В статье рассмотрено современное состояние работ в области радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ), ведущихся в НИРФИ. Опираясь на богатую методическую и аппаратурную базу и накопленный опыт радиоинтерферометрических наблюдений, в последнее десятилетие коллектив лаборатории РСДБ продолжил экспериментальные и теоретические исследования методом радиоинтерферометрии по нескольким направлениям, включающим изучение плазмы солнечного ветра, радиоизлучения Солнца, радиолокационные исследования тел солнечной системы и навигационные измерения. Приведены основные экспериментальные результаты, полученные по решаемым задачам.

Необходимость достижения высокого углового разрешения для изучения компактных радиоисточников и их пространственной структуры вызвала появление новых радиоастрономических инструментов - радиоинтерферометров со сверхдлинной базой. Исследования в области РСДБ были начаты практически одновременно в СССР, США и Канаде в 1965 году [1-3]. В СССР работы по данной тематике начались параллельно в ФИАН и НИРФИ. В течение полувека в СССР и России проведено большое количество теоретических и экспериментальных работ и разработан ряд научных направлений в области РСДБ благодаря усилиям специалистов ФИАН, ГАИШ, ИПА, ИКИ, НИРФИ и других организаций. Полученные результаты обобщены в нескольких полных обзорах, систематизирующих состояние отечественной РСДБ, среди которых следует выделить статьи, вошедшие в сборник [2]. Результаты работ зарубежных групп РСДБ представлены в обширной монографии [3]. В данной статье описан вклад НИРФИ в РСДБ-исследования: кратко перечислены основные работы и сделан обзор исследований последнего десятилетия.

В НИРФИ работы по радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой возглавляли в разное время В.С. Троицкий, В.А. Алексеев, Б.Н. Липатов. На начальном этапе исследований была проведена разработка аппаратурных комплексов радиоинтерферометров с системами независимого приема, методик обработки сигналов и осуществлены пробные эксперименты на малобазовых инструментах радиоастрономических станций НИРФИ. Были созданы радиоинтерферометрические комплексы, включая системы приема в широком диапазоне частот от 9 МГц до 22 ГГц, системы когерентного преобразования сигналов, регистрации, корреляции и спектрального анализа. Предложены методы синтеза широкой полосы, фазового контроля приемных трактов, алгоритма обработки РСДБ-данных и пр. [4-15].

Параллельно разрабатывались теория и методы РСДБ для решения фундаментальных и прикладных задач. Были предложены методы апертурно-частотного синтеза для построения радиоизображений космических источников со сверхвысоким пространственным разрешением и способы измерения угловых расстояний между двумя источниками квазимонохроматического излучения [16-18]. С 1969 г. начались экспериментальные астрофизические исследования с использованием крупных радиотелескопов страны. Первые эксперименты были нацелены на измерение угловых размеров источников космического радиоизлучения и оценок их коррелированных плотностей потоков (1969) [19]. Впервые проведены измерения углового размера источника Кассиопея А в диапазоне декаметровых волн (1971) [20]. В кооперации с Крымской и Бюроканской обсерваториями сделаны оценки размеров нескольких радиоисточников с разрешением 0.1 угл.сек. на частоте 408 МГц (1972) [21]. В определении угловых размеров космических мазеров на волне λ=1.35 см (23 ГГц) с базой 1100 км реализовано угловое разрешение 0.001 угл.сек. (совместно с БАО АН СССР, ИКИ АН, ИРЭ, КРАО, ФИАН, 1972-1973) [22].

Первые эксперименты показали, что РСДБ дает возможность решать классические задачи астрономии с точностью более чем на два порядка выше точности, достигаемой другими методами измерений. Это обстоятельство сделало РСДБ незаменимым инструментом космической радиоастрометрии. Предложены основы метода дифференциальной интерферометрии, который нашел применение для решения ряда фундаментальных и прикладных астрометрических проблем [23-25]. Решена задача установления фундаментальной квазиинерциальной системы небесных координат и системы земных координат и оперативного определения их взаимной ориентации [26,27]. Метод дифференциальной интерферометрии применен для измерения скорости вращения Земли, движения полюсов и изучения приливов в земной коре [28]. При интерферометрии космических мазеров тем же методом впервые в СССР осуществлена синхронизация разнесенных шкал времени и впервые были привязаны геодезические координаты больших антенн с погрешностью менее одного метра (1973) [29, 30].

Космическая навигация - одно из направлений астрометрии, в котором нашла приложение РСДБ. Разработаны основы метода радиоинтерферометрического определения небесных координат искусственных спутников Земли на различных типах орбит и межпланетных космических аппаратов в целях высокоточного навигационного обеспечения их полетов. Впервые выполнено измерение угловых координат искусственного спутника Венеры и аэростата в атмосфере Венеры (проект "ЭОС - Венера", 1974), автоматической межпланетной станции "Вега" (1985-1989), космического аппарата "Фобос" (1989) [31 34]. Проведены эксперименты по оперативному установлению точного положения ИСЗ "Астрон" и "Гранат" методом длиннобазовой узкополосной радиоинтерферометрии в сочетании с дальномерно-доплеровскими измерениями (1989, 1990) [35-37].

Разработано методическое и аппаратурное обеспечение радиоинтерферометрической астрометрии пульсаров, направленное на получение пространственно-временных характеристик пульсара (угловых координат, периода и фазы излучения) [38-40].

Метод РСДБ открыл новые возможности для исследования космических сред. В 1984 году осуществлен РСДБ-эксперимент по радиопросвечиванию околосолнечной плазмы сигналами АМС "Венера-15" на базе Крым - Подмосковье длиной 1200 км (λ=30 см) [41]. В 1986 году выполнены эксперименты по зондированию комы кометы Галлея радиосигналами пролетных аппаратов "Вега" [42]. С 1990 года начались регулярные РСДБ-исследования плазмы солнечного ветра при просвечивании ее радиоизлучением квазаров [43-46].

Одним из важнейших направлений работ НИРФИ является создание приемно-регистрирующих комплексов и отдельных блоков РСДБ-аппаратуры. Очевидно, что широкий спектр решаемых научных задач потребовал задействования большого количества антенн. РСДБ-наблюдения проводятся в тесном сотрудничестве с организациями, владеющими крупными антенными комплексами. В настоящее время приемно-регистрирующими системами НИРФИ оснащено пять РСДБ-пунктов.

Опираясь на богатую методическую и аппаратурную базу и накопленный опыт радиоинтерферометрических наблюдений, в последнее десятилетие в НИРФИ продолжались экспериментальные и теоретические РСДБ-исследования по следующим направлениям:

1. Исследование среднемасштабной структуры плазмы солнечного ветра.
2. Исследование эффектов рассеяния в межзвездной и межпланетной средах.
3. Исследование пространственно-временной структуры солнечных микровспышек.
4. Радиолокационные исследования тел солнечной системы.
5. Координатно-навигационные измерения.
6. Отработка методики наблюдения излучения активных звезд.

В 1996 году открылись новые возможности для проведения экспериментов по перечисленным задачам в связи с организацией радиоинтерферометрической международной Низкочастотной РСДБ-сети LFVN (Low Frequency VLBI Network) [47-49]. Основными участниками сети LFVN на сегодняшний день являются следующие российские и зарубежные РСДБ-пункты: Евпатория (РТ-70, НЦУИКС, РИНАНУ, Украина), Медвежьи Озера (ТНА-1500, ОКБ МЭИ, Россия), Ното (РТ-32, Италия), Урумчи (РТ-25, Китай), Симеиз (РТ-25, Украина). Кроме перечисленных РСДБ-пунктов, в период с 1996 по 2006 год в проведении 24 научных РСДБ-экспериментов были задействованы в различных комбинациях радиотелескопы из 12 стран мира.

В функции коллектива НИРФИ в рамках деятельности LFVN входит постановка научных задач, составление программ экспериментов и расчет расписаний наблюдений. Сотрудники НИРФИ принимают участие в экспериментах на нескольких РСДБ-пунктах, обеспечивая работу приемно-регистрирующих комплексов, разработанных и изготовленных в НИРФИ. Обработка данных осуществляется на корреляторе "НИРФИ 3".

Остановимся подробнее на основных экспериментальных результатах по указанным направлениям, полученных за последние годы.

Изучение космических сред - ионосферы Земли, короны Солнца, межпланетной и межзвездной среды - является традиционным направлением радиофизики. Особый интерес представляет исследование околосолнечной плазмы и плазмы солнечного ветра. Эти среды оказывают наибольшее влияние на проходящее через них излучение, что сказывается на результатах радиоастрономических и астрометрических наблюдений. Исследование солнечного ветра имеет большое значение и для решения проблем физики солнечно-земных связей. Процессы, протекающие в солнечном ветре, формируют космическую погоду в Солнечной системе, воздействуют на атмосферу и биосферу Земли. Контроль состояния околосолнечной плазмы является основой геоэффективных прогнозов.

В настоящее время диагностика межпланетной и околосолнечной плазмы осуществляется радиоастрономическими способами, основанными на методе радиопросвечивания: методом мерцаний, методом радиозондирования среды сигналами космических аппаратов с приемом наземным радиотелескопом, а также методом доплеровской большебазовой интерферометрии [50]. В последнее десятилетие в этой области исследований находят применение методы широкополосной радиоинтерферометрии.

При радиоинтерферометрическом приеме излучение от источника, расположенного на малом угловом расстоянии от Солнца, распространяется через неоднородную среду солнечного ветра и принимается в разнесенных наземных пунктах. Турбулентная плазма вызывает флуктуации параметров проходящего излучения, анализ этих флуктуаций несет информацию о среде распространения. Процедура обработки сигналов, характерная для радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой, состоит в перемножении между собой принятых антеннами сигналов, относящихся к одному и тому же волновому фронту излучения, исходящего от радиоисточника. Этот способ перемножения сигналов позволяет исключить собственные флуктуации излучения источника (они полностью коррелированы в принимаемых сигналах) и исследовать только относительные возмущения, вносимые средой на двух различных трассах распространения. Такая процедура обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным однопунктовым приемом, методами доплеровской интерферометрии и дисперсной радиоинтерферометрии, так как позволяет зондировать среду не только монохроматическими сигналами космических аппаратов, но и широкополосным излучением естественных радиоисточников. Информативность РСДБ-наблюдений возрастает при одновременных измерениях на нескольких базах с различными ориентациями и длинами, в этом случае можно судить также и о форме (анизотропии) неоднородностей по разнице фазовых возмущений интерференционных откликов на различных базах, снимая их "мгновенный" портрет. При этом размер проекции базовой линии на фронт волны определяет максимальный масштаб неоднородностей, к которым чувствителен данный интерферометр [51-53].

Несмотря на то, что первый радиоинтерферометрический эксперимент по просвечиванию солнечного ветра состоялся в 1951 году [54], некоторые аспекты данного метода подробно не были рассмотрены. В том числе, не было уделено достаточно внимания анализу корреляции комплексных полей с учетом пространственного разноса приемников, не были проанализированы и спектральные характеристики выходного сигнала интерферометра, содержащего как фазовые так и амплитудные флуктуации принятого излучения. Данное обстоятельство не позволило проявить преимущества РСДБ-метода в описываемой задаче.

В НИРФИ исследования плазмы солнечного ветра при приеме широкополосного излучения естественных радиоисточников ведутся с начала 1990-х годов [43]. Теоретические и экспериментальные работы были направлены на развитие интерферометрических методов диагностики турбулентных потоков и разработку способов повышения их информативности при определении параметров турбулентной среды. Выполнен анализ спектральных и энергетических характеристик сигнала радиоинтерферометра при приеме шумового излучения естественного радиоисточника. Предложена методика восстановления информации о параметрах среды распространения (электронной концентрации, скорости солнечного ветра) по спектральному составу сигнала интерферометра [51-53, 56].

Выполнялось экспериментальное исследование возможностей рассматриваемого метода. В 1994-2000 гг. было проведено семь многоцелевых международных сессий РСДБ-наблюдений внегалактических радиоисточников и Солнца на частотах 327 МГц и 1665 МГц [45,46,55,56]. В экспериментальной части, касающейся диагностики плазмы солнечного ветра, исследовалась пространственная область на угловых расстояниях от Солнца более R>10R_☼ (R_☼ - радиус Солнца), т.е. с установившимся течением солнечного ветра, где выполняются предположения гипотезы вмороженности [50]. С этой целью наблюдались источники, располагавшиеся от Солнца на угловых расстояниях от 4° до 53°.

Первичная обработка экспериментов 1994-1996 года осуществлялась в Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института (США), экспериментов 1997-2000 г. - на корреляторе Национальной радиоастрофизической обсерватории Канады в Пентиктоне. Вторичная обработка, направленная на решение задач программы солнечного ветра, осуществлялась в НИРФИ с помощью специально созданного пакета программ.

При обработке экспериментальных данных рассчитывался спектр мощности сигнала интерферометра. При анализе данных предполагалось, что при распространении излучения в турбулентной среде определяющий вклад в сильные возмущения фазы сигнала дают крупномасштабные неоднородности, а мелкомасштабные неоднородности формируют слабый фон фазовых флуктуаций проходящего излучения [57].

Выполнена оценка показателя пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации по измерениям спектрального индекса экспериментальных спектров мощности сигнала интерферометра при слабых фазовых флуктуациях просвечивающего излучения. Скорость солнечного ветра определялась по частоте излома спектра. По результатам эксперимента 2000 г. получено среднее значение скорости солнечного ветра, которое составляет V_|=342±17 км/с, и среднее значение спектрального индекса: p=3.57±0.06. Данная величина близка к значению индекса спектра Колмогорова, который равен p_k=11/3, и согласуется с экспериментальными результатами исследований солнечного ветра, выполненных различными методами. Примененный метод впервые позволил оценить скорость солнечного ветра и показатель пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации независимо друг от друга в области масштабов от 2000 до 9000 км. Полученные значения спектрального индекса и скорости позволяют подтвердить применимость гипотезы "вмороженности" и спектра Колмогорова для описания пространственно-временных изменений в солнечном ветре на больших расстояниях от Солнца R>40R_☼ [53,56].

Проанализированы зависимости ширины спектра от гелиоцентрического расстояния трассы зондирования и от угла между проекцией базы на фронт волны и скоростью солнечного ветра. Несмотря на то, что в случае сильных флуктуаций фазы описанный метод не дает количественной точной информации о параметрах среды, предоставляется возможность качественной интерпретации крупномасштабной пространственной структуры по относительному уширению спектральных откликов интерферометра. По результатам обработки было показано наличие вытянутых (на несколько сотен тысяч километров) вдоль направления движения солнечного ветра областей повышенной интенсивности флуктуаций электронной концентрации с поперечными размерами 1500-2000 км. Сделан анализ ограничений, накладываемых плазмой солнечного ветра на работу РСДБ-систем в дециметровом диапазоне длин волн. Показано, что влияние неоднородностей околосолнечной плазмы на работу РСДБ-систем существенно в области угловых расстояний от Солнца до 30 градусов в диапазоне 1665 МГц и до 80 градусов в диапазоне 327 МГц. При этом фазовая когерентность сигналов полностью нарушается при близком расположении трассы зондирования к Солнцу: на расстояниях менее 3 (в диапазоне 1665 МГц) и менее 13 (в диапазоне 327 МГц) РСДБ-измерения затруднены [46,53].

В процессе анализа результатов экспериментов были выработаны рекомендации для оптимального планирования наблюдений и обработки полученной информации, касающиеся подбора источников, пригодных для исследования солнечного ветра, длительности интервалов наблюдений, условий наблюдений в каждом приемном пункте и параметров корреляции полученных данных, а также создана и отлажена программная база для спектральной обработки сигналов интерферометра, искаженных воздействием возмущенной среды.

Одним из научных направлений, развиваемых в НИРФИ, является исследование вспышечных процессов, проявляющихся в солнечном радиоизлучении. В последние годы такие исследования направлены на получение все более детальных характеристик этих процессов. Особое внимание уделяется изучению их тонкой спектральной, временной и пространственной структуры.

Важную роль в солнечной радиофизике играют микроволновые короткоживущие всплески (длительностью менее 1 с) с узким частотным спектром (Δf/f<0.1) и малыми угловыми размерами (менее 1 угловой секунды). Хорошо известны такие события с тонкой структурой как спайки, блипы, всевозможные виды пульсаций, зебра-структура и др. [58]. Эти типы микроволновых всплесков генерируются когерентными плазменными и циклотронными механизмами излучения. Исследования особенностей короткоживущих всплесков и разработка теоретических моделей представляет не только самостоятельный научный интерес, но и является особенно полезным для изучения таких фундаментальных для теории вспышек проблем, как фрагментация вспышечного энерговыделения и ускорение частиц.

Обнаруженные тонкая временная и спектральная структура всплесков в дециметровом и сантиметровом диапазонах (t=0.01-0.1 c, Δf/f<0.05) указывают на то, что их радиоисточники сильно фрагментированы. Ожидаемые размеры таких источников при этом составляют 0.1" 0.001", что оказывается далеко за пределами разрешающей способности инструментов, используемых в настоящее время в солнечной радиоастрономии (VLA, WRST, ССРТ) [59-62]. Реализовать столь высокое пространственное разрешение в настоящее время позволяет только использование радиоинтерферометров со сверхдлинной базой.

Эксперименты по исследованию фрагментированного солнечного излучения радиоинтерферометрическим методом были начаты в НИРФИ в середине 90-х годов. В этот же период началось создание радиоинтерферометрического комплекса НИРФИ, предназначенного для проведения регулярных исследований быстровременных (с длительностью менее секунды) процессов на Солнце, слабых вспышечных явлений ("микровспышек"), процессов рассеяния микроволнового излучения в короне Солнца. Радиоинтерферометрический комплекс был создан на основе существующих радиотелескопов РТ-7, РТ-14 и РТ-15. В него входят малобазовый интерферометр с длиной базовой линии ~ 416 м в Старой Пустыни и радиоинтерферометр независимого приема "Зименки Старая Пустынь" с базой ~ 70 км. Комплекс позволяет изучать локализацию, пространственные размеры и динамику источников солнечных радиовсплесков с высоким (до 1 мс) временным разрешением, а также оценивать их яркостную температуру.

С помощью малобазового интерферометра в Старой Пустыни в 1994 году исследована пространственная динамика источников солнечных субсекундных всплесков в дециметровом диапазоне длин волн. Обнаружено, что в многокомпонентном радиовсплеске, имеющем несколько максимумов, вариации положения центра радиояркости в ходе интенсивных пиков могут достигать 8", а линейные скорости видимого перемещения источника близки к 30 тыс.км/с. Вместе с тем однозначной временной корреляции вариаций фазы (положения источника) и плотности потока отдельных субсекундных компонентов не обнаружено. Установлено, что положения источников некоторых соседних субсекундных пиков в многокомпонентном всплеске заметно отличаются друг от друга и эта разница может достигать 3"-8" для пиков, разделенных временем 0.3-0.5 с [63-66].

В 1995, 1998, 2000 годах с участием НИРФИ были проведены РСДБ-эксперименты по наблюдению солнечных радиовсплеков в дециметровом диапазоне с задействованием РСДБ-комплексов с базами от 200 км до 400 км. Из всех зарегистрированных (более 30) радиовсплесков малой длительности (< 1 с) интерферометрические отклики были обнаружены только в 2-х случаях (эксперимент 1995 года, Медвежьи Озера - Пущино). Использовавшееся при обработке временное разрешение в 2 секунды не позволило отождествить эти события с каким-либо определенным типом всплесков. Однако наличие интерференции свидетельствует о малых размерах (менее 1") источников этих всплесков. Оценка их яркостной температуры, сделанная по отношению сигнал/шум и размеру интерференционного лепестка, дает величину около 10⁹ К для всплеска длительностью 2 с и 10¹¹ К для всплеска длительностью 20 мс [67].

Наблюдения компактных солнечных вспышек на радиоинтерферометре независимого приема "Зименки - Старая Пустынь" начаты в 2006 году. В мае и ноябре осуществлено два цикла РСДБ-наблюдений Солнца и космических радиоисточников на частотах 610 МГц и 325 МГц. По результатам наблюдений зарегистрировано около 10 радиовсплесков с субсекундными временными структурами. Предварительная корреляционная обработка радиоинтерферометрических данных на частоте 325 МГц во время вспышки в момент 07:02:25 UT 5 ноября 2006 года показала наличие нескольких мощных всплесков в отклике интерферометра, что свидетельствует о достаточно малых размерах источника.

Таким образом, выполненные РСДБ-эксперименты и полученные результаты показали возможность получения новой научной информации о быстрых вспышечных процессах на Солнце с помощью радиоинтерферометрических измерений. В дальнейшем для получения более полной информации о наблюдаемых компактных источниках солнечного радиоизлучения (размерах, количестве одновременно возникающих спайках в ограниченной области, расстоянии между источниками, скорости их движения и др.) предполагается проведение наблюдений одновременно на 2 3 частотах и расширение имеющегося двухэлементного радиоинтерферометра до многоэлементного комплекса, состоящего минимум из трех приемных РСДБ-пунктов. Кроме того, задачу исследования вспышечного фрагментированного излучения Солнца планируется включить в программу международных экспериментов, регулярно осуществляемых с участием НИРФИ на международной РСДБ-сети LFVN с одновременными наблюдениями на радиоинтерферометре НИРФИ "Зименки - Старая Пустынь".

Искусственные спутники Земли (ИСЗ) и автоматические межпланетные станции (АМС) с начала эпохи космонавтики являются наиболее эффективными средствами исследования межпланетной и межзвездной среды и объектов Солнечной системы. Современные космические проекты включают программы исследований атмосферы Земли, околосолнечной плазмы, планет и их атмосфер и другие программы с геодинамическими, астрофизическими и астрометрическими приложениями. Расширяются функции ИСЗ: кроме выполнения научных задач, спутники обеспечивают функционирование систем оперативной связи и навигации.

Анализ задач, возлагаемых на космические аппараты (КА), показывает необходимость увеличения точности и оперативности навигационного обеспечения. Повышение точности координатных измерений КА позволит сократить число коррекций их орбит, использовать аэродинамическое торможение в атмосферах планет для коррекций орбиты. Повышение точности измерений координат КА придает новое качество решаемым задачам и способствует расширению круга охваченных проблем. Развитие технических методов слежения за космическими аппаратами и измерения параметров их движения на межпланетных расстояниях является одним из приоритетных направлений современной космонавтики.

Интерферометрические навигационные исследования, которые осуществляются с 1969 года [31-37, 68], показывают, что дополнение дальномерно-доплеровских средств радиоинтерферометрическим приемом позволяет достичь высокой точности навигационных определений положения КА, достигающей 0.001", что соответствует нескольким километрам на расстоянии от Земли до Марса.

Опираясь на опыт радиоинтерферометрических измерений, накопленный в НИРФИ в рамках миссий "Вега", "Астрон", "Гранат" и "Фобос" [31-37], в последнее десятилетие коллектив института продолжил навигационные исследования. Определение небесных координат космических аппаратов в квазиинерциальной системе координат Radio Reference Frame основан на методе дифференциальной радиоинтерферометрии [24]. Данный метод заключается в квазиодновременном наблюдении бортовых сигналов космического аппарата и излучения внегалактического радиоисточника (квазара или ядра радиогалактики) с точно известными координатами, расположенного в период сеанса на малом (несколько градусов) угловом расстоянии от КА, и определении разности временных задержек и частот интерференции между принятыми в приемных пунктах интерферометра сигналами от КА и радиоисточника. Эти дифференциальные измеряемые параметры служат информативной основой для вычисления углового расстояния между КА и радиоисточником.

В октябре 2005 г. совместно с Европейским центром управления полетами (ESOC) на базе сети LFVN был осуществлен РСДБ-эксперимент по радиосигналам межпланетного космического аппарата "Марс-Экспресс" в диапазонах 2,3/8,4 ГГц [69, 70].

В результате обработки данных, выполненной в НИРФИ, построены спектры взаимнокорреляционного сигнала, полученного на базах Медвежьи Озера - Евпатория, Медвежьи Озера - Урумчи, Евпатория - Урумчи (рис.1). По результатам определены частоты интерференции, которые используются для уточнения орбиты КА в ИПМ им. Келдыша.

Для решения фундаментальных проблем космогонии и небесной механики, связанных с исследованием происхождения и эволюции Солнечной системы, необходимы полные данные о телах Солнечной системы и параметрах их движения, включая точные орбитальные параметры, период вращения, ориентацию в пространстве, форму и размер исследуемых объектов. Изучение движения тел Солнечной системы необходимо и для решения прикладных задач, в том числе для подготовки и успешного осуществления межпланетных космических миссий.

Важной прикладной задачей является мониторинг околоземного космического пространства с целью обнаружения, определения параметров движения и каталогизации искусственных и природных космических объектов, потенциально опасных для Земли. К таким объектам, в первую очередь, относятся фрагменты "космического мусора" (выработавшие ресурс спутники, ступени ракет и т.д.). Техногенное загрязнение ближнего космоса представляет уже в настоящее время угрозу полетам космических аппаратов и экологии Земли в случае падения крупных или радиоактивных фрагментов.

В связи с открытием популяции малых планет, траектории которых пересекают орбиту Земли, остро встает проблема астероидной опасности. Столкновение Земли с астероидом может вызвать катастрофу глобального масштаба. Исследования динамики движения таких объектов, а также изучение их физико-минералогических свойств будут служить основой для построения долгосрочных прогнозов опасных событий и оценок последствий возможных столкновений.

В конце 90-х годов в НИРФИ был предложен метод исследования объектов Солнечной системы с помощью радиолокационной длиннобазовой интерферометрии (РСДБ-локация) [71]. Данный метод состоит в облучении исследуемых объектов сигналом мощного передатчика (монохроматическим или линейно-частотно-модулированным) и приеме отраженных сигналов комплексом антенн в РСДБ-режиме. Траекторные измерения объектов обеспечиваются комбинацией методов РСДБ-локации и дифференциальной интерферометрии [24] при последовательном приеме сигналов внегалактического радиоисточника с известными координатами и эхо-сигналов исследуемых объектов. Метод РСДБ-локации применим для решения следующих задач: определение точных траекторий движения центров масс планет земной группы в квазиинерциальной системе координат Radio Reference Frame; измерение параметров векторов собственного вращения планет земной группы, включая их короткопериодические вариации; уточнение траекторий астероидов и объектов "космического мусора".

Эксперименты по развитию метода РСДБ-локации с 2001 года проводятся на регулярной основе только на базе сети LFVN [48, 70-77]. Интерпретация данных (определение параметров орбит объектов) выполняется в ИПМ им. Келдыша. В результате проведенных работ зарегистрированы эхо-сигналы от нескольких десятков объектов "космического мусора" на различных типах орбит, а также от планет Марс, Венера, астероида 2004 XP14.

Поскольку изучение "космического мусора" с помощью РСДБ-локации является достаточно новой проблемой, большинство проводимых по этой тематике работ требовало отработки всех этапов эксперимента: выбора объектов, методики наблюдений в различных режимах локации, процедуры записи и обработки данных. 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.

В число основных задач обработки включались измерения частоты Доплера, частоты интерференции, по результатам которых в дальнейшем проводился расчет параметров орбит. В стадии отладки находится процедура измерения дальности по геометрической задержке с использованием при локации линейно-частотно-модулированного сигнала. Кроме того, предложен способ получения информации об общем состоянии космического аппарата: скорости вращения, направления и стабильности оси вращения, размерах, наличии отдельных отражающих фрагментов на корпусе объекта и т.д. Данный способ основан на анализе временной динамики частотного спектра корреляционного сигнала интерферометра в режиме РСДБ и режиме бистатической локации [76, 77].

Разработана методика обработки данных экспериментов по РСДБ-локации. На сегодняшний день процедура обработки проводится по установившейся схеме и выполняется в несколько этапов [75-77].

На первом этапе осуществляется автокорреляция записанного сигнала в каждом РСДБ-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.2. Отметим, что до записи на носитель принятый сигнал проходит ряд частотных преобразований в приемном тракте, схема которых выстраивается таким образом, чтобы полезный сигнал после переноса в область низких частот проявлялся на частоте около 254 кГц в полосе регистрации. На рис. 2 показан мощный отклик от исследуемого объекта на частоте F_v=251 кГц. Смещение максимума спектра по оси частот вызывается эффектом Доплера, возникающим из-за движения исследуемого объекта. Точность определения сдвига Доплера по автокорреляционному сигналу не велика (около 3 кГц), поэтому для получения информации о скорости движения источника далее выполняется кросс-корреляционный анализ.

На втором этапе обработки выполняется корреляция сигнала передатчика (или модели излученного сигнала) и эхо-сигнала, принятого в каждом приемном пункте (режим бистатической локации). Результат корреляции подвергается спектральной обработке. По частоте максимума спектрального отклика с высокой точностью (сотые доли Гц) определяется частота Доплера, которая несет информацию о скорости движения объекта. На рис.3 приведены спектрограммы для последовательных во времени участков корреляционного сигнала при приеме в Медвежьих Озерах эха крупного объекта на геостационарной орбите. Дополнительно 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 последнем этапе обработки вычисляется взаимная корреляционная функция эхо-сигналов для всех баз сети (режим РСДБ) и выполняется спектральный анализ. Измеряемыми параметрами 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.4.

Таким образом, отлажена методика измерения частотных сдвигов Доплера одновременно в нескольких приемных пунктах, измерение частоты интерференции, определение периода вращения (по изменению максимума спектра). В Баллистическом центре ИПМ им. М.В. Келдыша РАН осуществляется уточнение орбитальных параметров исследуемых объектов. Результат апостериорной оценки точности определения элементов орбиты объекта "Космос-1366" приведены в таблице 1 [74, 75]. Оценки радиальной скорости спутника "Космос-1366" на геостационарной орбите выполнялись по измерениям частот Доплера на базах Евпатория - Урумчи и Евпатория - Медвежьи Озера и были обработаны совместно с оптическими измерениями прямого восхождения и склонения объекта. Для сравнения в таблице 1 также представлены ошибки определения орбиты, полученные только по оптическим измерениям. Как следует из представленных оценок, привлечение измерений радиальной скорости обеспечивает существенное повышение точности определения орбиты.

Т а б л и ц а 1

Эксперименты по РСДБ-локации с участием НИРФИ регулярно проводятся последние несколько лет вплоть до настоящего времени. Так, в июле 2006 г. проведен международный РСДБ-сеанс VLBR 06.1 по локации планеты Меркурий, Луны, астероида 2004 XP14 и объектов "космического мусора" [70, 77]. В эксперименте, кроме основных РСДБ-пунктов сети LFVN (Евпатория, Симеиз, Урумчи, Ното), впервые были задействованы пункты Калязин (ОКБ МЭИ, ПРАО АКЦ ФИАН) и Зеленчук (ИПА РАН). Сотрудники НИРФИ принимали участие в обеспечении работы приемной аппаратуры НИРФИ, установленной в пунктах Евпатория и Калязин.

По результатам обработки данных эксперимента получены эхо-сигналы от 13 фрагментов "космического мусора". В том числе впервые был принят эхо-сигнал от малоразмерного фрагмента на геостационарной орбите.

Радиолокационные эксперименты, нацеленные на обнаружение неизвестных объектов "космического мусора" проводились в режиме "beam-park", в котором диаграммы передающей и приемных антенн пересекаются в заданной точке и в процессе наблюдений регистрируется количество пролетевших объектов за единицу времени. По данным эксперимента "beam-park" выполнена взаимная корреляционная обработка эхо-сигнала, принятого в пункте Калязин, и сигнала передатчика Евпатории. Результаты дальнейшего спектрального анализа позволили зарегистрировать прохождение пяти объектов через диаграмму направленности, для которых выполнены измерения частот Доплера. В описанном эксперименте удалось впервые зарегистрировать эхо-сигналы от фрагментов разрушений низкоорбитальных объектов "82055AS" и "61015BE" и получить по ним точные измерения частот Доплера. Спектрограммы корреляционного сигнала в момент обнаружения объекта "82055AS" представлены на рис. 5.

Одной из задач эксперимента VLBR 06.1 являлась локация астероида. В момент сближения с Землей 3 июля 2006 г. в 04:25 UT астероид 2004 XP14 находился на расстоянии всего лишь 432338 км (расстояние примерно равное расстоянию от Земли до Луны). Предполагаемый диаметр астероида составляет 430 м. Ранее в мире не проводилось локации (как традиционной, так и РСДБ-локации) крупного астероида на таких малых расстояниях.

Локация астероида 2004 XP14 осуществлялась в двух частотных диапазонах: 5010.024 МГц локатором в Евпатории (Украина) и 8560.000 МГц локатором в Голдстоуне (JPL, США). Корреляционный и спектральный анализ РСДБ-информации показал наличие откликов от астероида в обоих диапазонах частот. По результатам взаимнокорреляционной обработки излученного сигнала и принятого эха от астероида проведены прецизионные измерения частот Доплера с целью уточнения параметров орбиты. Отметим, что в экспериментах по РСДБ-локации отклики от астероида получены впервые.

В заключение подчеркнем наиболее важные результаты в области РСДБ, полученные в НИРФИ в последнее десятилетие.

Развит и экспериментально апробирован РСДБ-метод диагностики плазмы солнечного ветра при ее просвечивании широкополосным излучением космических радиоисточников. Впервые измерения скорости солнечного ветра и показателя пространственного спектра выполнены независимо друг от друга в области масштабов неоднородностей, сравнимых с длиной базы интерферометра, что позволяет подтвердить справедливость гипотезы "вмороженности" в области гелиоцентрических расстояний .

Разработан метод радиолокационной длиннобазовой интерферометрии тел солнечной системы и объектов "космического мусора" в околоземном космическом пространстве. Выполнены измерения параметров движения нескольких десятков объектов "космического мусора", позволившие в несколько раз уменьшить ошибку определения орбиты; измерены параметры вращения ряда нефункционирующих космических аппаратов на геостационарной орбите.

Продолжаются работы по разработке и созданию специализированной РСДБ-аппаратуры. Благодаря усилиям сотрудников отделов и радиоастрономических обсерваторий НИРФИ создан и в 2006 году введен в регулярную эксплуатацию собственный инструмент - радиоинтерферометр независимого приема "Зименки - Старая Пустынь". Интерферометр оборудован облучающими системами на рабочие частоты 327 МГц, 610 МГц, 1660 МГц и приемными системами на частоты 327 МГц и 610 МГц. Длина базы интерферометра ~70 км; пространственное разрешение интерферометра в диапазоне 610 МГц составляет ~1.5''. Интерферометр предназначен для исследований космических сред (межпланетной и межзвездной среды, солнечного ветра) и компактных вспышек солнечного радиоизлучения.

В НИРФИ создан и функционирует центр обработки информации "НИРФИ-3", который представляет собой аппаратурно-программный комплекс, служащий для корреляционной и спектральной обработки РСДБ-данных. В настоящее время корреляционный центр "НИРФИ-3" активно используется для обработки радиоинтерферометрической информации, получаемой в совместных российских и международных экспериментах.

Обширный материал, полученный за последние 10 лет, способствовал отработке методик решений ряда задач и обеспечил высокий уровень результатов в радиоастрономических исследованиях, фундаментальной астрометрии, космической навигации, исследованиях свойств космических сред и тел Солнечной системы. Описанный в статье круг задач определяет направления дальнейшей работы в области РСДБ.

Авторы выражают благодарность всем сотрудникам российских и зарубежных обсерваторий, принимавших участие в организации и проведении совместных РСДБ-экспериментов, данные которых использованы в статье, а также И. Е. Молотову, приложившему большие усилия для создания и функционирования сети LFVN. Авторы благодарят В.А. Разина, В.Ф. Мельникова, В.М. Фридмана, Т.С. Подстригача и других сотрудников отделов НИРФИ и радиоастрономических обсерваторий "Старая Пустынь" и "Зименки" за помощь в осуществлении радиоинтерферометрических экспериментов. Авторы благодарят В.Д. Кротикова за ценные советы при подготовке материала данной статьи.

Работы НИРФИ по РСДБ-исследованиям поддержаны РФФИ (гранты №05-02-16838, №06-02 16981).