CC BY
72
Радиофизика
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, № 1 (1), с. 79-85
УДК 621.396.91/96; 520.6.04/08:523.62
РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТР С НЕЗАВИСИМЫМ ПРИЕМОМ ННГУ - НИРФИ - ИРБЕНЕ. ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
© 2013 г. Н.А. Дугин1, В.Г. Гавриленко2, А.А. Антипенко*, А. Ф. Дементьев*,
М.Б. Нечаева3, Ю.В. Тихомиров\ А.В. Калинин2, А.К. Чагунин1
Научно-исследовательский радиофизический институт, Нижний Новгород 2Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 3Вентспилсский международный радиоастрономический центр, Латвия
Поступила в редакцию 14.11.2012
В марте 2012 года в Нижегородском государственном университете введен в действие приемный радиоинтерферометрический пункт на основе параболической антенны РТ-2 и аппаратурного комплекса НИРФИ для наблюдений на частоте 1.6 ГГц. Основной задачей пункта является участие в экспериментах методом радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) по широкому кругу научных задач. В работе приводятся результаты первых РСДБ-экспериментов по приему сигналов навигационных космических аппаратов, выполненных с участием пункта ННГУ.
Ключевые слова: радиоинтерферометр, ионосфера, навигационный космический аппарат, коррелятор.
Введение
В 2012 году в рамках сотрудничества кафедры распространения радиоволн и радиоастрономии Нижегородского госуниверситета и отдела прикладной радиоинтерферометрии и физики солнечно-земных связей Научно-исследовательского радиофизического института (НИРФИ) в области исследований методом радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) создан приемный РСДБ-пункт ННГУ. Пункт предназначен в первую очередь для приема сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) глобальных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛО-НАСС и GPS и вспышечного радиоизлучения Солнца.
Основными задачами РСДБ-пункта ННГУ в составе интерферометрической сети НИРФИ являются:
- наблюдения НКА с целью отработки методик калибровки РСДБ по сигналам НКА и отработки методов антенных измерений [1-4];
- высокоточное определение положения и траекторий движения искусственных объектов в ближнем космосе;
- дистанционные исследования ионосферы Земли методом радиопросвечивания сигналами НКА, в том числе при искусственном воздействии на ионосферу мощным коротковолновым радиоизлучением стенда «Сура» [5, 6];
- исследования вспышечного радиоизлучения Солнца [7];
- проведение лабораторных работ и подготовка специалистов в области радиоинтерферометрии.
В 2012 году проведен ряд экспериментов на интерферометрическом комплексе, включающем РСДБ-пункт ННГУ.
1. РСДБ-пункт ННГУ
Одним из основных элементов РСДБ-пункта является приемная антенна. В составе оборудования кафедры имеются две полноповоротные параболические антенны азимутально-угломестной монтировки с диаметрами зеркал 2 и 2.5 метра (РТ-2 и РТ-2.5), установленные на крыше первого корпуса ННГУ. РТ-2.5 предназначена для работы в диапазонах частот 3.6-4.2 и 10 - 14 ГГц. РТ-2 оснащена облучателем на диапазон 1.6 ГГц (рабочий диапазон НКА СРНС) с линейной поляризацией. Обе антенны могут управляться автоматически с пультов в лабораторном помещении. Длина кабельных трасс от аппаратуры в лаборатории до антенн не превышает 20 метров. РТ-2 имеет достаточную эффективную площадь для уверенной работы по сигналам НКА и Солнцу.
Существенным преимуществом частотного диапазона 1.6 ГГц является отсутствие сильных помех в РСДБ-пунктах, расположенных рядом с крупными промышленными центрами. Работа по мощным сигналам значительно снижает требования к чувствительности аппаратуры и по-
зволяет использовать в экспериментах антенны небольшой эффективной площади. Доступность для наблюдений НКА и Солнца облегчает планирование экспериментов, а мощные сигналы дают возможность во время сеанса контролировать «визуально» на самописцах и спектроанализаторах наличие изучаемого сигнала, что крайне важно в процессе обучения персонала РСДБ-пункта, студентов и аспирантов, т.к. ускоряет выработку необходимых навыков работы с радиоастрономическими инструментами.
На первом этапе работ основу комплекса ННГУ составила антенна РТ-2 и аппаратура одного из приемных пунктов РСДБ НИРФИ [8], в состав которой входят: рубидиевый стандарт частоты и времени (приемник-синхронизатор VCH-311 с привязкой времени по сигналам GPS), высокочастотный блок приемника (МШУ с температурой шума 100 К, смеситель и блок гетеродинов на частоты 1420 и 1500 МГц), аналоговый видеоконвертер ВПР-175 (разработки НИРФИ), генератор тактовой частоты, контрольно-измерительная аппаратура. В качестве синтезатора частот второго гетеродина использовался синхронизируемый генератор R&S SMF100. Регистрация сигнала осуществляется с помощью терминала ТН-16 разработки НИРФИ, предназначенного для оцифровки аналогового сигнала и передачи данных на компьютеры.
2. Экспериментальные работы
В марте и апреле 2012 года было проведено два радиоинтерферометрических эксперимента по приему сигналов НКА, в которых впервые был задействован РСДБ-пункт ННГУ: NIRFI 12.1 (19-23.03.2012 г.), NIRFI 12.2 (05-10.04.2012 г.). Основной научной задачей экспериментов являлось получение информации о распределении электронов в ионосферной плазме и скорости перемещения неоднородностей электронной концентрации на высоте 180-700 км от поверхности Земли из анализа спектра мощности выходного сигнала интерферометра. Кроме исследований состояния ионосферы в спокойном (естественном) состоянии, проведены РСДБ-измерения параметров искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ), вызванной воздействием на среду радиоизлучения мощного передатчика. Предполагалось также выявление зависимости интенсивности флуктуаций электронной концентрации от режима воздействия. Сведения, полученные при исследовании ионосферы в спокойном состоянии и в искусственно возмущённом, позволят делать прогнозы о явлениях, которые могут возникнуть в условиях повышенной солнечной или геомагнитной активности.
Другой важной задачей данных экспериментов являлась отработка методик высокоточного определения положения НКА с целью повышения точности определения координат искусственных объектов на околоземных орбитах. РСДБ-измерения угловых координат и скоростей НКА на интерферометрах с различной ориентацией базовых линий в сочетании с дальномерным методом, применяемым в спутниковых навигационных системах, позволят на порядок повысить точность определения местоположения НКА.
В наблюдениях были задействованы следующие радиотелескопы: параболический радиотелескоп РТ-2, установленный в здании ННГУ, рупорная антенна РуА (НИРФИ) и параболический радиотелескоп РТ-32 в Ирбене (ВМРЦ, Латвия). Во время эксперимента по исследованию ИИТ воздействие на среду осуществлялось нагревным стендом «Сура» (НИРФИ), предназначенным для мониторинга верхней атмосферы Земли [8]. Под воздействием радиоизлучения мощностью около 250 кВт, генерируемого в непрерывном режиме, на высоте более 180 км создавалась область ИИТ с поперечным размером около 50 км. Сигналы НКА распространялись через возмущенную область и принимались одним из телескопов комплекса. Излучение до других радиотелескопов проходило через зону слабой турбулентности или через область, свободную от возмущений.
На рис. 1 показана схема взаимного расположения антенн приемного РСДБ-комплекса и нагревного стенда «Сура»; указаны также РСДБ-пункты в Старой Пустыни (РТ-14 и РТ-1.5, НИРФИ) и Евпатории (РТ-70, НЦУИКС, Украина), которые предполагается задействовать в последующих работах. Первый эксперимент (МИЛ 12.1) был проведен на радиоинтерферометре ННГУ - НИРФИ с базовым расстоянием около 4 км и привязан к графику работы стенда «Сура». Второй эксперимент проводился на трехэлементном интерферометрическом комплексе, включая РСДБ-пункт Ирбене (Вент-спилс); задачей эксперимента являлось определение координат НКА, в этом сеансе наблюдений стенд «Сура» не был задействован. Координация наблюдений осуществлялась через Интернет. Часть записанных в каждом пункте данных передавалась на контрольную обработку в НИРФИ непосредственно по время сеанса наблюдений.
Небольшая база инструмента в первом эксперименте имела преимущество в том, что сигналы НКА, прошедшие через возмущенную зону ионосферы, приходили на обе антенны, в отличие от комплексов с большими базами,
Рис. 1. Схема эксперимента по приему РСДБ-комплексом сигналов навигационных космических аппаратов, прошедших через область искусственной ионосферной турбулентности, созданной нагревным стендом «Сура»
когда возмущенный сигнал принимается только одной антенной, а вторая является «опорной». Это обстоятельство существенно для теоретических расчетов и математического моделирования вариаций параметров сигналов.
Сочетание в интерферометрах большой и малых антенн позволяло последовательно отработать методику приема и обработки при резком уменьшении сигнала одного приемного пункта относительно другого. Кроме того, узкая диаграмма направленности (ДН) РТ-32 позволяла «вырезать» нужный объект из всех, что попадали в ДН малых антенн, и соответственно облегчить процедуру анализа результатов после обработки данных.
Радиотелескоп РТ-32 в Ирбене выполнял сопровождение НКА. Антенна ННГУ РТ-2 во время эксперимента выставлялась в упреждающую точку и оставалась неподвижной в течение некоторого времени, когда источник проходил через ДН антенны. При таком способе наблюдений (метод «наблюдений на прохождение») при обработке данных требуется коррекция уменьшения амплитуды измеряемого сигнала, которое происходит из-за попадания источника на спад ДН антенны. В пункте НИРФИ установлена рупорная антенна (РуА) предельно малых размеров (с размером раскрыва порядка
длины волны), которая была направлена в восточную полусферу таким образом, чтобы возмущенная область ионосферы попадала в диаграмму направленности антенны.
При проведении экспериментов выполнялась подстройка частоты приёма под каждый НКА, т.к. аппараты системы ГЛОНАСС и GPS излучают сигналы на разных частотах (1594-1603 и 1575 МГц соответственно, в системе ГЛОНАСС используется частотное разделение излучаемых каждым спутником сигналов).
3. Предварительные результаты
В НИРФИ начата обработка экспериментальных данных с помощью коррелятора НИР-ФИ-4. На первом этапе рассчитывалась кросс-корреляционная функция сигналов, принятых двумя антеннами РСДБ-комплекса. По максимуму корреляционной функции измерялась задержка - разность времен прихода сигналов в два приемных пункта. На втором этапе выполнялось умножение сигналов с предварительно введенным временным сдвигом, равным измеренному значению задержки. Дальнейшая обработка заключалась в спектральном анализе полученной реализации.
ЗЗАЄЄ**3’
Рис. 2. Спектрально-корреляционный отклик интерферометра НИРФИ - ННГУ на сигнал навигационного космического аппарата N26605. Эксперимент NIRFI 12.1, 22.03.2012 г., 07:08:00 UT
Рис. 3. Спектрально-корреляционный отклик интерферометра Ирбене - ННГУ на сигнал навигационного космического аппарата С37868. Эксперимент NIRFI 12.2, 09.04.2012 г., 07:32:00 UT
Выходным сигналом коррелятора является двумерная функция в осях «амплитуда - частота - задержка». На рис. 2 приведен пример сигнала интерферометра РуА (НИРФИ) - РТ-2 (ННГУ) при приеме излучения НКА «Навстар 26605» навигационной системы GPS. По вертикальной оси отложена амплитуда максимума спектра сигнала интерферометра (в относительных единицах), по одной из горизонтальных осей - задержка (в дискретах; один дискрет равен 62.5 нс при полосе приема 8 МГц), по другой горизонтальной оси - частота спектра (в Гц). В случае если сигнал, излучаемый НКА, имеет спектр, не зависящий от частоты в полосе регистрации (белый шум), то огибающая корреляционного сигнала при прямоугольной форме полосы регистрации представляет собой функцию вида:
ь fi!^, (і)
т Лю/ 2
где т - задержка, Лю - полоса регистрации.
Корреляционная функция (синяя кривая рис. 2) имеет характерную для сигналов НКА форму: отчётливо просматривается узкий пик
на фоне более широкой части. Наличие «подставки» объясняется тем, что излучаемые НКА сигналы (как ГЛОНАСС, так и НАВСТАР) имеют сложный спектр - максимальная мощность сосредоточена в узкой частотной полосе (0.5-2 МГц), общая ширина полосы излучения 10 МГц (ГЛОНАСС) и 20 МГц (GPS). Узкий пик корреляционной функции имеет ширину 125 нс, обусловленную полосой регистрации приёмной системы 8 МГц. Кросс-корреля-ционная функция имеет максимум на задержке, равной разности времен распространения сигнала от НКА до двух приемных пунктов интерферометра. На кривой также видны побочные максимумы, определяемые синусоидальной функцией (1). Спектр мощности выходного сигнала интерферометра обозначен на рис. 2 красной кривой. Частота максимума спектра соответствует частоте интерференции и определяется скоростью перемещения НКА через диаграмму направленности интерферометра.
На рис. 3 приведён пример выходного сигнала интерферометра, полученный при приёме излучения НКА C37868 системы ГлОнаСс на базе Ирбене - ННГУ. Видно существенное уве-
Delay
ШШ
Рис. 4. Спектрально-корреляционный отклик интерферометра НИРФИ - ННГУ на сигнал навигационного космического аппарата N28129. Эксперимент МРИ 12.1, 21.03.2012 г., 05:15:00 ОТ
личение отношения сигнал/шум из-за значительно большей эффективной площади антенны пункта Ирбене.
По результатам проведенных экспериментов отмечено, что в зависимости от условий измерений существенные изменения претерпевают два параметра результирующего сигнала - амплитуда и форма спектра. На рис. 4 показан пример «развала» спектра при наблюдении НКА N28129 через несколько минут после выключения режима нагрева «Суры».
Одной из задач экспериментов является исследование характера выходного сигнала интерферометра от режима воздействия на ионосферу. Основной проблемой при обработке данных была проблема выбора параметров РСДБ-сигнала, наиболее информативных для анализа влияния турбулентности среды распространения. Очевидно, что более полная и точная информация содержится в вариациях фазы принимаемого сигнала, но на данном этапе работ проводилась модернизация программного обеспечения обработки (коррелятора), и при очень большом объеме наблюдательной информации быстрее всего выдавались данные о параметрах корреляционной функции и спектре мощности. Кроме того, из-за слабого сигнала в пункте НИРФИ требовалось достаточно большое накопление сигнала для получения хорошего отношения сигнал/шум, что могло ухудшать точность фазовых измерений. Поэтому на первом этапе анализировались изменения амплитуды и формы спектра корреляционного отклика в зависимости от времени при наблюдении излучающего аппарата как через спокойную ионосферу, так и через область искусственной турбулентности.
Анализ отклика интерферометра на сигнал НКА N26605, выполненный при его пролете в
течение 40 минут в районе нагревной зоны, показал, что при включении стенда амплитуда выходного сигнал претерпевает резкие колебания, ширина спектра мощности увеличивается, что связано с сильными флуктуациями фазы принятых сигналов на неоднородностях электронной концентрации в ионосфере в области воздействия.
График включения передатчика стенда «Сура» показан на рис. 5 жирными горизонтальными линиями (положение линии выше нулевого уровня означает включение передатчика). Мощность излучения передающей антенны стенда во время данного сеанса достигала 110 МВт. Воздействие осуществлялось интервалами длительностью 15 минут с 15-минутными перерывами между интервалами излучения. На рисунке точками обозначена зависимость амплитуды выходного сигнала от времени. По вертикальной оси отложена амплитуда спектра отклика интерферометра при полной компенсации задержки (в относительных единицах), по горизонтальной оси - время в минутах. Начало временной оси на рис. 5 соответствует первому за сутки включению передатчика стенда «Сура». Из рисунка следует, что при начале воздействия на ионосферу, в момент перехода среды из невозмущенного состояния в состояние повышенных флуктуаций электронной концентрации, более чем в 6 раз увеличиваются амплитудные флуктуации спектра мощности. После окончания излучения «Суры» заметно снижение колебаний почти до минимума. При следующем включении стенда «Сура», через промежуток времени 15 минут, аппарат уже находился вне зоны повышенной турбулентности и влияние возмущенной среды на сигнал из предварительных данных определить сложно. Из анализа данных предыдущих экспериментов оценено
1—I----1—I--1—I-------1-1-Г
25
30
35
15 20
Время, мин
Рис. 5. Зависимость амплитуды выходного сигнала интерферометра от режима работы передатчика в течение интервала приема излучения НКА GPS 26605. Эксперимент NIRFI 12.1. 23.03.2012 г. Интерферометр ННГУ - НИРФИ
изменение амплитуды корреляции в зависимости от структуры излучаемого НКА сигнала -оно не превышает 20%. Отсюда можно сделать вывод, что сильные вариации на рис. 5 вызваны влиянием искусственного возмущения ионосферы.
В дальнейшие планы входит вторичная обработка экспериментальных данных с целью получения информации о скорости переноса ионосферных неоднородностей через диаграмму направленности интерферометра и определение пространственных характеристик неоднородностей электронной концентрации.
4. Выводы
В начале 2012 года проведен ряд успешных международных экспериментов по радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой. Во время экспериментов отлажен приемный комплекс, установленный в ННГУ.
Исходя из опыта проведённых экспериментов, следует учесть некоторые особенности в методике проведения наблюдений НКА с помощью комплекса, включающего антенны с различной эффективной площадью. Так, при составлении графика наблюдений необходимо выбирать временные и пространственные зоны наибольшей концентрации объектов в области небосвода, равной по площади главному лепестку ДН малой антенны. В этом случае график наблюдений является оптимальным с точки зрения измерений сигналов максимального количества объектов за определённый промежуток времени. Нужно определить временные зоны максимального сближения аппаратов для исключения ошибок при обработке данных. Так как при наблюдении НКА системы GPS не требуется частотной подстройки приемной аппара-
туры, то можно вести запись сигналов одновременно всех НКА в зоне видимости малой антенны без вмешательства в настройки приемника. Выделение сигналов от каждого объекта при этом нужно выполнять в процессе обработки по пространственной задержке.
В результате первичной обработки зарегистрированных данных получены спектральнокорреляционные отклики двухэлементного интерферометра НИРФИ - ННГУ и трёхэлементного интерферометра НИРФИ - ННГУ - Ирбе-не для 12 навигационных космических аппаратов систем GPS и ГЛОНАСС. В дальнейшие планы входит вторичная обработка экспериментальных данных с целью получения информации о параметрах ионосферы, развитие методики измерения координат НКА, выявление зависимости спектральных характеристик выходного сигнала интерферометра от режима воздействия на ионосферу.
Работа поддержана грантами РФФИ № 10-02-00875-а, Европейского социального фонда 2009/0231/1DP/ 1.1.1.2.0/09/APIA/VIAA/151 и государственным контрактом № П683 от 20 мая 2010 г. на выполнение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Астрономия, астрофизика и исследования космического пространства» по проблеме «Развитие и применение радиоинтерферометрических методов для исследования космических объектов и характеристик наземных антенных комплексов», номер госрегистрации 01201061443 от 10.09.2010.
Список литературы
1. Антипенко А.А., Дементьев А.Ф., Дугин Н.А. и др. Юстировка антенн и калибровка РСДБ НИРФИ по сигналам космических аппаратов СРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР. Препринт № 536. Нижний Новгород: ФГНУ НИРФИ, 2011. 32 с.
2. Дугин Н.А., Антипенко А.А., Дементьев А.Ф. и др. Особенности работы радиоинтерферометра с независимым приемом по сигналам навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС и НАВСТАР // Сборник докладов конференции «RLNC 2010». XVII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». 12-14 апреля 2011 г. Воронеж: НПФ «САКВОЕЕ», 2011. Т. 3. С. 1858-1869.
3. Дугин Н.А., Нечаева М.Б., Антипенко А.А. и др. Измерение параметров антенн по сигналам космических аппаратов систем ГЛОНАСС и NAVSTAR // Изв. вузов. Радиофизика. 2011. Т. 54. № 3. С. 177-184.
4. Дугин Н.А., Антипенко А.А., Дементьев А.Ф. и др. О возможности калибровки РСДБ по сигналам навигационных космических аппаратов // Труды ИПА РАН. СПб.: Наука, 2012. Вып. 23. С. 202-206.
5.. Гавриленко В.Г., Дугин Н.А., Нечаева М.Б. Применение метода радиоинтерферометрии со сверхдлин-ной базой для исследований пространственно-
временной структуры турбулентности области ионосферы, возмущённой мощным радиоизлучением (теория, подготовка экспериментов). Препринт № 539. Нижний Новгород: ФГНУ НИРФИ, 2011. 24 с.
6. РСДБ-исследование быстропеременных процессов в микроволновом радиоизлучении Солнца (2009-11, грант РФФИ, шифр «Пробы», науч. рук. С.Д. Снегирев, исполн. Н.А. Дугин, М.Б. Нечаева, А.А. Антипенко и др.), рег. № РК 01200955248.
7. Антипенко А.А., Дементьев А.Ф., Дугин Н.А. и др. РСДБ-комплекс для исследований радиоизлучения Солнца // Тезисы докладов на Всероссийской астрономической конференции «От эпохи Галилея до наших дней». Нижний Архыз, 12-19 сентября 2010 г. Отпечатано в типографии ООО «Кадо» г. Геленджик. С. 20.
8. Беликович В.В., Грач С.М., Караштин А.Н. и др. Стенд «Сура»: исследования атмосферы и космического пространства (обзор) // Известия вузов. Радиофизика. 2007. Т.50. № 7. С. 545-576.
RADIO INTERFEROMETER WITH INDEPENDENT RECEPTION UNN-NIRFI-IRBENE. FIRST RESULTS
N.A. Dugin, V.G. Gavrilenko, A.A. Antipenko, A.F. Dementiev, M.B. Nechaeva,
Yu. V. Tikhomirov, A V. Kalinin, A.K. Chagunin
In March 2012, a VLBI (very-long-baseline interferometry) station on the basis of the parabolic antenna RT-2 and the NIRFI observation equipment at a frequency of 1.6 GHz was put into operation at the State University of Nizhni Novgorod (UNN). The main purpose of the station is to take part in VLBI observations on a wide range of scientific problems. The article presents the results of the first VLBI experiments in receiving signals from navigation satellites carried out at the UNN VLBI station.
Keywords: very-long-baseline interferometry (VLBI), ionosphere, navigation spacecraft, correlator.
