Использование связных антенн для наблюдений радиоисточников в режиме РСДБ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, кандидат технических наук Панин, Михаил Иванович

• Панин, Михаил Иванович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Панин, Михаил Иванович

1 Введение

2 Требования, предъявляемые к антеннам РСДБ-сети.

3 Возможность использования для целей КВО модернизированной антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-16.

3.1. Модернизация зеркальной системы антенной установки.

3.2. Оптимизация геометрии рупора.

3.3. Радиотехнические параметры модернизированной антенной установки.

3.4. Модернизация электропривода.

4 Предложения по модернизации антенной установки, созданной на базе зеркальной системы РТ-25.

4.1. Радиотехнические характеристики антенной установки с немодифицированной зеркальной системой.

4.2. Расчет двухзеркальной антенны типа Грегори с модернизированными поверхностями.

4.3. Результаты расчета параметров оптимизированного рупорного облучателя.

4.4. Облучатели на базе ребристого рупора.

4.5. Оценка радиотехнической эффективности зеркальной системы.

4.6. Особенности принципиальной схемы электропривода антенной установки.

5 Система наведения антенного комплекса.

5.1. Вычислительно-управляющая система.

5.2. Аппаратура съема угловых координат.

6 Управление механической системой, имеющей люфт

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование связных антенн для наблюдений радиоисточников в режиме РСДБ»

Основные достижения астрономии за последние десятилетия стали возможными благодаря использованию новых наблюдательных технологий и, в первую очередь, методов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) для наблюдений небесных тел и космических аппаратов в широком диапазоне длин волн. Главное преимущество этого метода - это высокое угловое разрешение.

Наблюдательная астрономия всегда стремилась к получению максимального углового разрешения, которое, согласно критерию Рэлея, определяется отношением длины волны наблюдения к диаметру используемого телескопа. Очевидный путь достижения максимального разрешения состоял в создании радиотелескопов всё больших и больших размеров. Однако предел наращивания размера диаметра параболической полноповоротной антенны устанавливает конечная жесткость конструкций. Предельный диаметр полноповоротной антенны при наблюдениях на сантиметровых волнах не превышает 150м. Для увеличения разрешения радиотелескопов параллельно развивались два направления. Первое - это расчленение основной поверхности зеркала антенны на отдельные настраиваемые элементы. При этом диаметр получаемого инструмента может достигать многих сотен метров [1]. Второе направление состояло в использовании в радиоастрономии идеи звездного интерферометра Майкельсона. Первые радиоастрономические наблюдения Солнца на двухэлементном радиоинтерферометре с максимальным расстоянием между антеннами, равным 240 м были проведены в 1946 году на частоте 175 МГц [2]. Предложение одновременного наблюдения космических источников разнесенными на тысячи километров радиотелескопами впервые было высказано в 1965г. [3]. А в 1967 году уже были проведены первые эксперименты с использованием независимых гетеродинов и систем регистрации на каждом пункте [4].

С помощью наблюдений методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами решаются задачи не только в традиционных разделах астрономии, но и в геодинамике, в прикладных науках, в исследовании и освоении космоса, в обороне страны. Трудно найти области, связанные с физическими процессами, протекающими на Земле, внутри Земли и в космосе, при изучении которых невозможно было бы эффективное использование радиоинтерферометрических методов.

Главным результатом наблюдений в режиме РСДБ является получение координат космических источников с высокой точностью. Определение координат объектов в космическом пространстве методом РСДБ сопровождается определением трехмерных координат измерительных пунктов и определением рассинхронизации шкал времени на этих пунктах. В отличие от классической астрометрии, методами РСДБ координаты объектов определяются с более высокой точностью (до 0",0001). Высокоточное определение координат на земной поверхности, необходимо для изучения вращения Земли как целого и движения точек земной коры, а также для решения ряда методических задач. Важнейшими задачами, требующими для своего решения измерений координат с высокой точностью, являются: построение инерциальной системы координат, опорными объектами которой будут точечные детали квазаров, а также установление связи между оптической и радио системами координат; высокоточное определение параметров вращения Земли (ПВЗ); независимое определение постоянной прецессии из наблюдений квазаров и установление связи между инерциальной системой координат и динамической планетной системой с помощью наблюдений космических аппаратов (КА) на фоне квазаров; построение изображений, исследование тонкой структуры компактных радиоисточников; высокоточная астронавигация космических аппаратов (КА) в дальнем космосе с использованием опорных координат космических источников (квазаров); геодезическая привязка определенных объектов с помощью РСДБ-сети; определение координат геостационарных космических аппаратов и навигационных систем.

Построение инерциальной системы координат является задачей фундаментальной астрометрии. Но инерциальная система координат нужна для современной науки не сама по себе, а лишь в качестве опорной системы отсчета, обеспечивающей решение различных задач в космическом пространстве. Из наземных средств наблюдений только РСДБ-наблюдения позволяют создать и поддерживать инерциальную систему координат достаточной точности.

Так, РСДБ-методы позволяют определить параметры вращения Земли (ПВЗ) с точностью на три порядка превосходящей точность лучших оптических наблюдений. Основная особенность РСДБ-метода состоит в том, что он позволяет получить данные о ПВЗ относительно системы координат, которая связана с положением удаленных внегалактических источников (квазаров). Вариации параметров вращения Земли ведут к изменению видимых положений звезд, которые, в свою очередь, используются для ориентации и контроля геодезических сетей на Земле, что особенно важно для народно-хозяйственных и оборонных задач. Информация о ПВЗ необходима также для создания высококачественного эфемеридного обеспечения навигационных систем.

В области небесной механики РСДБ-наблюдения являются именно тем методом, который позволяет решить две фундаментальные задачи: независимое определение постоянной прецессии из наблюдений квазаров и установление связи между инерциальной системой координат, заданной внегалактическими источниками, и динамической планетной системой координат.

Компактные радиоисточники (квазары, остатки сверхновых) имеют сложную многокомпонентную переменную структуру и содержат детали с угловыми размерами от 0". 1 до 0."001 и меньше и с изменяющейся интенсивностью радиоизлучения с периодом от недель до месяцев. С одной стороны, изучение структур от подобных источников и построение карт распределения яркости по ним можно проводить только с помощью РСДБ-наблюдений, с другой стороны, знание структуры радиоисточников, используемых в РСДБ-наблюдениях, т.е. учета так называемого структурного «члена задержки», необходимо для дальнейшего повышения точности координатных измерений как на Земле, так и на небе.

Использование РСДБ-метода для решения всех вышеперечисленных задач дает и наибольшую точность, и выигрыш во времени, что является необходимым условием успешной навигации космических аппаратов в дальнем космосе. При полете космического аппарата к планете необходимо ответить на два вопроса: 1 - где в данный момент находится космический аппарат и 2 - где в данный момент находится планета. Качество баллистического обеспечения определяют шесть основных факторов:

1. Точность, с которой определены положения наземных станций измерительного комплекса дальней космической связи.

2. Точность, с которой осуществлена временная синхронизация станций дальней космической связи.

3. Точность, с которой известна ориентация Земли в пространстве в момент наблюдения.

4. Точность, с которой известны положения опорных источников (квазаров, остатков сверхновых), относительно которых ориентируется космический аппарат.

5. Точность, с которой известно положение космического аппарата относительно опорных источников.

6. Точность, с которой определены параметры среды, в которой распространяется сигнал от радиоисточника и космического аппарата к станции навигационной системы.

Если используется независимая от радиоинтерферометрической сети радионавигационная система, то радиоинтерферометрическая сеть вносит свой вклад в решение задач 1-4. При этом, естественно, предполагается, что для решения задач 1-2 пункты навигационной системы совмещены с пунктами радиоинтерферометрической сети. Если же роль навигационной системы играет сама радиоинтерферометрическая сеть, точнее её средства наблюдений КА, то этим обеспечивается решение всего комплекса задач 1-6.

В начале развития радиоинтерферометрии для выполнения наблюдательной программы с целью решения той или иной задачи, в РСДБ-сети объединялись действующие радиотелескопы. Однако, радиоастрономические обсерватории и пункты дальней космической связи, формирующие РСДБ-сети для проведения периодических сеансов наблюдений сталкивались со значительными трудностями. Неоптимальное расположение антенн для достаточного покрытия U,V- плоскости, трудности в проведении калибровок фазы из-за разнородного набора аппаратных средств на различных антеннах, несоответствие частотных диапазонов, полос пропускания и чувствительности приемников, ограничения в наблюдательном времени - вот не полный перечень проблем, возникавших при проведении таких сеансов. Значительная часть трудностей была разрешена созданием специализированных РСДБ-сетей для проведения измерений координат космических источников.

В разных странах мира группами ученых были выдвинуты предложения о создании фазостабильных радиоинтерферометрических сетей ( VLBA- США [5], EVN- Европа [6], CASCA- Канада [7], КВАЗАР- СССР [8, 9]). Несмотря на некоторые различия в технических решениях и деталях идеологии, национальные проекты представляли, по существу, весьма близкие взгляды радиоастрономов различных стран на будущее в высокоточном исследовании космического пространства методами PC ДБ.

Дальнейшее развитие методов РСДБ привело к тому, что появились международные программы и службы, такие как, например, IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry), объединяющие национальные сети и отдельные радиотелескопы на всех континентах. Этому способствовали унификация частот наблюдений и регистрирующей аппаратуры, появление мощной вычислительной техники и единых центров обработки наблюдений.

Российская национальная РСДБ-сеть КВАЗАР в настоящее время ограничена тремя радиотелескопами, которые достаточно рационально расположены на территории России: в Ленинградской области, в Карачаево-Черкессии на Северном Кавказе и в Бурятии около озера Байкал.

Однако предварительные расчеты показали, что при использовании только трех радиотелескопов, заполнение U,V- плоскости будет не полным. [10]. Для получения, например, качественных изображений космических источников, потребуются сложные длительные процедуры обработки. Для привязки отдельных точек на поверхности Земли к местам расположения радиотелескопов радиоинтерферометрической сети потребуется использовать дополнительные средства и методы, которые будут выдавать результаты по точности заведомо хуже требуемых. Для решения задач координатно-временного обеспечения страны выходом из создавшейся ситуации может быть включение в российскую сеть уже существующих антенн, построенных для других целей, например, антенн дальней космической связи или связных спутниковых антенн. Десятки связных спутниковых антенн с диаметром зеркал от 12 до 25 метров расположены на территории России от Чукотки до Ленинградской области и от Нарьян-Мара до Красноярска.

В свое время опыт построения больших радиоастрономических антенн в полной мере был использован при создании антенн дальней космической связи [11]. Объединение интересов и средств радиоастрономов и исследователей космоса там, где это оказалось возможным, сыграло положительную роль в развитии обеих отраслей науки. В настоящее время сотрудничество и объединение усилий специалистов разных ведомств по расширению национальной радиоинтерферометрической сети для решения народно-хозяйственных и оборонных задач России может принести ещё больший положительный результат.

Цель настоящей работы заключалась в исследовании возможности использования неспециализированных антенных систем для наблюдений космических источников и космических аппаратов в составе РСДБ-сетей после модернизации этих систем. Для этого были поставлены следующие задачи:

1. Определение основных параметров антенных систем, имеющих значение при работе этих антенн в составе РСДБ-сетей.

2. Проведение модернизации антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-16, и анализ полученных радиотехнических характеристик этой антенны с целью определения возможности работы модернизированной антенны в составе РСДБ-сети.

3. Рассмотрение вариантов модернизации антенной установки, созданной на базе зеркальной системы РТ-25, расчеты радиотехнических параметров рассмотренных вариантов, анализ этих параметров с целью определения возможности работы модернизированной антенны в составе РСДБ-сети.

4. Разработка метода по управлению механической системой, имеющей люфт, и применение этого метода к связным антеннам и радиотелескопам с целью повышения точности их наведения.

В ходе выполнения работы получены следующие результаты:

• Проведена модернизация антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-16, путем модификации поверхностей отражательных элементов на основе предварительных расчетов; расчета и создания нового облучателя.

• Рассмотрены варианты модернизации антенной установки, созданной на базе зеркальной системы РТ-25, варианты рассмотрения включали использование системы Грегори с модифицированными поверхностями зеркал вместо классической системы Кассегрена, сравнение гладкоствольного и ребристого рупорного облучателя

• Показано, что в результате модернизации связных антенн диаметром 16 и 25 м, при условии оснащения их криогенной радиометрической приемной аппаратурой, эти антенны по своим параметрам могут успешно работать в составе РСДБ-сетей.

• Разработан вариант построения системы наведения антенных установок, включающий использование современного привода ЭПА-57ММ, вычислительно-управляющей системы и устройства съема угловых координат.

• Разработан способ управления механической системой, имеющей люфт. Разработаны и выполнены рекомендации по уменьшению негативного воздействия люфта на работу антенны РТ-12.

• Получена формула, связывающая чувствительность радиотелескопа в виде параметра SEFD с точностью наведения, определяемой положением диаграммы направленности.

Полученные результаты измерений и расчетов радиотехнических параметров рассмотренных антенных установок позволяют сделать вывод о возможности их использования после модернизации в РСДБ-наблюдениях. На защиту выносятся:

1. Результаты модернизации антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-16, показавшие возможность эффективного использования её для наблюдений в режиме РСДБ.

2. Вариант модернизации антенной установки с диаметром главного отражателя 25м путем построения зеркальной системы по типу Грегори и модификации отражающих поверхностей.

3. Способ управления механической системой, имеющей люфт, позволивший повысить точность наведения антенны.

Основные результаты работы изложены в следующих работах:

1. Технические предложения. Комплексный ремонт и модернизация изделия 11 Н815 в в/ч 63553 (М.И.Панин - главный конструктор модернизации антенно-приемного комплекса), Москва, ОКБ МЭИ, 1994, 137стр.

2. Дараган Л.В., Иванов И.П., ., Панин М.И. и др. Комплекс антенно-приемный ТНА-210Ю. Инженерная записка. ЯГ АИ.464318.007Д (М.И.Панин - главный конструктор разработки антенно-приемного комплекса), Москва, ОКБ МЭИ, 1997, 129 стр.

3. Панин М.И., Первинкин И.А., Саурин В.П. Вычислительно-управляющая система. Техническое описание. Э.467115ТО. (М.И.Панин - разработчик требований к ВУС), Москва, ОКБ МЭИ, 1997, 23 стр.

4. А.В.Ипатов, Крат О.И., Панин М.И., Саурин В.П. Метод учета люфтов в системе наведения радиотелескопов. Тезисы докладов. ВАК2001, СПб, стр. 78.

5. А.В.Ипатов, О.И.Крат, М.И.Панин, В.П.Саурин. Управление механической системой, имеющей люфт. Сообщения ИПА РАН № 169, СПб, 2004, 16стр.

6. М.И.Панин, А.В.Ипатов, О.И.Крат. Возможность использования связных антенн в программах РСДБ-наблюдений. Сообщения ИПА РАН, № 170, СПб, 2004, 15стр.

Заключение диссертации по теме «Астрофизика, радиоастрономия», Панин, Михаил Иванович

Основные выводы, которые можно сделать из приведенного рассмотрения способов управления механической системой, имеющей люфт, состоит в следующем:

1. До последнего времени не было специальных рекомендаций по управлению люфтовыми передачами, поэтому существующее программное обеспечение вычислительных управляющих систем не рассчитано на минимизацию негативного воздействия люфта.

2. Необходимо измерить величину люфта всех антенн и коэффициенты вязкого трения при разных скоростях и температурах.

3. Следует дополнить систему управления средствами оперативного прямого или косвенного измерения величины люфта. Например, ввести в систему наведения и подключить к ПЭВМ датчики углов поворота электродвигателей приводов и датчики токов в двигателях.

4. Ещё до того, как появятся средства измерения люфтов, в системе наведения выполнить приведенные выше рекомендации для уменьшения движения в области люфта.

Рис. 6.10 и 1 А „ . 1 г— XI 1 С»1К» no X - 4 с е н | C(iKc< ми У - 6 ui .1 сек '

Сетка

Оиибкй cenro во иаенин - ПМД- fe гчмши», Лмфт (hi мин)- С1

С.'хо г г>«- г V 1г(>Ал/|:ен)пП. Г)(1

Оии&ка оопгопомдсиия. ПИй-гыл«Тор. Лм«т<Чг иин) =

Рис. 6.1 1

Рис. 6.12

W<

Рис. 6.13

Рис. 6.14

В настоящее время для уменьшения воздействия люфта в антенне ТНА-58 сделано:

• Уменьшена крутизна управления.

• Программно ограничена максимальная скорость переброса антенны,

• Система автосопровождения замкнута через программу и поэтому не происходит релейной коммутации режимов наведения

• Уменьшена крутизна в режиме автосопровождения.

• Вместо управления по рассогласованию применен алгоритм сплайновой аппроксимации траектории объекта и перемещения антенны. Кубический сплайн не имеет изломов первой производной и, соответственно, больших знакопеременных ускорений.

Это позволило повысить точность наведения антенны до СКО 1 угл.мин.

Разработанная методика уменьшения воздействия люфта между двигателем и исполнительным механизмом была успешно опробована на 12-метровой связной антенне, что позволило повысить точность наведения антенны до СКО, равном 1 угл.мин. Данная методика может быть использована в антеннах, в которых нет люфтовыбирающих механизмов, но на которых требуется улучшить точность наведения для использования этих антенн в разных целях, в том числе и для наблюдений на них космических радиоисточников в составе РСДБ-сетей.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение подведем некоторые итоги.

Радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами, бурно развивающаяся в последние десятилетия, стала именно тем астрономическим методом, который приблизил чисто фундаментальную науку астрономию к решению широкого круга насущных задач человеческого общества. Дальнейшее развитие РСДБ-метода в России потребует в скором времени создание новых наблюдательных пунктов. И в целях экономии средств в качестве этих пунктов могут рассматриваться варианты использования уже существующих антенных установок, в том числе построенных для дальней и ближней космической связи.

Представленная работа посвящена рассмотрению такого варианта. Исследуется возможность использования модернизированной 16-ти метровой связной антенны для целей РСДБ. Модернизация этой антенны позволила улучшить ее радиотехнические характеристики и точность наведения. Именно на эти параметры следует обращать внимание при включении готовой антенны, находящейся в определенном месте, в РСДБ-сеть.

Рассмотрены варианты модернизации 25-ти метровой антенны. Главной целью этого рассмотрения также являлось получение радиотехнических параметров зеркальной системы этой антенны и системы наведения на уровне современных требований.

Сделанное в работе предложение оснащать эти антенны приемной аппаратурой на волны 3,5 и 13см, спроектированной специально для российской РСДБ-сети КВАЗАР, помогло получить теоретические оценки чувствительности этих модернизированных антенных систем с предполагаемой приемной системой в единицах SEFD. Чувствительность эта получилась не хуже чувствительности других антенн, используемых для наблюдений космических источников в составе международных РСДБ-сетей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Панин, Михаил Иванович, 2004 год

1. Есепкипа Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры, Москва, «Наука», 1973

2. Ryle М. abd Vonberg D.D. Solar Radiation at 175Mc/S, Nature, 158, 339340, 1946

3. Матвиенко Л.И., Кардашев Н.С., Шоломицкий Г.Б. О радиоинтерферометре с большой базой. Известия ВУЗов. Радиофизика, 8, 651-654, 1965

4. Brown G.W. Carr T.D. and Block W.F. Long Baseline Interferometry of S-Bursts from Jupiter. Astrophys. Lett.,1, 89-94, 1968

5. Kellerman K. An Intercontinental Very-Long-Base Array: VLBI Network. Studies 3. 1977, NRAO

6. Schelli/./i R et.al. Very Long Baseline Radiointerferometry Using a Geostationary Sattelite, 1978, Paris, ESA.

7. Broten N rt.al. Preprint CASCA Committee on Radio Astronomy, 1978

8. Finkelstein A.M. et.al. Dedicated Soviet VLBI-network "QUASAR", Proceedings of IAU Symposium N 141 "Inertial Coordinate System on the Sky", 1990

9. Finkelstein A.M. et.al. EURASIAN VLBI NETWORK QUASAR. Communications of the IAA, N73, 1995, SPb

10. Финкелыитейн A.M., Байкова А.Т. Радиоинтерферометрический комплекс КВАЗАР: построение изображений. Препринт № 15, ИПА РАН, Ленинград, 1990

11. П.Белянский II.В., Сергеев Б.Г. Управление наземными антенными и радиотелескопами, Москва, «Советское радио», 1980

12. Дравскп\ А.Ф., Корольков Д.В. и др. Глобальные фазостабильные радиоинтерферометрические системы. УФН, 135, вып.4, 1981

13. Galindo V. Design of dual-reflector antennas with arbitrary phase and amplitude distributions. IEEE Trans., 1964, AP-12, 403-408

14. Xoerner Von S. Astron. J., 72, B2, 25, 1967

15. Kildal P.S. Combined E-and H-plane phase centers of antenna feeds. IEEE Trans, 1983, AP-31,N1, 199-202.

16. Айзенберг Г.З. Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УК, т.2., Москва, Связь, 1977

17. Антенная система ТНА-400-1 радиоинтерферометрического комплекса КВАЗАР. Эскизно-технический проект. Пояснительная записка. 4.2, ОКБ МЭИ, Москва, 1988

18. Стоцкнй А.А., Крат О.И. Расчет зон видимости наблюдательных пунктов радиоинтерферомстрической сети КВАЗАР. Отчет САО РАН, Ленинград, 1986

19. International VLBI Service for Geodesy and Astrometry. Annual Report. 2002.

20. Дополнения к техническому проекту АПК «Юпитер», Москва, ОКБ МЭИ, 1988

21. Бори М. Вольф Э. Основы оптики. Москва, «Наука», 1970

22. Green 1ч.A. Modified Cassegrain antenna for arbitary aperture illumination. IITI. Trans., 1963, AP-1 1, N5

23. Bucci О.М., Delia G. Franceschettig. Computation of radiation from reflector antennas. An optimal Strategy. Alta freg., 1980, 49, N6

24. Попереченко Б.А. Методы комплексной оптимизации высокоэффективных антенных систем для космической радиосвязи и радиоастрономии. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, Москва, 1973

25. Проблемы антенной техники, под редакцией Бахраха Л.Д. и Воскресенского Д.И., Москва, «Радио и связь», 1989

26. CCIR, Propagation in non-ionized media., 1986, Report 719-2.