Радиоинтерферометрический способ исследования объектов ближнего и дальнего космоса и система для его реализации

Радиоинтерферометрический способ исследования объектов ближнего и дальнего космоса и система для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

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 R₁(τ) и второй R₂(τ) корреляционным функциям, где τ - текущая временная задержка, изменением временной задержки τ обеспечивают максимальные значения первой R₁(τ) и второй R₂(τ) корреляционных функций, поддерживают их на максимальном уровне и фиксируют временные задержки τ=τ_з1 и τ=т_з2, соответствующие максимуму корреляционных функций R₁(τ) и R₂(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 R₃(τ), изменением временной задержки τ обеспечивают максимальное значение третьей корреляционной функции R₃(τ), поддерживают ее на максимальном уровне и фиксируют временную задержку τ=τ_з3, соответствующую максимуму корреляционной функции R₃(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.

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 d₁, d₂ и d₃, 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:

u₁(t)=U₁⋅Cos(ω_ct+ϕ_k1(t)+ϕ₁),

u₂(t)=U₂⋅Cos[ω_c(t-τ₁)+ϕ_k(t-τ₂)+ϕ₂],

u₃(t)=U₃⋅Cos[ω_c(t-τ₂)+ ϕ_k(t-τ₂)+ϕ₃], 0≤t≤T_c,

где ϕ_k(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t) (псевдослучайная последовательность), причем ϕ_k(t)=const при Кτ_э<t<(K+1)τ_э и может изменяться скачком при t=Кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(T_c=N⋅τ_э);

- 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;

d₁, d₂, d₃ - 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:

U₄(t)=U₄⋅Cos(ω_ct+(ϕ₁),

u₅(t)=U₅⋅Cos[(ω_c(t-τ₁)+ϕ₂],

u₆(t)=U₆⋅Cos[(ω_c(t-τ₂)+ϕ₃], 0≤t≤T_c,

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.

Следует отметить, что ширина спектра широкополосных шумоподобных сигналов определяется длительностью τ_э элементарных посылок

,

тогда как ширина спектра Δƒ_г гармонических колебаний определяется длительностью Т_с сигнала

.

Следовательно, при удвоении и делении фазы на два ширины спектра Δƒ_с широкополосных шумоподобных сигналов «сворачивается» в N раз

.

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 Δϕ₁, Δϕ₂ и Δϕ₃, которые фиксируются в компьютере 23.

Принимаемые шумоподобные сигналы u₁(t) и u₂(t), u₁(t) и u₃(t), u₂(t) и u₃(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 R₁(τ), R₂(τ) и R₃(τ) соответственно, где τ - текущая временная задержка. Изменением временной задержки τ добиваются максимального значения корреляционных функций R₁(τ), R₂(τ) и R₃(τ) при значениях введенного регулируемого запаздывания:

τ₁=t₂-t₁, τ₂=t₃-t₁, τ₃=t₃-t₂,

где t₁, t₂ и t₃ - время прохождения сигналом расстояний от КО (ИРИ) до радиотелескопов 1, 2, и 3 соответственно.

Максимальные значения корреляционных функций R₁(τ), R₂(τ) и R₃(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):

, , ,

где τ₁, τ₂, τ₃ - введенные задержки сигналов, соответствующие максимальным значениям корреляционных функций R₁(τ), R₂(τ) и R₃(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.

1. Радиоинтерферометрический способ исследования объектов ближнего и дальнего космоса, основанный на приеме сигналов на три разнесенные в пространстве антенны, усилении и ограничении по амплитуде принимаемых сигналов в первом, втором и третьем приемниках, отличающийся 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 оптическими линиями 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 R₁(τ) и второй R₂(τ) корреляционным функциям, где τ - текущая временная задержка, изменением временной задержки τ обеспечивают максимальные значения первой R₁(τ) и второй R₂(τ) корреляционных функций, поддерживают их на максимальном уровне и фиксируют временные задержки τ=τ_з1 и τ=τ_з2, соответствующие максимуму корреляционных функций R₁(τ) и R₂(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 R₃(τ), изменением временной задержки τ обеспечивают максимальное значение третьей корреляционной функции R₃(τ), поддерживают ее на максимальном уровне и фиксируют временную задержку τ=τ_з3, соответствующую максимуму корреляционной функции R₃(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.

2. Система исследования объектов ближнего и дальнего космоса, содержащая три приемные антенны, три приемника и три коррелятора, отличающаяся 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.