РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ БЛИЖНЕГО И ДАЛЬНЕГО КОСМОСА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
RADIO INTERFEROMETRIC METHOD FOR STUDYING NEAR AND FAR SPACE OBJECTS AND SYSTEM FOR ITS REALISATION

Предлагаемые способ и система относятся к космической радиоэлектронике и могут быть использованы для исследования объектов ближнего и дальнего космоса (определение местоположения и перемещения в пространстве источников радиоизлучений (ИРИ), размещенных на различных носителях: космических аппаратах, самолетах, ракетах и т.п., спутников глобальной навигационной системы ГЛОНАСС и геостационарных ИСЗ-ретрансляторов, используемых в дуплексном методе сличения удаленных шкал времени, небесных тел, планет, метеоритов, астероидов и т.п.) с применением радиоинтерферометров со сверхдлинными базами (РСДБ).
Известны способы и системы исследования космических объектов (КО) (Авт. свид. СССР №995.062; патенты РФ №№2.003.131, 2.006.872, 2.010.258, 2.012.010, 2.059.205, 2.066.060, 2.100.820, 2.112.991, 2.134.429, 2.254.588, 2.274.953, 2.290ю658, 2.305.295, 2.311.656, 2.316.034, 2.378.676, 2.426.143, 2.453.813 2.554.086; патенты США №№3.866.025, 4.827.422, 5.847.613, 6.236.939, 6.414.432, 6.587.761, 6.775.600; патенты Великобритании №№1.395.599, 1.598.325; патенты Германии №№2.127.087, 2.710.955; патент WO №0.070.364; Финкельштейн A.M., Ипатов А.В. и др. Радиоинтерферометрическая сеть «Квазар - КВО» - базовая система фундаментального координатно-временного обеспечения. Труды ИПА РАН, №13, 2005, с. 104-138 и другие).
Из известных способов и систем наиболее близкими к предлагаемым являются «Фазовый способ пеленгации» (патент РФ №2.305.295, G01S 3/46, 2006) и устройство для его реализации, которые и выбраны в качестве базовых объектов.
Известные технические решения обеспечивают только определение азимута α и угла места β источника радиоизлучений (ИРИ), используя для этого две измерительные базы, расположенные в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно, но не используется третья измерительная база. Кроме того, известные технические решения не позволяют исследователь объекты, расположенные в дальнем космосе, т.е. они имеют ограниченные функциональные возможности.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей известных технических решений путем точного и однозначного определения местоположения и перемещения в пространстве объектов ближнего и дальнего космоса с использованием радиоинтерферометров со сверхдлинными базами.
Современные астронометрические и геодезические РСДБ - наблюдения позволяют определять различные параметры (местоположение радиоисточников, параметры вращения Земли, координаты космических станций и т.п.) с точностью λ/d, где λ - длина волны наблюдений, a d - длина измерительной базы между двумя приемными антеннами.
В настоящее время длина волны наблюдений составляет до 7,5 мм, а длина измерительной базы ограничена диаметром Земли. Наблюдения на более коротких длинах волн невозможны из-за интенсивного поглощения таких волн земной атмосферой и высоких требований к аппаратуре. Следовательно, единственным методом увеличить точность решения координатных задач является увеличение длины измерительной базы посредством использования радиотелескопа за пределами Земли.
1
2
1
2
з1
з2
1
2
3
3
з3
3
Поставленная задача решается тем, что радиоинтерферометрический способ исследования ближнего и дальнего космоса, основанный, в соответствии с ближайшим аналогом, на приеме сигналов на три разнесенные в пространстве антенны, усилении и ограничении по амплитуде принимаемых сигналов в первом, втором и третьем приемниках, отличается от ближайшего аналога тем, что в качестве приемных антенн используют радиотелескопы, один из которых размещают на Луне, а два других на Земле, образуя тем самым три сверхдлинные измерительные базы, расположенные в виде треугольника, сигналы, принимаемые лунным радиотелескопом, передают по радиоканалу в центр обработки информации, а сигналы, принимаемые земными радиотелескопами, передают по радиоканалам или оптическим линиям связи в центр обработки информации, в котором указанные сигналы умножают и делят по фазе на два, выделяют гармонические колебания и измеряют разности фаз между ними, формируя фазовые шкалы отсчета азимута α, угла места β и угла ориентации γ исследуемого объекта ближнего или дальнего космоса: точные, но неоднозначные, одновременно сигнал, принимаемый лунным радиотелескопом, пропускают через первый и второй блоки регулируемой задержки и перемножают с сигналами, принимаемыми первым и вторым земными радиотелескопами, выделяют низкочастотные напряжения, пропорциональные первой R(τ) и второй R(τ) корреляционным функциям, где τ - текущая временная задержка, изменением временной задержки τ обеспечивают максимальные значения первой R(τ) и второй R(τ) корреляционных функций, поддерживают их на максимальном уровне и фиксируют временные задержки τ=τ и τ=т, соответствующие максимуму корреляционных функций R(τ) и R(τ), сигнал, принимаемый вторым земным радиотелескопом, пропускают через третий блок регулируемой задержки и перемножают с сигналом, принимаемым первым земным радиотелескопом, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное третьей корреляционной функции R(τ), изменением временной задержки τ обеспечивают максимальное значение третьей корреляционной функции R(τ), поддерживают ее на максимальном уровне и фиксируют временную задержку τ=τ, соответствующую максимуму корреляционной функции R(τ), по зарегистрированным временным задержкам формируют временные шкалы отсчета азимута α, угла места β и угла ориентации γ исследуемого космического объекта, по измеренным угловым координатам определяют местоположение исследуемого космического объекта и его перемещение в пространстве.
Поставленная задача решается тем, что система исследования объектов ближнего и дальнего космоса, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, три приемные антенны, три приемника и три коррелятора, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена тремя линиями связи и центром обработки информации, причем в качестве приемных антенн использованы радиотелескопы, один из которых размещен на Луне, а два других на Земле, образуя тем самым три сверхдлинные измерительные базы, расположенные в виде треугольника, причем каждый радиотелескоп через соответствующую линию связи соединен с приемником, центр обработки информации содержит три приемника, три коррелятора, три фазометра, компьютер, индикатор азимута, индикатор угла места, индикатор угла ориентации и три канала обработки информации, каждый из которых содержит последовательно подключенные к выходу приемника удвоитель фазы, делитель фазы на два и фазометр, выход которого соединен с соответствующим входом компьютера, к выходу первого приемника последовательно подключены первый блок регулируемой задержки, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго приемника, первый фильтр нижних частот и первый экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым входом первого блока регулируемой задержки, второй выход которого через индикатор азимута подключен к четвертому входу компьютера, к выходу первого приемника последовательно подключены второй блок регулируемой задержки, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом третьего приемника, второй фильтр нижних частот и второй экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым входом второго блока регулируемой задержки, второй выход которого через индикатор угла места подключен к пятому входу компьютера, к выходу третьего приемника последовательно подключены третий блок регулируемой задержки, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго приемника, третий фильтр нижних частот и третий экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым входом третьего блока регулируемой задержки, второй выход которого через индикатор угла ориентации подключен к шестому входу компьютера.
Взаимное расположение трех радиотелескопов 1, 2, 3 и космического объекта КО (источника радиоизлучений ИРИ) показано на фиг. 1. Структурная схема системы, реализующей предлагаемый способ, представлена на фиг. 2.
1
2
3
Система содержит три радиотелескопа 1, 2 и 3, один из которых размещают на Луне (1), а два других на Земле (2 и 3, например, Красное Село и Уссурийск), образуя тем самым три сверхдлинные измерительные базы d, d и d, расположенные в виде треугольника. Радиотелескопы 1, 2 и 3 соединены радиоканалами спутниковой связи и оптическими линиями связи 7, 8 и 9 с центром 10 обработки информации, размещенным, например, в г. Щелково.
Радиоканал 7 и оптические линии связи 8 и 9 соединены с приемниками 4, 5 и 6 соответственно, к выходам которых последовательно подключены удвоитель фазы 11 (12, 13), делитель фазы на два 14 (15, 16), узкополосный фильтр 17 (18, 19) и фазометр 20 (21, 22), который подключен к соответствующему входу компьютера 23. К выходу первого приемника 4 последовательно подключены первый блок 25.1 регулируемой задержки, первый перемножитель 26.1, второй вход которого соединен с выходом второго приемника 5, первый фильтр 27.1 нижних частот и первый экстремальный регулятор 28.1, выход которого соединен с вторым входом первого блока 25.1 регулируемой задержки, второй выход которого через индикатор 29 азимута подключен к четвертому входу компьютера 23. К выходу первого приемника 4 последовательно подключены второй блок 25.2 регулируемой задержки, второй перемножитель 26.2, второй вход которого соединен с выходом третьего приемника 6, второй фильтр 27.2 нижних частот и второй экстремальный регулятор 28.2, выход которого соединен с вторым входом второго блока 25.2 регулируемой задержки, второй выход которого через индикатор 30 угла места подключен к пятому входу компьютера 23. К выходу третьего приемника 6 последовательно подключены третий блок 25.3 регулируемой задержки, третий перемножитель 26.3, второй вход которого соединен с выходом второго приемника 5, третий фильтр 27.3 нижних частот и третий экстремальный регулятор 28.3, выход которого соединен с вторым входом третьего блока 25.3 регулируемой задержки, второй выход которого через индикатор 31 угла ориентации подключен к шестому входу компьютера 23.
Блок 25.1 (25.2, 25.3) регулируемой задержки, перемножитель 26.1 (26.2, 26.3), фильтр 27.1 (27.2, 27.3) нижних частот и экстремальный регулятор 28.1 (28.2, 28.3) образуют первый 24.1 (второй 24.2, третий 24.3) коррелятор.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом.
На Луне устанавливают радиотелескоп 1, два других радиотелескопа 2 и 3 устанавливают на Земле (например РСДБ - комплекс «Квазар - КВО»). Между ними и центром 10 обработки информации обеспечивают надежную связь через радиоканал 7 и оптические каналы 8 и 9. Радиотелескопы 1, 2 и 3 синхронно направляют на исследуемый космический объект КО (источник радиоизлучений ИРИ), который излучает широкополосные шумоподобные или любые другие сигналы, например, сигналы автоматических межпланетных станций (АМС), например, «Экзо Марс» и других.
Широкополосные шумоподобные сигналы, принимаемые радиотелескопами 1, 2 и 3, имеют следующие вид:
1
1
c
k1
1
u(t)=U⋅Cos(ωt+ϕ(t)+ϕ),
2
2
c
1
k
2
2
u(t)=U⋅Cos[ω(t-τ)+ϕ(t-τ)+ϕ],
3
3
c
2
k
2
3
c
u(t)=U⋅Cos[ω(t-τ)+ ϕ(t-τ)+ϕ], 0≤t≤T,
k
1
k
э
э
э
где ϕ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (псевдослучайная последовательность), причем ϕ(t)=const при Кτ<t<(K+1)τ и может изменяться скачком при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N-1);
э
c
c
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(T=N⋅τ);
- время запаздывания сигнала, приходящего на радиотелескоп 1, по отношению к сигналу, приходящему на радиотелескоп 2;
- время запаздывания сигнала, приходящего на радиотелескоп 1, по отношению к сигналу, приходящему на радиотелескоп 3;
- время запаздывания сигнала, приходящего на радиотелескоп 2, по отношению к сигналу, приходящему на радиотелескоп 3;
с - скорость распространения радиоволн;
1
2
3
d, d, d - сверхдлинные измерительные базы;
α, β, γ - азимут, угол места и угол ориентации КО (ИРИ).
С выходов радиотелескопов 1, 2 и 3 указанные сигналы через линии связи 7, 8 и 9 поступают на входы центра 10 обработки информации, а именно на входы приемников 4, 5 и 6, где они преобразуются по частоте, усиливаются по напряжению, ограничиваются по амплитуде и поступают на удвоители фазы 11, 12 и 13, а затем на делители фазы на два 14, 15 и 16. На выходе последних образуются следующие гармонические колебания:
4
4
c
1
U(t)=U⋅Cos(ωt+(ϕ),
5
5
c
1
2
u(t)=U⋅Cos[(ω(t-τ)+ϕ],
6
6
c
2
3
c
u(t)=U⋅Cos[(ω(t-τ)+ϕ], 0≤t≤T,
которые выделяются узкополосными фильтрами 17, 18 и 19 и поступают на входы фазометров 20, 21 и 22. Последние измеряют разности фаз:
,
,
,
где λ - длина волны.
Так формируются фазовые шкалы отсчета угловых координат α, β и γ: точные, но неоднозначные.
э
Следует отметить, что ширина спектра широкополосных шумоподобных сигналов определяется длительностью τ элементарных посылок
,
г
с
тогда как ширина спектра Δƒ гармонических колебаний определяется длительностью Т сигнала
.
с
Следовательно, при удвоении и делении фазы на два ширины спектра Δƒ широкополосных шумоподобных сигналов «сворачивается» в N раз
.
1
2
3
Это обстоятельство дает возможность выделять гармонические колебания с помощью узкополосных фильтров 17, 18 и 19, отфильтровав при этом значительную часть шумов и помех, и тем самым повысить точность измерения фазовых сдвигов Δϕ, Δϕ и Δϕ, которые фиксируются в компьютере 23.
1
2
1
3
2
3
1
2
3
1
2
3
Принимаемые шумоподобные сигналы u(t) и u(t), u(t) и u(t), u(t) и u(t) с выходов приемников 4, 5 и 6 одновременно поступают на два входа корреляторов 24.1, 24.2 и 24.3. Получаемые на выходе фильтров нижних частот низкочастотные напряжения, пропорциональны корреляционным функциям R(τ), R(τ) и R(τ) соответственно, где τ - текущая временная задержка. Изменением временной задержки τ добиваются максимального значения корреляционных функций R(τ), R(τ) и R(τ) при значениях введенного регулируемого запаздывания:
1
2
1
2
3
1
3
3
2
τ=t-t, τ=t-t, τ=t-t,
1
2
3
где t, t и t - время прохождения сигналом расстояний от КО (ИРИ) до радиотелескопов 1, 2, и 3 соответственно.
1
2
3
Максимальные значения корреляционных функций R(τ), R(τ) и R(τ) поддерживаются с помощью экстремальных регуляторов 28.1, 28.2 и 28.3, воздействующих на управляющие входы блоков 25.1, 25.2 и 25.3 регулируемой задержки. Шкалы указанных блоков (указатели углов) градуируются непосредственно в значениях угловых координат α, β и γ КО (ИРИ):
, , ,
1
2
3
1
2
3
где τ, τ, τ - введенные задержки сигналов, соответствующие максимальным значениям корреляционных функций R(τ), R(τ) и R(τ). Значения угловых координат α, β и γ фиксируются соответствующими индикаторами 29, 30 и 31 и поступают в компьютер 23.
Так формируются временные шкалы отсчета угловых координат α, β и γ КО (ИРИ): грубые, но однозначные.
Следует отметить, что расположение радиотелескопов 1, 2 и 3 в виде треугольника с использованием сверхдлинных измерительных баз продиктовано новой идеологией фазовой пеленгации источников радиоизлучений (космических объектов) в пространстве, которая обеспечивает определение местоположения КО (ИРИ) и его перемещения в ближнем и дальнем космосе пассивным методом. Причем для точного и однозначного определения местоположения КО (ИРИ) и его перемещения в пространстве используются фазовые шкалы отсчета угловых координат α, β и γ: грубые, но однозначные, получаемые за счет корреляционной обработки принимаемых сигналов.
Таким образом, предлагаемые способ и система, использующие радиоинтерферометры со сверхдлинными базами (РСДБ), по сравнению с базовыми объектами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают точное и однозначное определение местоположения исследуемого космического объекта и его перемещение в пространстве. Это достигается за счет использования трех сверхдлинных измерительных баз, расположенных в виде треугольника, и корреляционной обработки сигналов, принимаемых от исследуемого космического объекта.
Предлагаемые технические решения (лунный проект) отличаются новизной, оригинальностью, являются перспективными и могут найти широкое практическое применение при освоении человеком ближнего и дальнего космоса.
В случае успеха предлагаемый лунный проект станет первым и уникальным в своем роде сооружением и позволит решить мировые научные задачи, не решаемые иными средствами:
- повышение точности реализации Международной небесной системы координат (ICRF) более чем на порядок;
- повышение точности модели орбитального и вращательного движения Луны на два порядка;
- точное задание ориентации группировки ГЛОНАСС в ICRF, что обеспечит высокоточную навигацию в космическом пространстве в инерциальной системе отсчета;
- изучение внутреннего строения Луны из анализа высокоточной модели ее вращения;
- повышение точности эфемерид планет солнечной системы;
- проверка научных гипотез из области астрофизики и релятивистской небесной механики;
- повышение точности и однозначности местоположения и перемещения в пространстве небесных планет, метеоритов, астероидов и т.п., находящихся в ближнем и дальнем космосе;
- повышение точности и однозначности определения местоположения и перемещения в пространстве спутников глобальной навигационной системы ГЛОНАСС и геостационарных ИСЗ-ретрансляторов, используемых в дуплексном методе сличения удаленных шкал времени, а также в службе единого времени и частоты;
- повышение точности и однозначности определения местоположения и перемещения в пространстве источников радиоизлучений, размещенных на различных носителях (космические аппараты, самолеты, ракеты и т.п.).
Кроме того, предлагаемый лунный проект дает толчок к разработке технологий для:
- роботизированных миссий по возведению дистанционно управляемых прецизионных конструкций на поверхности Луны, что является новой и уникальной задачей;
- мягкой посадки на Луну, что актуально для всей отечественной лунной программы;
- обмен по радиоканалу больших объемов цифровых данных между Луной и Землей.
Тем самым функциональные возможности известных технических решений значительно расширены.