КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 5, с. 430-439
УДК 520.27+520.872+520.876
ПРОЕКТ "РАДИОАСТРОН". ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА В ПОЛЕТЕ В 2011-2013 гг.
© 2014 г. Ю. А. Ковалев1, В. И. Васильков1, М. В. Попов1, В. А. Согласнов1, П. А. Войцик1, М. М. Лисаков1, А. М. Кутькин1, Н. Я. Николаев1, Н. А. Нижельский2, Г. В. Жеканис2, П. Г. Цыбулев2
1Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва 2Специальная астрофизическая обсерватория РАН, пос. Нижний Архыз
ykovalev@asc.rssi.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.
Приведены результаты большого количества антенных радиометрических измерений в диапазонах 92, 18, 6.2, 1.35 и (1.7—1.2) см по данным штатной телеметрической системы космического аппарата Спектр-Р. Использовались как специальные сеансы наблюдений калибровочных объектов в режиме работы одиночного космического радиотелескопа (КРТ), так и многочисленные наблюдения исследуемых источников в режиме наземно-космического интерферометра. Полученные результаты согласуются с первыми результатами Кардашева и др. (2013): в пределах (10—15)% в диапазонах 92, 18 и 6.2 см и (20—25)% в диапазоне 1.35 см. Измерения в 8 поддиапазонах на длинах волн от 1.7 до 1.2 см показывают, в основном, монотонное возрастание эквивалентной спектральной плотности потока шумового излучения системы (SEFD) с частотой, согласующееся с расчетными оценками в обсуждаемой модели. Чувствительность наземно-космического интерферометра в 5 поддиапазонах на длинах волн от 1.35 до 1.7 см может быть до полутора раз выше, а в 3-х поддиапазонах от 1.35 до 1.2 см — до полутора раз ниже, чем в диапазоне 1.35 см. Вклад КРТ в чувствительность интерферометра, пропорциональный корню квадратному из SEFD, близок к проектному в диапазонах 92 и 18 см и уменьшает проектную чувствительность примерно в 1.5 и 2 раза в диапазонах 6.2 и 1.35 см, соответственно. Эти отличия реализованных значений от проектных не существенно повлияли на выполнение научной программы.
DOI: 10.7868/S0023420614050082
ВВЕДЕНИЕ
Описание КА Спектр-Р, космического радиотелескопа (КРТ), научной аппаратуры и наземных испытаний даны в [1—3]. Результаты летных испытаний, методика и первые результаты антенных измерений основных параметров телескопа радиоастрономическими методами в радиометрическом режиме для диапазонов 92, 18, 6.2 и 1.35 см приведены в [4—6] — для эффективной площади, шумовой температуры, диаграммы направленности, погрешности наведения на источник и др.
В данной статье сообщается о новых результатах периодического контроля основных параметров КРТ в полете, полученных в течение 2011— 2013 гг. Антенные измерения выполнены как в специальных сеансах наблюдений калибровочных астрономических объектов, так и в процессе текущих сеансов научных наблюдений в режиме наземно-космического радиоинтерферометра.
Впервые представлены результаты антенных измерений в 8 поддиапазонах интервала частот 18—25 ГГц, предназначенных для использования в режиме многочастотного синтеза изображений
в дальнейших работах с радиоинтерферометром. Для калибровки этих измерений по потоку, кроме известных протяженных первичных калибровочных источников (Кассиопея А, Лебедь А, Краб, Дева А), использовались также несколько квазиточечных для КРТ сильных переменных внегалактических объектов (3С 84, 3С 273, 3C 279), спектральные плотности потока излучения которых в близкие даты измерялись по известным вторичным калибраторам на радиотелескопе РА-ТАН-600 Специальной астрофизической обсерватории РАН (Нижний Архыз, Россия) и 100-м телескопе Института радиоастрономии общества Макса Планка (Эффельсберг, Германия).
1. ИЗМЕРЕНИЯ
Измерения антенных параметров основаны на относительных измерениях эквивалентной спектральной плотности потока шумового излучения системы Fsys [Ян] (SEFD) — относительно астрономических калибраторов. Эквивалентная шумовая температура системы (радиотелескопа) Tsys
измерялась относительно считающейся известной антенной температуры бортовых генераторов шумового сигнала (в градусах К), входящих в состав каждого научного приемника.
Бортовой научный комплекс включает в себя 4 радиоастрономических супергетеродинных приемника — на диапазоны 92, 18, 6.2 и 1.35 см. Приемник диапазона 1.35 см обеспечивает также прием сигнала в 8 переключаемых поддиапазонах от 1.7 до 1.2 см с помощью выбора одного из поддиапазонов соответствующими командами. Блоки входных малошумящих усилителей (МШУ) приемников всех диапазонов, кроме 92 см, вынесены в открытый космос и размещены на "холодной плите", охлаждаемой до температуры 130 К радиационным способом. Каждый приемник состоит из 2-х идентичных каналов, на входы которых от антенны через блок антенных облучателей (БАО) с разделителями поляризаций поступает излучение в левой и правой круговых поляризациях. Каждый канал имеет два параллельных выхода: 1) радиометрический выход — с продетектирован-ным сигналом, который поступает на телеметрическую систему космического аппарата и используется в антенных измерениях, 2) интерферометриче-ский выход — с сигналом на промежуточной частоте, который после дальнейших преобразований используется в работе наземно-космического интерферометра.
Специальные сеансы наблюдений калибровочных объектов обычно проводились в режиме работы одиночного телескопа. Тогда телеметрическая информация после буферной записи и хранения в бортовом запоминающеем устройстве передавалась на Землю в течение суток через малонаправленную антенну по служебному телеметрическому радиоканалу космического аппарата. При интерферометрических наблюдениях исследуемых источников данные телеметрической системы последовательно размещаются в заголовках каждого кадра потока данных для интерферометра и передаются на Землю в реальном времени через остронаправленную антенну диаметром 1.5 м по научному высокоинформативному радиоканалу. Это дает возможность выделять телеметрируемый радиометрический сигнал из интерферометрического потока данных с КРТ. Таким путем в данной работе получены результаты антенных измерений по источникам, исследуемым с интерферометром в научных программах.
2. ОБСУЖДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Диапазоны 92, 18, 6.2 и 1.35 см. Анализ измерений показывает, что практически все основные антенные параметры изменяются от измерения к измерению. Основную причину этих изменений мы связывем с изменениями температурных условий антенно-фидерного тракта и приемника. Фи-
зические температуры элементов антенно-фи-дерного тракта и МШУ на холодной плите могут меняться из-за изменений угла между направлениями на Солнце и объект измерения от сеанса к сеансу. Чем ближе этот угол к проектной границе (~110°) допустимой работы КРТ, тем больших отклонений физической и шумовой температуры от их средних значений можно ожидать. При этом должен меняться и вклад в эквивалентную шумовую температуру системы от потерь в антенных облучателях с разделителями поляризаций, поэтому можно ожидать также заметных вариаций эквивалентной шумовой температуры Тш калибровочного сигнала. Этот сигнал от внутреннего шумового генератора поступает в тракт приемника на входе МШУ и приводится ко входу телескопа, "пересчитываясь" через все элементы антен-но-фидерного тракта.
Поэтому ниже для упрощения анализа предполагалось выполненным условие постоянства средних значений Тш и эффективной площади Ле(Г. Тогда все их реальные вариации автоматически относятся на счет изменений Ту. Заметим, что такая процедура не влияет на корректность "астрономической калибровки" измерений с помощью параметра (SEFD), зависящего от отношения Т5у^Ле{{. Обоснованием допустимости этого условия в данном случае могут служить приведенные ниже результаты для среднеквадратичных отклонений Ту и по калибровочным и исследуемым источникам, которые не превышают примерно 13%.
В пределах погрешности измерений полученные результаты для средних значений системной температуры Ту и плотности потока (SEFD) в диапазонах 92, 18, 6.2 и 1.35 см (см. рис. 1, 2 и табл. 1, 2), с учетом различного вклада фона неба, согласуются как для калибровочных и исследуемых источников, так и с первыми результатами, приведенными в работе [5]: в пределах (20—25)% для диапазона 1.35 см и (10—15)% для остальных диапазонов. Около половины от этих значений может быть связана с медленной систематической эволюцией параметров, включая их калибровку.
Заметный вклад в наблюдаемый разброс значений Ту относительно среднего может давать изменение рассогласования МШУ с трактом "БАО-вход МШУ" и связанное с этим изменение коэффициента шума МШУ, которые зависят от физических температур БАО и МШУ (развязки на входе МШУ, как обычно, отсутствуют для понижения шумовой температуры приемника).
2.2. Диапазон (18—25) ГГц. Диапазон предназначен для использования в режиме многочастотного синтеза интерферометра и состоит из 8 следующих поддиапазонов (с указанными централь-
а 4.0
.7
8. 0 3.5
!_!
Е-ч 3.0
Я 2.5
и 0 2.0
^
Ьц 1.5
1.0
<Fsys> (kl) =
<Fy> (k2) =
(а)
: 21200 Ян +/-= 19400 Ян +/-
■2%
■5%
<Tsys> (kl) = 230 K+/-2% <Tsys> (k2) = 210 K+/-5%
K
.9 4.
4.5
4.0
Е-Ч
^35 1 .
^ 3.0
(б)
<Fsys> (kl) = 3180 Ян +/-2% <Fsys> (k2) = 3260 Ян +/-2% <Tsys> (k1) = 47.2 K+/-2% <Tsys> (k2) = 48.4 K+/-2%
CasA/k1 CasA/k2
■ Crab/k1 Crab/k2
■ CygA/k1 CygA/k2
. VirA/k1 VirA/k2
2011.5 2012 2012.5 2013 2013.5 2014
2.5 2011.5
2012 2012.5 2013 2013.5 2014
Рис. 1. Параметры КРТ, измеренные по калибраторам в диапазоне 92 см (а) и 18 см (б) в 2011—2013 гг. Канал 1 (к1) соответствует приему левой круговой поляризации, канал 2 (к2) — правой.
250
200
РЙ 150
100
50
18 см ■ 1.35 см 92 см □ 6.2 см
1.XI
11
1.III
12
1.VII
12
1.XI
12
1.III
13
250
а
£
t/5
200
150
100
50
1.VII
13
1.XI 11
1.III
12
1.VII
12
1.XI
12
1.III
13
1.VII
13
Рис. 2. Параметры КРТ, измеренные по исследуемым источникам в 2011—2013 гг.: a — канал 1 — правая круговая поляризация для диапазона 1.35 см, левая — для остальных диапазонов; б — канал 2 — левая круговая поляризация для диапазона 1.35 см, правая — для остальных диапазонов.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.