КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 3, с. 183-194
УДК 520.6.05
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРА С НУЛЕВОЙ БАЗОЙ В ПРОЕКТЕ "РАДИОАСТРОН"
© 2015 г. А. В. Бирюков
Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва
biriukov@asc.rssi.ru Поступила в редакцию 18.11.2014 г.
В ходе подготовки к запуску космического радиотелескопа для проведения наземных подготовительных и тестовых испытаний наземно-космического комплекса научной аппаратуры проекта "РадиоАстрон" были разработаны программы и методики испытаний в режиме интерферометра с нулевой базой, позволяющие измерить параметры бортового плеча наземно-космического радиоинтерферометра со сверхдлинными базами, определяющими его основной комплексный параметр — чувствительность.
DOI: 10.7868/S0023420615030036
1. ВВЕДЕНИЕ
Создание комплекса научной аппаратуры (КНА) для наземно-космического радиоинтерферометра явилось принципиально новой технической задачей, как в области радиоастрономии, так и в области космического приборостроения. Выполнение стандартных требований к аппаратуре космического назначения сильно осложнялось наличием требований одновременного функционирования научных и служебных систем КА, таких как служебные бортовые радиопередатчики (БА КИС), передатчики высокоинформативного канала передачи научных данных (ВИРК) и бортовых высокочувствительных радиоастрономических приемников в диапазоне частот 300—26000 МГц. Испытания в рамках требований по этой проблеме осуществлялись частично в процессе радиоастрономических проверок (РАП) на специальном полигоне Пущинской радиоастрономической обсерватории (ПРАО), частично в рамках выполнения программы наземной экспериментальной отработки БКНА в АКЦ ФИАН в Москве и в заключение — при заводских испытаниях космического комплекса в НПО им. С.А. Лавочкина [1].
Для проведения московских испытаний было предложено провести испытания интерферометра с нулевой базой (ИНБ-0). Суть испытаний состояла в том, что радиоинтерферометр был составлен из двух плеч: бортового — аппаратура БКНА КРТ и наземного (НРТ) — укомплектованного аппаратурой с наземных радиотелескопов. Испытательный сигнал, подаваемый на входы плеч ИНБ-0, не имел естественной временной задержки, присущей сигналу от космических радиоисточников на
входах реального (с геометрически разнесенными плечами) интерферометра, что и определило название испытаний. При испытаниях ИНБ-0 вся система находится в статическом состоянии и наземных научных данных. В этих испытаниях также тестировалась работа коррелятора и регистратора научных данных, разрабатываемых в АКЦ для обработки бортовых и наземных научных экспериментальных данных. В ходе испытаний ИНБ-0 были получены важные результаты о работе отдельных систем, определивших технологию проведения испытаний ИНБ-0 и космического радиотелескопа в целом. Существенным недостатком проведенных ИНБ было отсутствие в составе аппаратуры (по понятным техническим ограничениям) антенного сегмента радиотелескопа, хотя это отсутствие нисколько не умалило важности испытаний.
2. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
Схема проведения ИНБ-0 показана на рис. 1. Необходимо отметить, что на этой схеме отсутствует сегмент линии передачи научных данных с борта КА на наземную станцию слежения (НСС). Данный вопрос исследовался самостоятельно, в рамках достоверности передачи сигналов по радиолинии ВИРК, и анализ показал правомерность построения схемы испытаний, изображенной на рис. 1. На схеме указаны корреляционные параметры сигналов: автокорреляционные (АК), межканальные (МК) и кросскорреляционные (КК), используемые при проверке интерферометра в различных диапазонах длин волн. Испытания ИНБ-0, как наиболее простые в технологическом плане, начинались с диапазона 6 см.
Режим 4 МГц & 18 МБод /ТОН = 4828 + 3.2 МГц; Режим 16 МГц & 72 МБод /ТОН = 4828 + 12.8 МГц
Генератор шума
Генератор тона
©
Наземное плечо
МШУ
Канал 1
Канал 2
Радиометр
Канал 1
Канал 2
DAS
Канал 1
Канал 2
Наземно-космическое плечо
МШУ
Канал 1
Канал 2
Радиометр
Канал 1
Канал 2
Форматор
Канал 1
Канал 2
DEC
Результаты обработки
АК-1
АК-2
АК-3
АК-4
АК-5
АК-6
АК-7
АК-8
3
-
МК
1 & 3
МК
2 & 4
67
МК
5 & 7
МК
6 & 8
© ®
КК 1 & 5
КК 2 & 6
КК 3 & 7
КК 4 & 8
КК 3 & 5
КК 4 & 6
КК 1 & 7
КК 2 & 8
©
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
7
8
Рис. 1. Схема испытаний ИНБ-0.
В сечении II (рис. 1) присутствуют два сигнала, подаваемые в плечи ИНБ-0. Основной, шумопо-добный сигнал от генератора шума (ГШ) с регулируемым выходным уровнем, а для контроля корректности сборки схемы испытаний подавался второй, тональный сигнал, 4828 + 3.2 МГц. При правильной сборке на корреляционных спектрах верхней боковой полосы должен присутствовать сигнал 3.2 МГц.
Сигналы на выходе плеч интерферометра должны быть совместимыми для осуществления их корреляционной обработки. Поэтому в наземном плече интерферометра использовался специально разработанный в British Aerospace прибор DAS, формирующий необходимый формат научных данных S2, которые фиксировались на цифровом регистраторе РДР. В наземно-космическом плече оконечная часть имеет более сложный вид. Бортовые научные данные поступают на бортовой прибор "Форматор" в аналоговом виде, спектр сигналов ПЧ конвертируется в 4 видео полосы 16 или 4 МГц, оцифровывается и представляется как "параллельный" поток цифровых данных. Затем этот поток уплотняется в высокоскоростной "сериальный" поток цифровых данных и используется в качестве модулирующего сигнала несущей частоты 15 ГГц передатчика ВИРК, передающего научную информацию на землю. Модулированный сигнал, принятый на земле, соответственно обрабатывается в аппаратуре НСС и выдается на вход наземного прибора "Декодер",
преобразующего бортовые сигналы из "сериального" в "параллельный" цифровой поток S2 (как и поток в наземном плече) и далее поступает на цифровой регистратор РДР. В схеме ИНБ-0, как уже говорилось, нет реально существующего в схеме бортового плеча интерферометра сегмента ВИРК (" модулятор—радиоизлучение—радиолиния—приемник—демодулятор"). Эта возможность, для упрощения технологии испытаний, была специально заложена в схему БКНА на начальной стадии проектирования миссии "РадиоАстрон".
В конечном счете, бортовые и наземные сигналы, записанные на регистраторы РДР, после воспроизведения и соответствующей обработки позволяют получать автокорреляционные и крос-скорреляционные характеристики интерферометра. Эти характеристики достаточно полно отражают свойства радиоинтерферометра в целом и его плеч в частности.
На рис. 1 показаны условные сечения: III — можно получать автокорреляционные функции (АКФ) и автокорреляционные спектры (АКС) интерферометра; IV — можно получать так называемые межканальные корреляционные функции (МКФ) и межканальные корреляционные спектры (МКС) интерферометра; V — можно получать кросскорреляционные функции (ККФ) и кросскорреляционные спектры (ККС) интерферометра.
В дальнейшем анализ результатов испытаний ИНБ-0 за 2-х летний период показал стабиль-
rxy
aCCF
Рис. 2. Планшет для амплитудной калибровки интерферометра.
ность и повторяемость результатов АК, МК и КК. Поскольку в реальном эксперименте присутствуют различные наземные плечи, техническое руководство проекта сочло правильным упростить схему испытаний ИНБ-0 на заключительной стадии в НПОЛ, ограничившись использованием только МК параметров.
3. КАЛИБРОВОЧНЫЕ ТЕСТЫ
А сначала, в круг экспериментальных проблем ИНБ-0 вошел вопрос определения чувствительности радиоинтерферометра, связанной с декор-реляцией сигналов (ДКС) и максимально достижимым временем когерентного накопления (ВКН). Т.к. чувствительность интерферометра является величиной, зависящей от многих факторов, имеет смысл изобразить эти зависимости графически и отметить на графиках ограничения в виде численных значений. Таким образом, получился планшет, изображенный на рис. 2. Там, на одном графике с единой оцифровкой нанесены две зависимости:
1) значение ККФ (Яхт) в зависимости от ра-
диотехнического соотношения сигнал/шум на
входе интерферометра, где Б1п = ¿сое — эквивалент-
ная мощность шумоподобного сигнала от радио-
источника на входах приемников, ЫПп = ¿ипсо& — эк-
вивалентная мощность шумов на входах плеч интерферометра:
S = Sin1 + Sin2 N = 'N in + Ni
in AI 1 -*■ ' in
*in1_
Sin1 ' Sin2
in2
Ninl ■ Nin2
rxy -
Sir
S,
cog
Sin + Nin Scog + Ncog
, ®ccf
l
AF -т c
Штрих-пунктиром на рис. 2 изображена скалькулированная зависимость RXY = f(S/N), а параллельная ей полужирная сплошная линия ниже — зависимость RXY = 0.63f(S/N), учитывающая однобитное квантование.
2) Ниспадающая слева направо пунктирная прямая линия показывает зависимость стссДгсй) для видео полосы канала 16 МГц, а выше ее параллельная сплошная — 2.5acc(Tcis). Превышение КФ значения 2.5accf (как "свертки" двухсторонних собственных шумов 5а) указывает на присутствие когерентных сигналов в коррелируемых потоках.
Для примера, при заданных параметрах видеотрактов интерферометра и при Tcis = 0.5 с КФ (RXY1) определяется с амплитудой выше 8 • 10-4 (RXY2) (верхняя горизонтальная пунктирная линия), а при Tcis = 2.0 с — выше 4 • 10-4 (нижняя горизонтальная пунктирная линия).
Тест—3 дБ ГШ: хсй = 0.5 с: АЖФ = 8.5%
Тест—29 дБ ГШ: тс3 = 0.5 с:
8 6 4 2
0
8 6 4 2
0
2.0 1.5 1.0 0.5
0
2.0 1.5 1.0 0.5
0
8 6 4 2
0
-3 -2 -1 Тест—3 дБ ГШ: тс
I I I-г-
0123 = 0.5 с: АККФ = 8.5%
1
■ Тест—9 дБ ГШ: тс.
0.5 с: АККФ = 2.2%
I Тест—19 дБ ГШ:
И'чГГ.'^ЫЦ
тс3 = 0.5 с: АККФ = 0.24%
1
0
Тест-29 дБ ГШ
тс ¡3 = 0.5 с:
Тест-29 дБ ГШ:
1 0 1 2 3 тс3 = 2.0 с: АККФ = 0.05%
3 -2 -1 0 1 2 3 Тест NN дБ ГШ: тс3 = 2.0 с: АККФ = 0.045%
3—2—10 1 2 3 Тест "Раздельные RH": тс3 = 2.0 с:
Задержка, мкс
Рис. 3. Кросскорреляционные функции при амплитудной калибровке интерферометра.
1
2
3
2
3
С целью проведения амплитудной калибровки с использованием предложенного планшета был проведен следующий тест:
Для тестирования был выбран сигнал ГШ таким образом, чтобы значение КФ попало на конец линейного участка (перед началом нелинейного участка справа, верх
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.