CC BY
28РАДИОЛОКАЦИЯ
РАДИОПРОСВЕЧИВАНИЕ В МИССИИ ВЕНЕРА-Д: КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ И УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ МЕТОДИКИ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
1Гаврик А.Л., 1Коломиец С.Ф., 1,2Илюшин Я.А., 1Бондаренко М.И., 1Луканина Л.А., 1Копнина Т.Ф.
1Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал, http://fire.relarn.ru Фрязино 141190, Московская область, Российская Федерация
2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, http://physics. msu.ru Москва 119991, Российская Федерация Поступила 17.04.2019, принята 23.04.2019
Сформулированы задачи радиозатменных экспериментов в миссии ВЕНЕРА-Д. На основе опубликованных результатов завершенных радиозатменных экспериментов показано, что в проекте ВЕНЕРА-Д по измерениям вариаций мощности и частоты двух когерентных радиоволн можно изучать мелкомасштабную структуру зондируемой среды и получать новые сведения о системе атмосфера-ионосфера. Показано, что точность интерпретации данных радиозатмений зависит от характеристик радиотехнических комплексов, обеспечивающих выполнение экспериментов радиопросвечивания газовых оболочек планет. Основным направлением развития радиотехнического комплекса, выполняющего эксперименты радиопросвечивания, является увеличение энергетического потенциала радиолинии и улучшение стабильности используемой аппаратуры, т.к. достоверность информации при интерпретации данных радиозатмений зависит от соотношения между радиофизическими эффектами, обусловленными исследуемой средой и мешающими факторами. Обсуждается разработанная методика исследования ионосферы и атмосферы Венеры с помощью двухчастотного радиопросвечивания, позволяющая исследовать распространение возмущений из атмосферы в ионосферу. Показано, что наблюдаемая корреляция амплитудных и частотных данных, теоретически обоснованная в приближении сферической симметрии ионосферы и подтвержденная экспериментальными данными, является эффективным критерием достоверности применения сферически симметричного приближения при решении обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Венеры.
Ключевые слова: распространение радиоволн, радиопросвечивание, ионосфера и атмосфера Венеры
УДК 535.37:523.42
Содержание
1. Введение (5)
2. Задачи радиозатменных экспериментов в миссии венера-д (6)
3. методика радиозатменного эксперимента (7)
4. Методика обработки данных (8)
5. Диагностика слоистых структур в ионосфере (9)
6. Заключение (11)
литература (11)
1. ВВЕДЕНИЕ
Несколько десятилетий радиозатменное зондирование развивают в качестве технологии диагностики газовых оболочек космических объектов: Земли, планет, комет и Солнца [1]. Радиозатменные исследования на Венере начали в 1967 г. [2]. Благодаря удачным миссиям космических аппаратов (КА) MARINER-5,-10, ВЕНЕРА-9,-10, PIONEER-VENUS,
ВЕНЕРА-15,-16, MAGELLAN, VENUSEXPRESS, AKATSUKI проведено более 1500 радиопросвечиваний ионосферы и атмосферы
РАДИОЛОКАЦИЯ
Венеры [3-9]. Накопленный к настоящему времени объем данных радиопросвечивания сравнительно невелик (~1500 сеансов), в то время как количество радиопросвечиваний Марсианской газовой оболочки превышает 6000, количество радиопросвечиваний околоземной оболочки составляет несколько тысяч в сутки и проведено несколько миллионов сеансов.
С использованием имеющихся
экспериментальных данных структурные характеристики ионосферы и верхней атмосферы Венеры были исследованы и описаны в литературе [1-9]. Эти результаты охватывают широкий диапазон высот над поверхностью планеты и солнечной активности. Важно сказать, что, хотя многое известно об ионосфере Венеры, наше понимание остается довольно поверхностным в большинстве аспектов. Венера, как и Земля, является сложным миром, и для того, чтобы сделать еще один шаг вперед к ее адекватному пониманию, в планируемой миссии ВЕНЕРА-Д [10] следует уделить основное внимание вопросу получения новых данных, которые с большей вероятностью приведут к новым знаниям, а не только к накоплению статистики измерений при использовании известных инструментов и методов анализа данных.
В миссии ВЕНЕРА-Д [10] наш интерес сосредоточен на мелкомасштабных (от 0.5 км до 10 км) особенностях ионосферы и атмосферы, а также на процессах, которые влияют на их структуру. Наиболее привлекательными являются наименее изученные вопросы: взаимодействие между нижней ионосферой и верхней атмосферой Венеры, а также волновые процессы как в атмосфере, так и в ионосфере. Опыт предыдущих миссий показывает, что, имея достаточный энергетический потенциал радиолиний, можно выявить свойства всех слоев ионосферы [11], в том числе путем сравнения радиозатменных данных с прямыми измерениями датчиков, установленных на орбитальном аппарате проекта ВЕНЕРА-Д.
Анализ данных радиопросвечивания обычно выполняется в приближении геометрической оптики, а для разделения радиоэффектов от ионосферы и атмосферы используется метод дисперсионного интерферометра. Известные интегральные соотношения, описывающие
соответствующую постановку обратной задачи, позволяют вычислить по изменениям частоты или мощности зондирующих сигналов радиальные профили концентрации электронов в ионосфере, плотности и температуры в нейтральной атмосфере [1]. Однако вопросы о точности метода радиопросвечивания при определении параметров атмосферы и ионосферы все еще актуальны [12, 13], а вопросы извлечения новой информации о газовой оболочке из экспериментальных данных требуют совершенствования методик измерений и анализа экспериментальных результатов [14].
Опыт всех предыдущих миссий к Венере позволяет нам выбрать оптимальные условия радиозатменных экспериментов. Обсуждаемая в настоящей статье усовершенствованная модель обработки данных, применимая к результатам высокопотенциальных измерений, будучи заложена в основу эксперимента, позволит получить новые надежные данные о ночной ионосфере, о нижней части дневной ионосферы и о распространении возмущений из атмосферы в ионосферу. В результате, радиопросвечивание с использованием оборудования, установленного на орбитальном аппарате в миссии ВЕНЕРА-Д, можно рассматривать как один из самых недорогих и надежных способов получения неизвестных и важных сведений о газовой оболочке Венеры.
2. ЗАДАЧИ РАДИОЗАТМЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В МИССИИ ВЕНЕРА-Д
Радиофизические исследования в миссии ВЕНЕРА-Д можно проводить с когерентным двухчастотным излучением в диапазонах X (3.6 см) и 5 (13.7 см) при высоком потенциале радиолиний. Возможны три категории экспериментов и наблюдений. Во-первых, изучение планетарной атмосферы и ионосферы. Эти измерения можно выполнять как с прямым (подразумевая, что передатчики находятся на борту), так и с обратным (передатчики на Земле) просвечиванием. Во-вторых, исследования так называемых свойств «бистатического рассеяния», когда приемная станция на Земле регистрирует не только прямой сигнал с КА, но и сигнал, отраженный от поверхности Венеры. В-третьих, исследование свойств солнечного ветра и
РАДИОЛОКАЦИЯ
короны Солнца с использованием прямого радиопросвечивания с малыми периодами дискретизации сигнала, включая его синхронное получение несколькими наземными станциями (интерферометрический прием). Таким образом, будут возможны следующие исследования:
1. Получение данных об электронной концентрации в интервале высот от ~70 км до —1000 км и получение данных о температуре, плотности и давлении в атмосфере в интервале высот от —40 км до —100 км как функции высоты, широты, местного времени и сезона.
2. Изучение динамики многослойных структур в атмосфере и ионосфере Венеры, их связи с волновыми процессами, солнечной активностью и потоком солнечного ветра.
3. Выявление связей между процессами в ионосфере, термосфере и нижней атмосфере на дневной и ночной стороне Венеры.
4. Изучение рассеивающих свойств поверхности Венеры, диэлектрической проницаемости и плотности грунта, выявление областей с аномальными коэффициентами рассеяния.
5. Изучение динамики мелкомасштабных и крупномасштабных неоднородностей межпланетной и околосолнечной плазмы.
6. Исследование особенностей распространения радиоволн в космических средах.
3. МЕТОДИКА РАДИОЗАТМЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема радиопросвечивания газовой оболочки планеты показана на рис. 1. В начале эксперимента радиотрасса между источником и приемником сигналов проходит выше ионопаузы. Движущийся по орбите объект А излучает сигналы, принимаемые объектом В (используемые далее соотношения лучевого
Планета О
Рис. 1. Схемарадиозатменного эксперимента. Передатчик в точке А, приемник в точке В. Искривление радиотрассы АП*В обусловлено рефракциейрадиоволны в газовой оболочке.
приближения не зависят от направления излучения). Предполагается, что скорость погружения линии прямой видимости АВ в оболочку планеты V = dh/dt (Ь — высота линии АВ над поверхностью планеты), а также расстояния СА и СВ от перицентра линии АВ до излучателя и приемника ^2 в процессе зондирования изменяются незначительно, так что изменением этих параметров в эксперименте можно пренебречь. В сферически-симметричной среде асимптоты АО и ОВ искривленного радиолуча АО*В имеют прицельный параметр р(г), величина которого вследствие малости угла рефракции равна расстоянию ОП* точки поворота луча. Такая модель допустима при зондировании околопланетной среды Венеры выше облачного слоя.
Передатчик КА в процессе перемещения излучает две непрерывные когерентные радиоволны, измерительная система использует лишь ограниченные участки радиополя, попадающие в апертуру приемной антенны на интервалах времени измерения т. Приемник определяет среднюю на интервале времени т мощность каждого сигнала, которая затем нормируется к уровню мощности сигнала на контрольном участке в отсутствии зондируемой среды. Зарегистрированные вариации мощности сигнала Хар($) = Хаф + Хрф являются суммой изменений мощности в плазме Хр(/) и в нейтральной среде Ха() которые зависят только от деформации лучевой трубки при отсутствии поглощения и рассеяния радиоволн. Вблизи нижней границы ионосферы однозначно выделить Хр(/) и Ха$ из функции Хар(§ достаточно сложно [14]. Приемник также определяет приращения за время т фазы ф@ каждого сигнала и вычисляет мгновенную частоту /) = (2п)-1^йф(г)/г&. Изменение частоты сигнала /ср(Ъ) = /а(Ъ) +/>($ обусловлено изменением угла рефракции Щ) при погружении радиолуча в оболочку планеты, содержащую нейтральные и ионизованные компоненты (слагаемые /&($, /рф). Для выделения эффекта плазмы вычисляется разностная частота /) по данным о вариациях частоты принимаемых когерентных сигналов/(г) и/(¿):
т = - /с®-?1]- (1)
При прямолинейном распространении радиоволн /) совпадает с изменением частоты низкочастотного сигнала в плазме />($) (д —
РАДИОЛОКАЦИЯ
отношение высокой излучаемой частоты к низкой частоте). В зондируемой ионосфере Венеры траектории сигналов разных диапазонов проходят на разных высотах, поэтому />(/) отличается от /). Разработана методика восстановления />(/) по вариациям 8/(/), погрешность определения /р(р) не превышает величины аппаратурного шума (ю-2...3-10-3 Гц при г = 1 с) [6].
Опыт предыдущих миссий показывает, что динамический диапазон используемых радиолиний должен составлять не менее 45 дБ и быть сбалансированным. Последнее не менее важно для надежной интерпретации данных и требует обеспечения потенциала обеих линий достаточно высокого, чтобы помешать шуму одной из них доминировать в конечных результатах. Радиотехнические измерения в миссии ВЕНЕРА-Д предполагают использование наземных антенн диаметром 70 и 64 м, и приемников с водородным мазером, собранными по схеме, которая подразумевает параллельную реализацию регистрации сигналов в диапазонах X (3.6 см) и 5 (13.7 см), как в узкой полосе (с фазовой автоподстройкой частоты), так и в широкой полосе. Последнее позволяет ожидать надежную и интерпретируемую регистрацию сигнала, когда его мощность будет довольно низкой для нормальной работы подсистемы фазового слежения.
Чтобы выполнить все исследования, перечисленные выше, на борту должен быть передатчик в Х-диапазоне более 30 Вт и не менее чем 40 Вт передатчик в 5-диапазоне. Ожидается, что оба они будут хорошо стабилизированы и эффективно экранированы, чтобы обеспечить требуемую стабильность на интервалах времени от 0.05 с до 600 с, которые соответствуют типичной длительности периодов дискретизации сигнала в различных радиозатменных экспериментах. Учитывая, что краткосрочные отклонения частоты могут быть непосредственно проецированы на тонкую структуру планетарной среды, целесообразно использовать гетеродины на борту со значением стабильности частоты не хуже 10-12 на интервале времени до 10 с. Таким образом, основным направлением развития радиотехнического комплекса, выполняющего эксперименты радиопросвечивания, является увеличение
энергетического потенциала радиолинии и улучшение стабильности используемой аппаратуры, т.к. достоверность информации при интерпретации данных радиозатмений зависит от соотношения между радиофизическими эффектами, обусловленными исследуемой средой и мешающими факторами.
4. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Точность определения параметров атмосферы и ионосферы при решении обратной задачи радиопросвечивания неудовлетворительная в области нижней границы ионосферы на высотах от 75 км до 120 км [11]. Для исследования системы атмосфера-ионосфера необходим метод, использующий главное достоинство радиопросвечивания: непрерывную (за время 2.5 мин) регистрацию вариаций угла рефракции £(/), по которому вычисляется профиль показателя преломления п(В) вдоль вертикали от верхней границы ионосферы до облачного слоя атмосферы. Способы решения обратной задачи радиопросвечивания атмосферы и ионосферы разные, но принцип определения п(В) основан на интегральных связях функций /а(£), Ха(£), />(/), Хр($) с параметрами зондируемой среды [15]. В работе [11] показано, что полученные при решении обратной задачи сведения о малых вариациях п(В) не всегда достоверны. В частности, вблизи нижней границы ионосферы Венеры в области протяженностью ~40 км (в интервале высот 75.120 км) недостаточная точность определения п(В) в атмосфере и ионосфере ограничивает возможность изучения стратифицированных слоев.
В разработанном новом методе [11] для разделения влияния атмосферы и ионосферы используется соотношение (1), выделяющее плазменный эффект 8/(/). По //) вычисляем изменение частоты, обусловленное влиянием ионосферы />(/), затем из функции /,0) определяем влияние атмосферы /а(Ъ). Функции /аф, Ха(£), />(г), Хр(£) связаны с показателем преломления п(В) зондируемой среды и углом рефракции известными соотношениями [15]. Для стратифицированной не поглощающей радиоволны среды, обладающей свойством сферической симметрии в телесном угле меньше 10°, можно получить приближенные
РАДИОЛОКАЦИЯ
формулы, устранив из многопараметрических соотношений, приведенных в [15], все слагаемые, вклад которых не превышает случайные флуктуации. В этом случае при Ь2 >> Ь1 и малом параметре справедливы следующие
сооьношения:
Хйр(р) = {1 — Ь^/ср}-1, (2)
р® = я0 + Ь® + Ь^щ, (3)
/ар® = ад (4)
где — радиус планеты, X — длина радиоволны. Погрешность формул (2)-(4) при < 10-3 рад, | п(Ь) — 1| < 10-4 не превышает искажений, возникающих из-за шума. Дифференцирование формул (3), (4) и их использование для преобразования формулы (2) позволяет получить следующие соотношения: йр(^/й1 = V■Xap{i). (5)
Хар(г) = 1 + [Х-ьЦ •V-2]- $рО)М (6)
Формула (5) устанавливает связь между вертикальной компонентой V скорости КА и скоростью погружения искривленного радиолуча в оболочку планеты ¿р(р)/¿1. Ранее такая связь была выявлена экспериментально, но пределы применимости эмпирической формулы в реальных экспериментах при исследовании тонких слоев оставались неясными. Полученная преобразованиями известных соотношений (2)-(4) формула (5) доказывает правомерность ее использования при произвольных вариациях п(Ь), не нарушающих ограничений лучевого приближения.
Соотношение (6) открывает перспективы решения новых задач диагностики системы атмосфера-ионосфера. Используя неэнергетические параметры сигнала /о(/), />(/), можно вычислить по формуле (6) прогнозируемые рефракционные изменения и сравнить их с энергетическими параметрами сигналов Ха(/), Хр(р). Наличие корреляции измеренных и рассчитанных параметров позволит выделить на фоне сходных по форме помех малые вариации п(Ь) в стратифицированных слоях системы атмосфера-ионосфера, т.к. случайные флуктуации энергетического и неэнергетического параметров статистически независимы. Отсутствие корреляции между вариациями измеренных и рассчитанных параметров укажет на доминирующее влияние шума и/или на неприменимость используемых приближений.
5. ДИАГНОСТИКА СЛОИСТЫХ СТРУКТУР В ИОНОСФЕРЕ
Предложенная методика анализа данных радиопросвечивания позволит получить в новой миссии к Венере важные сведения о распространении возмущений в газовой оболочке. Надежным критерием обнаружения стратифицированных слоев в атмосфере является совпадение вариаций Ха(р) с измеренными функциями Хв(г) или Хс(г), а в ионосфере — совпадение вариаций Хр(§ с Хи(1) или Хс(г). Кроме того, такие совпадения подтвердят правомерность применения лучевого приближения и сферической симметрии при решении обратной задачи, т.к. соотношение (6) выполняется только в рамках принятой модели. В экспериментах можно наблюдать корреляцию пульсаций Ха(/), Хр(1), Хр(/), Хс(р), не совпадающих по амплитуде. В этом случае исследуемые эффекты маскируются мешающими факторами, к которым относятся: недостаточно малый интервал дискретизации данных т, флуктуации сигнала из-за шума или турбулентности среды, поглощение или рассеяние радиоволн, нарушение применимости лучевого приближения или сферической симметрии. В таких случаях интерпретация данных потребует тщательного анализа возможных источников погрешностей и обоснования достоверности полученной информации.
Используя данные миссий ВЕНЕРА-15,-16 и оригинальные методы обработки данных наконец-то удалось сформировать твердую экспериментальную основу вышеприведенным теоретическим соотношениям и показать, что в области применения геометрической оптики плотность потока энергии сигналов в среде со сферической симметрией изменяется прямо пропорционально значению градиента угла отклонения волнового вектора [11]. Это означает, что флуктуации мощности сигнала в экспериментах по радиопросвечиванию атмосферы и ионосферы непосредственно коррелированы со скоростью изменения частоты, поскольку среду можно рассматривать как сферически-симметричную из-за воздействия гравитационного поля. В то же время истино стохастические флуктуации (шум) мощности и частоты не коррелированы. Учитывая, что это новый способ представления сигналов,
РАДИОЛОКАЦИЯ
он открывает перспективы применения новой технологии обработки данных, которая, как мы надеемся, позволит глубже проникнуть в ионосферу и более надежно исследовать процессы взаимодействия атмосферы и ионосферы, в том числе распространение волновых процессов из атмосферы в ионосферу.
Эффект, лежащий в основе такого исследования, может быть обнаружен в сферически слоистой среде, если слои достаточно плотные и уровень аппаратного шума низкий, а дифракция и поглощение электромагнитных волн отсутствуют. Вот почему данные миссий ВЕНЕРА-15,-16, которые работали с более высокой мощностью и на более низкой частоте, чем большинство других миссий, были критически необходимы для проверки концепции новой технологии обработки данных. Самый интригующий результат, полученный с использованием данных КА ВЕНЕРА-15,-16, заключается в том, что обнаружены и исследованы слоистые структуры венерианской ионосферы на чрезвычайно малых высотах 80...120 км над поверхностью планеты, где концентрация электронов чрезвычайно мала по сравнению с погрешностью ее определения в случае применения традиционного метода решения обратной задачи радиопросвечивания.
Типичные стратифицированные
периодические вариации мощности Х0 и Х1 представлены на рис. 2 для четырех сеансов радиопросвечивания. Идея методики выявления ионосферных возмущений заключается в сравнении двух диаграмм со значениями мощности сигнала (ось X) вдоль высот (ось У), в то время как одна из них (X) представляет собой экспериментально наблюдаемые вариации и флуктуации мощности сигнала, обусловленные влиянием ионосферы и атмосферы, а другая (X) означает "предсказание" того же параметра, рассчитанного с использованием соотношения (6) на основе вариаций частоты сигнала в ионосфере. Можно видеть на рис. 2 хорошее соответствие между диаграммами Хо и X в диапазоне высот от 90 до 180 км. Флуктуации выше 180 км имеют чистый стохастический характер, который указывает на то, что этот интервал высот не содержит обнаруживаемых ионизованных слоев с устойчивыми отклонениями среднего показателя преломления. Как следует из рис. 2, ниже 85 км
120 - <—^ - - - 120 юо - - - у - 100
80 - ^ i — jpg - 80
60 ....... ....... 60 ....... .......
Q1230123A' 01 23 01 2 3 AT
Рис. 2. Сравнение рефракционного изменения мощности X0(h) сигнала с длиной волны 32 см КА Венера-15,-16 (сплошная кривая) с вычисленным из частотных данных рефракционным изменением X1(h) (серые точки) в четырех сеансах радиопросвечивания. По оси ординат — высота
радиолуча над поверхностью Венеры. плазменные слои также отсутствуют, а ослабление мощности при рефракции в атмосфере быстро увеличивается.
Вариации X(h) на рис. 2 обусловлены разрежением или концентрацией лучевых пучков при изменении показателя преломления в ионосфере. На высотах от 90 до 160 км наблюдается корреляция X(h) с X(h), достигающая значения 0.9, что свидетельствует о влиянии плазменных слоев и отсутствии влияния атмосферы. Наиболее важным является обнаружение чередования максимумов и минимумов X(h) ниже 120 км, совпадающих с X(h), что указывает на наличие многочисленных стратифицированных
ионизованных структур в нижней дневной ионосфере Венеры. В иностранных экспериментах радиозондирования ионосферы Венеры [2, 3, 5, 7, 8, 9] этот эффект практически был неуловим из-за ограниченной точности применявшейся методики. Обнаруженные периодические колебания X(h), совпадающие с колебаниями X(h), указывают на регулярное существование стратифицированных периодических возмущений n(h), обусловленных колебанием электронной концентрации в области нижней границы дневной ионосферы Венеры. Это обстоятельство указывает на возможность исследования взаимодействия между нижней ионосферой и верхней атмосферой Венеры, а также открывает перспективу изучения волновых процессов как в атмосфере, так и в ионосфере в экспериментах радиопросвечивания планируемой миссии ВЕНЕРА-Д.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для решения фундаментальных задач сравнительной планетологии в проекте
РАДИОЛОКАЦИЯ
ВЕНЕРА-Д предполагается выполнить многократные радиопросвечивания ионосферы и атмосферы Венеры, зондирование поверхности Венеры методом бистатической радиолокации, радиопросвечивания межпланетной среды и околосолнечной плазмы при заходе Венеры за Солнце. Наиболее важными являются наименее изученные вопросы: взаимодействие между нижней ионосферой и верхней атмосферой Венеры, а также волновые процессы как в атмосфере, так и в ионосфере. Опыт предыдущих миссий показал, что, имея достаточный энергетический потенциал радиолиний, можно выявить свойства всех слоев ионосферы, в том числе путем сравнения радиозатменных измерений и данных, собранных с приборов, установленных на орбитальном аппарате проекта ВЕНЕРА-Д. Показано, что усовершенствованная модель обработки данных, применимая к результатам высокопотенциальных измерений, будучи заложена в основу эксперимента, позволит получить новые надежные сведения о ночной ионосфере, о нижней части дневной ионосферы и о распространении возмущений из атмосферы в ионосферу. Представленный анализ данных радиозатмений в миссии Венера-15,-16 свидетельствует, что ионизованные слои постоянно существуют не только в нижней ионосфере Земли (в области П), но и в дневной ионосфере Венеры. Более глубокое исследование природы таких возмущений будет возможно в миссии ВЕНЕРА-Д. Предлагаемый подход позволит нам изучить тонкую структуру взаимодействия атмосферы и ионосферы с использованием вариаций мощности и частоты двух когерентных сигналов. Оптимизация радиочастотных подсистем на основе обобщения опыта предыдущих миссий позволит эффективно применить современные подходы для получения принципиально новых сведений об атмосфере и ионосфере планеты, а также о состоянии и динамике плазмы в Солнечной системе. В результате могут быть получены новые знания о распространении возмущений из атмосферы в ионосферу, в том числе о распространении волновых возмущений, природа которых до настоящего времени не исследована. Благодарности
Работа выполнена в рамках государственного задания и частично поддержана Программой РАН №28.
ЛИТЕРАТУРА
1. Armand NA, Gulyaev YuV, Gavrik AL, Efimov AI, Matyugov SS, Pavel'ev AG, Savich NA, Samoznaev LN, Smirnov VM, Yakovlev OI. Results of solar wind and planetary iono-sphere research using radiophysical methods. Physics-Uspekhi, 2010, 53(5):517-523.
2. Fjeldbo G, Kliore AJ, Eshleman VR. The Neutral Atmosphere of Venus as Studied with the Mariner V Radio Occultation Experiments. The Astronomical Journal, 1971, 76(2):123-140.
3. Fjeldbo G, Seidel B, Sweetnam D, Hovard T. The Mariner 10 Radio Occultation Measurements of the Ionosphere of Venus. Journal of the Atmospheric Sciences, 1975, 32(2):1232-1236.
4. Савич НА., Гаврик АЛ., Самознаев ЛН. Анализ диффузионных процессов в дневной ионосфере Венеры по данным радиозатмений спутников "Венера-9,10". Космические исследования, 1983, 21(5):737-745.
5. Brace LH, Kliore AJ. The structure of the Venus ionosphere. Space Science Reviews, 1991, 55:81-163.
6. Гаврик АЛ, Гаврик ЮА, Копнина ТФ, Самознаев ЛН. Вариации амплитуд и частот когерентных радиосигналов при просвечивании дневной ионосферы Венеры Радиотехника и электроника, 2010, 55(3):277-284.
7. Jenkins JM, Steffes PG, Hinson DP et al. Radio occultation studies of the Venus atmosphere with the Magellan spacecraft: 2. Results from the October 1991 experiments. Icarus, 1994, 110:79-94.
8. Gérard J-C, Bougher SW, Lopez-Valverde MA, Pätzold M, Drossart P, Piccioni G. Aeronomy of the Venus Upper Atmosphere. Space Si Rev., 2017, 212(3-4):1617-1683.
9. Imamura T, Ando H, Tellmann S, Pätzold M, Häusler B, Yamazaki A, Sato TM, Noguchi K, Futaana Y, Oschlisniok J, Limaye S, Choudhary RK, Murata Y, Takeuchi H, Hirose C, Ichikawa T, Toda T, Tomiki A, Abe T, Yamamoto Z, Noda H, Iwata T, Murakami S, Satoh T, Fukuhara T, Ogohara K, Sugiyama K, Kashimura H, Ohtsuki S, Takagi S, Yamamoto Y, Hirata N, Hashimoto GL, Yamada M, Suzuki M, Ishii N, Hayashiyama T, Lee YJ, Nakamura M. Initial performance of the radio occultation experiment in the Venus orbiter mission Akatsuki. Earth, Planets and Space, 2017, 69(1):137.
10. Glaze LS, Wilson CF, Zasova LV, Nakamura M, Limaye S. Future of Venus Research and Exploration. Space Sa Rev., 2018, 214:89.
11. Гаврик АЛ, Гаврик ЮА, Копнина ТФ, Кулешов ЕА. Осцилляции вблизи нижней границы ионосферы Венеры по радиозатменным данным
РАДИОЛОКАЦИЯ
спутников "Венера-15,-16". Радиотехника и Коломиец Сергей Федорович
электроника, 2013, 58(10):1013-1024. к.ф.-м.н.
12. Гаврик АЛ, Самознаев ЛН. Анализ ошибок ФИРЭ им. В.А. К°тельник°ва рАН результатов радиопросвечивания дневной Фрязино 141190, Моск. обл., Россия ионосферы Венеры, обусловленных ее [email protected] несферичностью. Космические исследования, 1985, Илюшин Яр°слав Александрович 23(1):148-15 д.ф.-м.н, доцент
лп wrj -pi -pi 1 ■ ■ г ^ ■ ■ , МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет
13. Withers P. Prediction or uncertainties in atmospheric , ^ „и^^, ^ T J
У Москва 119234, Россия properties measured by radio occultation experiments. ., ^ , .
r r ' r [email protected]
Advances in Space Research, 2010. 46:58-73. ^ M И
14. Гаврик АЛ, Бондаренко МИ, Смыслов АА, , „
' ведущий программист
Копнина Тф. Метод диагностики слоистых фИрэ им. В.А. Котельникова РАН структур в атмосфере и ионосфере по данным Фрязино 141190, Моск. обл., Россия радиопросвечивания. Журнал радиоэлектроники [email protected]
^rnprnmiu журнал\. 2°П, 11:7; http://jre.cplire. Луканина Людмила Анатольевна ru/jre/nov17/9/text.pdf.
15. Яковлев ОИ. Распространение радиоволн в космосе. М., ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
Наука, 1985, 214 с. Фрязино 141190, Моск. обл., Россия
1аврик Анатолий Леонидович
г Копнина Татьяна Федоровна
к.ф.-м.н., с.н.с. v
лт;гп^ -плт,- тллтт ведущий электроник
ФИРЭ им. В.А. Котельникова рАН фИрэ им. В А. Котельникова РАН
фрязино 141190, Моск. обл., россия Фрязино 141190, Моск. обл., Россия
[email protected] [email protected].
RADIO OCCULTATION ON THE VENERA-D MISSION: A CONCEPT OF RADIO FREQUENCY SUBSYSTEM AND RADIO SCIENCE TECHNIQUE
Anatoly L. Gavrik, Sergey F. Kolomiets, Mikhail I. Bondarenko, Lyudmila A. Lukanina, Tatiana F. Kopnina
Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS, Fryazino branch, http://fire.relarn.ru Fryazino 141190, Moscow region, Russian Federation Yaroslav A. Ilyushin
Lomonosov Moscow State University, Physical Faculty, Atmospheric Physics Department, http://atm563.phys.msu.ru Leninskie Gory 119991, Moscow, Russian Federation
Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS, Fryazino branch, http://fire.relarn.ru Fryazino 141190, Moscow region, Russian Federation
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract. Main goals of radio-occultation experiments in VENERA-D mission are formulated. It is shown, based on the results of radio-occultation experiments obtained earlier with high potential radio-links in the Venusian gaseous envelop, that using variations of power and frequency at two coherent radio waves, one can study a fine structure of refracting medium which may bring fundamentally new information about the atmosphere-ionosphere system of Venus. Given the accuracy of data interpretation depends on different high-frequency subsystem performance characteristics, it is shown that the prime direction of the development, must be the balanced increase of the energy potential of radio links and improving the stability of the oscillators used. A novel technique of data interpretation applicable to high potential measurements in the ionosphere and atmosphere of the planet is discussed. Among all the other things the suggested technique makes it possible to see and study propagation of disturbances from the atmosphere into the ionosphere. Moreover, it is shown that the correlation between amplitude and frequency of signals which is underpinning the technique mentioned can be seen as an effective criterion of the validity of geometrical optics spherically symmetrical approximations for the inverse problem solution. Keywords: wave propagation, occultation, ionosphere and atmosphere of Venus UDC 535.37:523.42
Bibliography — 15 references Received 17.04.2019, accepted23.04.2019 RENSIT, 2019, 11(1):5-12_DOI: 10.17725/rensit.2019.11.005
