному компьютеру, с помощью которого проводится автоматическая обработка и вычисление измеряемых метеопараметров, выведение их на панель оператора и ведение базы метеоданных. Модель АЦАТ-3М используется в радиообсерваториях РСДБ-сети «Квазар».

Рис. 18. Датчики метеостанции АЦАТ-3М.

Существует множество типов систем регистрации и связанных с ними видеоконвертеров. Используемые типы этой аппаратуры разнятся от одной РСДБ-сети к другой. Самой устаревшим типом РСДБ-регистратора, разработанным в 70-х годах прошлого века, но до сих пор используемого на некоторых российских, украинских и китайских антеннах сети LFVN является Мк-2 (в 2005 г. РТ-32 в Ното прекратила использовать терминал Мк-2 передав его в музей РСДБ). На рис. 19 представлен форматер и видеоконвертер регистратора Мк-2 в Симеизе.

Рис. 19. Форматер (слева) и видеокнвертер (справа) терминала регистрации Мк-2, разработанного в США и установленного в Симеизе на РТ-22 Институтом космических исследований в рамках проекта РСДБ-сети «Вега».

На рис. 20 показан регистратор Мк-2 и видеконвертер ВПР-175 (полоса 2,4 или 8 МГц), разработанные в НИРФИ, Н. Новгород. Такие терминалы установлены на РТ-64 в Медвежьих Озерах, РТ-70 в Евпатории, РТ-22 в Симеизе, РТ-32 в Вентспилсе, РТ-14 в Старой Пустыни, РТ-15 в Зименках, а также был оставлен на РТ-70 в Уссурийске. Терминал Мк-2 пишет частотную полосу шириной 2 МГц.

Другой наиболее широко распространенной в России системой является канадский терминал S2 (см. рис. 21). S2 состоит из 8 видеомагнитофонов, сгруппированных в 2 стойки и форматера данных. На вход S2 должны поступать уже оцифрованные данные со скоростью до 128 МГбит в с (максимум по 16 входным каналам). Поэтому для подсоединения S2 к видеоконвертеру необходимо иметь многоканальный аналого-цифровой преобразователь. В настоящий момент системы регистрации S2 имеются на РТ-64 в Медвежьих Озерах, РТ-64 в Калязине, РТ-22 в Пущино, РТ-14 в Старой Пустыни, а также на всех трех антеннах РСДБ-сети «Квазар». Системы воспроизведения S2, которые необходимы для корреляционной обработки записей S2-формата, имеются в ИПА РАН и АКЦ ФИАН. В настоящий момент в Канаде осуществляется разработка модернизированного варианта – S3 с более широкой полосой, но и более сложной и с более высокой стоимостью, что сводит на нет преимущества S2, как гибкой, простой и относительной недорогой РСДБ-системы.

Рис. 20. Система регистрации формата Мк-2 разработки НИРФИ на РТ-64 в Медвежьих Озерах. Слева вверху видеомагнитофон, ниже форматер Мк-2, справа вверху видеоконвертер ВПР-175.

Широко распространенным в мире до сих пор остается терминал регистрации Мк-3 (см. рис. 22). Он обеспечивает запись полосы до 56 МГц каналами по 2 или 4 МГц полосой. Используется главным образом для геодезических РСДБ-наблюдений. Левая стойка – собственно регистратор на большие катушки магнитной ленты, правая стойка содержит до 28 видеоковертеров (каждый из которых обеспечивает 2 полосы записи по 2 или 4 МГц), АЦП и форматер данных. Более современная система регистрации Мк-4 по внешнему виду ничем не отличается от Мк-3. Только в электронной стойке находятся видеоконвертеры, обеспечивающие формирование полос записи по 16 МГц. Суммарная полоса записи Мк-4 – до 512 МГц. В настоящее время идет повсеместная замена лентопротяжного механизма Мк-4 на регистратор на жесткие диски Мк-5 (см. рис. 23). Система Mk-5 состоит из стандартного промышленного компьютера с шиной PCI, платы интерфейса накопителей на жестких дисках (HDD), оригинальной платы ввода-вывода с быстродействующей шиной FPDP, двух модулей дисковых накопителей (по 8 120 Гбайтных винчестеров в каждом). Mк-5 обеспечивает до 64 каналов записи и воспроизведения цифровых данных при максимальной скорости ввода-вывода 1024 Мбит/с. Объем памяти каждого модуля дисковых накопителей обеспечивает минимум 24-часовую автономную работу со скоростью 1024 Мбит/с. При использовании винчестеров по 240 Гбайт каждый модуль дает 1920 Гбайт памяти. Существует две модификации Мк-5 системы – а и в. Система Мк-5в имеет встроенный Мк-4 форматер и может использоваться отдельно от терминала Мк-4 с любым внешним видеоконвертером.

  

Рис. 21. Шесть систем регистрации S2 в стойках на корреляторе DRAO в Пентиктоне, Канада.
Рис. 22. Стойка систем регистрации на РТ-22 в Симеизе. Левые две стойки – терминал Мк-3, снизу третьей стойки – японский терминал К-4.

Рис. 23. Терминал регистрации РСДБ-данных на жесткие диски Мк-5. В собранном виде (вверху). Модуль жестких дисков (слева внизу), задняя сторона модуля (справа внизу).

Системы Мк-5 уже установлены на РТ-32 в Светлом, РТ-32 в Зеленчукской, РТ-70 в Евпатории, РТ-22 в Симеизе и РТ-32 в Вентспилсе. Стоимость терминала Мк-5B около 16 тысяч долларов США, а блоков со сменными дисками – 3000 долларов и 6000 в зависимости от объема дисков.

Также существует целое семейство японских терминалов записи К-3, К-4 и К-5. Развитие регистраторов в Японии идет параллельно мировому процессу. Поэтому в основном (если не принимать во внимание некоторых отличий систем, сконструированных разными японскими институтами), К-3 соответствуют по возможностям Мк-3, К-4 – Мк-4, только запись производится на большие, специально разработанные видеокассеты. К-5, как и Мк-5 обеспечивает запись РСДБ-данных на жесткие диски компьютера. Систему К-4 , установленную на РТ-22 в Симеизе можно увидеть на рис. 22, а К-5, на РТ-64 в Калязине, на рис. 24.

Рис. 24. Японская система записи данных на диски К-5, установленная на РТ-64 в Калязине.

Рис. 25. Терминалы регистрации данных формата NRTV, установленные на РТ-64 в Медвежьих Озерах (слева) и РТ-70 в Евпатории (справа).

Кроме того, свои разработки систем записи на жесткие диски в чем-то подобные Мк-5 и К-5 существуют в Китае (Шанхайская астрономическая обсерватория), Финляндии, Италии (институт радиоастрономии) и даже России (АКЦ ФИАН).

Система PCEVN, разработанная в Финляндии, при невысокой стоимости имеет максимальную скорость регистрации 256 МГб/с и также, как и S2 работает уже с цифровым потоком данных (PCEVN позволяет записать поток РСДБ-данных на простой компьютер).

Система записи для проекта «Радиоастрон» - RDR (Radioastron Data Recorder) имеющаяся пока в единичных экземплярах, должна записывать данные со скоростями от 128 МГб/с до 329 МГб/с, т.е. не способна работать ни с узкими, ни со сверхширокими полосами. К тому же она пока не прошла тестирования в реальных РСДБ-наблюдениях и обработка данных в RDR формате теоретически возможна только на создаваемом в Астрокосмическом центре ФИАН корреляторе.

Недорогие системы регистрации разработки итальянского института радиоастрономии в формате NRTV (near real time VLBI), см. рис. 25, способны записывать РСДБ-данные по двум входам на один жесткий диск объемом 100 Гбайт в полосе от 31,25 кГц до 48 МГц, а затем транслировать их в Интернет блоками данных разного объема (каждая минута записи разбивается на 10-ти и 50-ти секундные интервалы). При этом возможна трансляция РСДБ-данных даже по узкополосным каналам связи с нестабильной скоростью передачи данных, поскольку в комплект терминала NRTV входит дополнительный GPS-приемник для синхронизации передаваемых блоков данных. Стоимость терминала составляет 2500-3000 евро. В настоящий момент терминалы NRTV установлены на 6-ти антеннах РСДБ-сети LFVN (на РТ-64 в Медвежьих Озерах, РТ-70 в Евпатории, РТ-22 в Симеизе, РТ-32 в Ното , РТ-25 в Урумчи и РТ-14 в Старой Пустыни) и активно используются в ежегодных наблюдательных сессиях LFVN. В том числе уже отработана процедура передачи РСДБ-данных в ценртр обработки через Интернет в полосе записи 2 МГц (4 МГб в с). Коррелятор НИРФИ-3 в Нижнем Новгороде обрабатывает формат NRTV.

Перейдем к рассмотрению различных видов видеоконвертеров для РСДБ. Подавляющее большинство зарубежных РСДБ-пунктов используют видеконвертеры, АЦП и форматеры, входящие в комплект регистраторов Мк-3/4 и К-3/4, подсоединяя к ним более современные Мк-5 и К-5 вместо лентопротяжных механизмов. Современные видеоконвертеры собираются из 8-16 независимых модулей, каждый из которых формирует 2 субполосы (верхнюю и нижнюю) по 16 МГц, т.о. полный комплект системы может обеспечивать общую полосу частот от 512 МГц до 1024 МГц (в последнем случае подключается две системы записи Мк-5). Эти видеоконвертеры имеют достаточно высокую стоимость – свыше 100 тысяч долларов для японской системы К-4 и свыше 200 тысяч долларов для Мк-4. В России стойка видеоконвертеров от Мк-4 имеется на РТ-32 в Светлом, а от К-3 – на РТ-64 в Калязине.

Поскольку канадская система регистрации S2 имеет цифровой вход, то для нее были разработаны три типа видеоконвертеров – в Австралии, Канаде и России.(в других странах S2 также подсоединяется к видеконвертерам систем Мк-3/4 и К-3/4). Австралийский институт ATNF первый разработал полностью цифровой двухканальный видеконвертер S2 DAS на 4 субполосы по 16 МГц (образец Australian S2 DAS имеется на РТ-64 в Калязине, приобретенный JPL для проекта «Радиоастрон»). Он имел совсем небольшую стоимость порядка 15 тысяч долларов, но микросхемы, которые использовались для изготовления, уже давно сняты с производства. Канадский вариант видеоконвертера рассчитан на подсоединение 2-х систем регистрации S2 и реализует принцип синтеза широкой полосы, т.е. при собственной полосе частот 128 МГц он формирует полосу до 1024 МГц за счет сверхбыстрого переключения субполос. Стоимость канадского видеоконвертера составляет 170 тысяч долларов (один экземпляр имеется на РТ-32 в Светлом).

В России одноканальный модуль видеоконвертера для S2 был разработан в НИРФИ. Он имеет полосу 2, 4 или 8 МГц (поскольку разрабатывался для проекта «Радиоастрон»). 4 таких модуля в отдельных корпусах были выпущены под наименованием ВПР-175 (находятся на РТ-70 в Уссурийске, РТ-64 в Медвежьих Озерах, РТ-22 в Пущино и РТ-14 в Старой Пустыни). В настоящее время субполоса модуля была расширена до 16 МГц и на заключительной стадии изготовления находится 8-канальная система с общей шириной полосы до 128 МГц. Недостатком системы является небольшой возможный диапазон входных промежуточных частот (центральная 175 МГц).

Многоканальная радиоинтерферометрическая система преобразования сигналов (СПС) Р1000 была разработана ИПА РАН, ЗАО "РЭЛТА" и ОАО "Микротехника". СПС работает в базовой полосе промежуточных частот от 100 до 1000 МГц и формирует до 15-ти субполос по 16 МГц (до 240 МГц в целом). Для стыковки с S2 используется дополнительный блок квантования и синхронизации записи Р4100, разработанный ЗАО "РЭЛТА" по заданию ИПА РАН. Р1000 построен по блочно-модульному принципу и содержит распределитель широкополосных сигналов ПЧ Р6201 и однотипные блоки преобразования Р1101, в каждом из которых установлены 2 двухполосных видеоконвертора, преобразующих сигналы ПЧ в верхней и нижней боковых полосах к видеочастотам. Число блоков преобразования в системе может варьироваться от 1 до 5 в зависимости от поставленных задач РСДБ-наблюдений. В аппаратуре реализованы жесткие требования в части линейности и стабильности фазо-частотных характеристик, равномерности амплитудно-частотных характеристик, качества спектров гетеродинов преобразователей частот. СПС имеет встроенные системы оперативного контроля параметров и обеспечивает возможность полной автоматизации управления в процессе наблюдений в соответствии с принятым в международной практике программным обеспечением Mark IV Field System. Блок-схема устройства представлена на рис. 26, а основные характеристики в таблице 4.

Рис. 26. Блок-схема системы преобразования сигналов Р1000.

Таблица 4. Параметры системы преобразования сигналов

Диапазон частот 100-1000 МГц
Число широкополосных входов системы 2
Число рабочих видеоконверторов в системе до 15
Подключение видеоконверторов ко входам равнодоступное
Выделяемы боковые полосы частот верхняя и нижняя
Ослабление шумов зеркального канала, дБ не менее 26
Полоса пропускания, МГц 0.25; 2; 8; 16
Коэффициент шума (по входу системы), дБ не более 10
Диапазон регулировки уровней входных сигналов ПЧ в распределителе, дБ 18
Диапазон регулировки уровня сигнала в видеоконверторе, дБ 15
Погрешность отсчетов уровней входных сигналов ПЧ и сигналов видеочастот 0.01
Среднеквадратический фазовый шум гетеродина в полосе видеоконвертора, град. не более 2
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики видеоконвертора, дБ не более 0.3
Нелинейность фазо-частотной характеристики видеоконвертора, град. не более 2

Стоимость СПС Р1000 составляет около 30 тыс. долларов.

Самой последней разработкой в области систем преобразования видечастот является итальянский прибор (институт радиоастрономии) DBBC на общую полосу частот 512 МГц или 1024 МГц (см. рис. 27).

Рис. 27. Цифровой видеоконвертер DBBC итальянской разработки.

DBBC наиболее современный прибор, единственный из всех видеоконвертеров формирующий полосы частот от сверхмалых (31,25 кГц) до сверхбольших (512 МГц) с наименьшим на сегодня шагом 2 кГц (возможна выдача «сплошных» сверхшироких полос 32 МГц, 64 МГц, 128 МГц, 256 МГц и 512 МГц), при этом форма АЧХ получаемых полос близка к идеальной (рис. 29). Тактовая частота составляет 1024 МГц. Последняя версия DBBC позволяет иметь 4 входа на промежуточной частоте из 16-ти возможных номиналов вплоть до 2,2 ГГц. Возможно формирование до 128 частотных каналов с общей скоростью от 1 до 8 Гб/с. Кроме того, DBBC оцифровывает входной сигнал с применением 16-битного квантования, сохраняя информацию не только о фазе (как все другие существующие видеоконвертеры), но и об амплитуде принимаемого радиосигнала. Что, например, абсолютно необходимо для РСДБ-локации тел Солнечной системы. Имеются встроенные блоки шумового и фазового контроля, а также цифро-аналоговый преобразователь для вывода на контрольно-измерительную аппаратуру. Имеется измеритель входной мощности радиосигналов, встроенный автокорреляционный спектрометер, позволяющий в реальном времени подстраивать вырезаемую частотную полосу под вид принимаемого сигнала (например, вырезать помехи). При этом стоимость DBBC меньше других зарубежных аналогов. Возможен выпуск DBBC в виде отдельных одно-двухканальных-четырех канальных модулей. Два первых мини-DBBC на 4 канала сейчас используются на китайских радиотелескопах, третий применяется EVN для тестов новых радиотелескопов (в августе с ним и терминалом регистрации PCEVN прошел тест на РТ-70 в Евпатории). В случае совместного использования с терминалом регистрации NRTV, 2-х канальный модуль DBBC может быть интегрирован с NRTV в единый прибор. На рис. 28 приведена блок-схема аналого-цифрового преобразователя DBBC, который обеспечивает 16-битное квантование сигнала (два каскада по 8 бит). На выход DBBC может подключаться одновременно 2 системы регистрации. Примеры АЧХ, которые реализует DBBC, приведены на рис. 29. Стоимость DBBC составляет порядка 80-90 тысяч евро. Один 2-х канальный модуль на полосу 48 МГц для системы NRTV стоит 11-12 тысяч евро.

Рис. 28. Блок-схема аналого-цифрового преобразователя DBBC.

Рис. 29. Примеры АЧХ, которые реализует DBBC.

Различные РСДБ-задачи могут накладывать определенные требования на используемую аппаратуру. К примеру, прием сигналов КА производится в на длинах радиоволн 13 см и 3,6 см, при этом РСДБ-аппаратура должна обеспечивать согласованную фильтрацию спектральных составляющих сигналов КА, а также прием сигналов квазаров в достаточно широкой полосе частот, чтобы наблюдать слабые квазары максимально близкие к траектории КА. Также, при навигационных измерениях желательно проведение РСДБ-наблюдений в квази-реальном времени, что налагает требование на качество каналов связи, которые будут использоваться для передачи принятых РСДБ-сигналов в центр корреляционной обработки. Для исследований тел Солнечной системы методом РСДБ-локации требуется использовать многоуровневое квантование, чтобы сохранить полную информации о принятом эхо-сигнале, а не только информацию о фазе, как при стандартной технике РСДБ, где используется 1 и 2-х битное квантование. При радиолокации монохроматическим радиосигналом может потребоваться тонкая фильтрация радиосигналов, что может быть обеспечено далеко не всеми типами видеоконвертеров.

Геодинамические эксперименты проводятся одновременно в 2-х частотных диапазонах – 13 см и 3,6 см, следовательно видеконвертер должен иметь минимум 2 входа. Эксперименты обычно проводятся в полосе 56 МГц, но зачастую с реализацией синтеза широкой полосы для увеличения точности измерений. РСДБ-наблюдения слабых объектов, например, активных звезд, проводятся в максимально широкой полосе частот до 512 МГц в самых разных частотных диапазонах. А для наблюдений источников мазерного излучения достаточно относительно небольшой полосы частот – 16 МГц на длинах волн 18 см, 1,35 см. С другой стороны, некоторые линии мазерного излучения находятся за пределами стандартных радиоастрономических диапазонов, поэтому такого рода исследования требуют модификации радиоприемников. Наблюдения квазаров часто проводятся в 2-х круговых поляризациях одновременно для исследования магнитных полей, или же одновременно в нескольких частотных диапазонах сразу (например, 1,35, 6 см, 18 см, 50 см), для изучения спектральных свойств объектов. Т.о. на радиотелескопах необходимо иметь радиоприемники на несколько частотных диапазонов, при этом каждый из них должен иметь по 2 канала на разные поляризации. А также должна быть обеспечена возможность передачи от приемников до видеоконвертеров одновременно не менее 4-х сигналов промежуточной частоты. При этом и радиоприемники и кабельные линии должны пропускать сверширокие полосы до 512 МГц без значительных искажений АЧХ. Для обработки результатов наблюдений мазеров и пульсаров требуется реализация особых корреляционных режимов обработки (например, для пульсаров необходимы т.н. «ворота» - обеспечение работы коррелятора только во время пульсарного импульса миллисекундной длительностью, иначе не будет достигнуто требуемое отношения сигнал/шум). Для обработки результатов наблюдений солнечного ветра и солнечных микровспышек-спайков требуется высокое ременное разрешение коррелятора, чтобы исследовать временные вариации радиосигналов.
Литература
  1. А.Ф.Дементьев, В.А.Алексеев, А.А.Антипенко, С.П.Игнатов, Н.А.Князев, А.Е.Крюков, Б.Н.Липатов, Е.П.Молотов, И.Е.Молотов, В.А.Окмянский. Радиоинтерферометрия бортового сигнала КА "ГРАНАТ" для навигационных координатных измерений. Всероссийская астрономическая конференция. Тезисы заявленных докладов. - СПб.: НИИХ СПбГУ, 2001, стр. 57.
  2. Алексеев В.А., Алтунин В.И., Горшенков Ю.Н., Дементьев А.Ф., Игнатов С.П., Князев Н.А., Липатов Б.Н., Молотов Е.П., Молотов И.Е., Попереченко Б.А., Чибисов А.В., Языков В.П. Сотрудничество Российской и Американской сетей слежения дальнего космоса в области интерферометрии. Труды конференции "Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики", 23-27 сентября 1996 г. С.-Петербург, стр. 156-163.
  3. J.M. Charman, J. Reynolds, W. Wilson, D.L. Jauncey, V.I. Slysh, I.E. Molotov, R.D. Dagkesamanskii, P.M. McCulloch, J.E.J. Lovell, G. Feil. Detection of Compact OH Mainline Maser Emission from the Supergiant Star VX Sgr. Proceedings of 4th APT Workshop, 4-7 December 1995, Sydney, Australia, pp. 120-127.
  4. Slysh V.I., Jauncey D.L., Reynolds J.E., Molotov I.E., Wilson W., Jauncey D.L., McCulloch P.M., Feil G., Cannon W. et al., VLBI Observations of OH Masers with the S-2 Recording System. MNRAS 283, N 1, 1996, pp. 9-14.
  5. Rodin A., Sekido M. Pulsar VLBI observations. Proceedings of the 6th European VLBI Network Symposium, Ros, E., Porcas, R.W., Lobanov, A.P., & Zensus, J.A. (eds.) , June 25th-28th 2002, Bonn, Germany, pp.
  6. Пушкарев А.Б., Ковалев Ю.Ю., Молотов И.Е., Нечаева М.Б., Горшенков Ю.Н., Туккари Дж, Стангелини К., Хонг Ш., Куик Дж., Доугхерти Ш., Лю Ш. Квазиодновременные наблюдения активных ядер галактик с помощью РСДБ и на РАТАН-600. Астрономический журнал, 2004, том 81, № 11, стр. 988-997.
  7. Nechaeva M. B., Gavrilenko V. ,G., Yu., Gorshenkov N., Lipatov B.N., Liu Xiang, Molotov I.E., Pushkarev A.,B., Shanks R. & Tuccari G. VLBI-experiments on research of solar wind plasma. Proceedings of 7th European VLBI Network Symposium on VLBI Scientific Research & Technology Toledo Spain. October 12-15, 2004, Edited by Rafael Bachiller, Francisco Colomer, Jean-Fransois Desmurs, Pablo de Vicente. Observatorio Astronomico Nacional. p. 333-336.
  8. Молотов И.Е., Вольвач А.Е., Коноваленко А.А., Фалькович И.С., Литвиненко Л.Н., Негода А.А., Федоров О.П., Липатов Б.Н., Горшенков Ю.Н., Агапов В.М., Туккари Дж., Лю Ш. Международные эксперименты по исследованию околоземных объектов с помощью метода РСДБ-локации. Космическая наука и технология, т.10, №2/3, 2004, стр. 87-92.
  9. Gino Tuccari, Igor Molotov, Salvatore Buttacio, Yuri Gorshenkov, Xiang Liu, Xiaou Hong, Maria Nechaeva, Gaetano Nicotra, Alexander Volvach. E-LFVN - An Internet Based VLBI Network. Proceedings of the 3rd e-VLBI Workshop, Makuhari, October 6-7, 2004. International VLBI Service for Geodesy and Astrometry, NICT Technology Development Center News No. 25, November 2004, National Institute of Information and Communications Technology, Tokio, Japan, p. 59 – 63.

Размещен 4 октября 2006.

Главная Новости ПулКОН РСДБ Обсерватории Публикации About us Контакт

Рейтинг@Mail.ru