ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2013, том 32, № 11, с. 5-7
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 621.391.81(075.8)
СИСТЕМА КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
© 2013 г. Ю. П. Вагин, Е. С. Колодочкин, А. Н. Кархов, Н. Л. Сталь
Открытое акционерное общество "Научно-производственная корпорация "Системы прецизионного приборостроения", Москва E-mail: otdelenie03@yandex.ru Поступила в редакцию 15.01.2013
Рассмотрен состав системы космического мониторинга импульсных источников большой мощности, на основе которого будут регистрироваться грозовые фронты и молниевые активности, прогнозироваться мощные магнитные бури, а также анализироваться характеры разломов зон земной коры. Кроме того, показано, что с помощью бортовой аппаратуры можно регистрировать солнечную и галактическую активности ионизирующего излучения, определять полное электронное содержание в ионосфере и т.д. В заключение приведены примеры социально-экономических задач, решаемых системой мониторинга импульсных источников, и обсуждены перспективы ее дальнейшего развития.
Ключевые слова: система космического мониторинга, ионизирующее и оптическое излучение, радиоизлучение, молниевые разряды, гамма-всплески.
DOI: 10.7868/S0207401X13110113
1. ВВЕДЕНИЕ
Открытое акционерное общество "НПК "СПП" является ведущим в России разработчиком и создателем глобальных систем космического мониторинга источников большой мощности, таких как космические лучи, гамма-всплески, галактическое и корпускулярное излучения Солнца, молниевые разряды, вулканическая активность, техногенные катастрофы [1]. Кроме того, система космического мониторинга предназначена для контроля за соблюдением соглашений о запрещении испытаний ядерного оружия [2]. Такая система создана в России впервые и включает в себя космический сегмент, состоящий из бортовой аппаратуры, размещенной на космических спутниках "Глонасс-М", и наземный сегмент приема и обработки информации. Аналогично построена американская космическая система обнаружения ядерных взрывов NDS (Nuclear Detection System), бортовая аппаратура которой размещена на космических спутниках навигационной системы GPS [3]. Регистрирующая аппаратура мониторинга излучений от импульсного источника также используется для решения социально-экономических задач и проведения научных исследований. В настоящей работе дано подробное описание структуры системы космического мониторинга, обсуждены результаты регистрации молниевых разрядов, солнечных и космических гамма-всплесков, а
также возможности дальнейшего расширения спектра регистрируемых излучений, включая перспективы развития системы в целом.
2. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
Система регистрации состоит из наземного и космического сегментов. Узлы регистрации космического сегмента базируются на космических аппаратах системы ГЛОНАСС. Наземный сегмент включает в себя собственную приемную антенну, ЭВМ для обработки принятой информации и дисплей для отображения последней.
Поскольку космические аппараты системы ГЛОНАСС имеют единую систему времени и их координаты известны с высокой точностью, то координаты импульсного источника определятся по разностно-дальномерному методу [1]. Для решения этой задачи на каждом навигационном спутнике измеряется время прихода излучения источника в единой временной шкале. Зная координаты навигационных спутников и времена прихода излучений на каждый спутник, можно рассчитать координату импульсного источника. На борту космического спутника регистрируются время прихода излучения и аналог мощности источника, которые по радиоканалу передаются в наземный сегмент, где рассчитываются коорди-
6
ВАГИН и др.
наты источника и уточняются мощность и тип последнего.
Бортовая аппаратура имеет собственный вычислительный узел, принимающий сигналы единого времени от навигационного спутника, и линию связи с бортовой вычислительной машиной для приема команд управления, передачи телеметрии и информации о зарегистрированных сигналах. Вычислительный узел снабжает бортовым питанием аппаратуру регистрации излучений, а также осуществляет прием зарегистрированных излучений и предварительную обработку информации.
Оптическая аппаратура регистрации измеряет время прихода оптического излучения, амплитуду и длительность. Поскольку амплитуда минимального оптического излучения от импульсного сигнала ниже уровня фоновой засветки от Земли на пять порядков, применены специальные схемотехнические решения, снижающие уровень шумов на выходе аппаратуры. Технические характеристики оптической аппаратуры регистрации приведены ниже:
Спектральный диапазон Видимый + ближний ИК Чувствительность Не хуже 3 • 103 фотон/с • см2
При фоновой засветке Не хуже 4 • 103 фотон/с • см2
3 • 10 фотон/с • см2 Динамический диапазон
80 дБ
Для повышения точности определения физического времени прихода оптического излучения, регистрируемого на фоне аддитивного шума, создан специальный математический алгоритм [4]. С помощью созданного алгоритма можно восстановить временную зависимость оптического излучения импульсного источника, пришедшего на борт космического спутника.
Аппаратура приема ионизирующего излучения состоит из трех пространственно разнесенных узлов регистрации. Обнаружение полезного излучения осуществляется по схеме совпадения, что повышает помехозащищенность от попадания в сцинтиллятор единичных гамма-квантов или тяжелых частиц с высокой энергией. При схеме совпадения только двух узлов регистрации реализуется гамма-телескоп с угловым разрешением в десятые доли радиана. Главная ось диаграммы направленности гамма-телескопа определяется ориентацией спутника "ГЛОНАСС-М" в космическом пространстве. Технические характеристики рассматриваемой аппаратуры приведены ниже:
Диапазон энергий Чувствительность Динамический диапазон Временное разрешение
0.5-300 МэВ Не хуже 0.2 квант/см2 80 дБ 0.25 мкс
Все регистрирующие узлы проходят метрологическую аттестацию перед установкой на космический спутник. Проверка работоспособности бортовой аппаратуры осуществляется и в процессе функционирования в космическом пространстве с помощью специально проводимых тестовых сеансов. Это позволяет контролировать деградацию чувствительности аппаратуры в режиме реального времени и подтверждать ее полную работоспособность.
Наземный сегмент состоит из антенно-фидер-ного устройства и ЭВМ. Наземный сегмент позволяет осуществить прием информации от 12 навигационных спутников системы ГЛОНАСС. Достоинством радиоприемного тракта наземного сегмента является его высокая помехозащищенность от импульсных и узкополосных помех. Это сохраняет работоспособность наземного сегмента в условиях местной грозы и близко расположенных передающих радиоустройств. Ниже приведены указанные технические характеристики радиоприемного тракта:
Чувствительность -160 дБ
Допустимый уровень импульсных помех ±1 дБ Число каналов приема 12
Для проверки точности определения времени оптической аппаратурой системы мониторинга борт космического спутника подвергается специальному лазерному импульсному зондированию.
3. СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ
Начиная с 2004 г., с помощью системы космического мониторинга проводились исследования территориальных распределений грозовой активности, в результате которых были получены данные глобального распределения мощных молниевых разрядов и распределения суточного хода грозовой активности, которые совпали с результатами прямых наземных измерений [1]. При этом было установлено, что центры грозовой активности сосредоточены в районе мощных тектонических разломов. Это указывает на повышенную напряженность электрического поля Земли вблизи разлома и наличие выбросов метана, радиоактивного радона и т.д.
Система космического мониторинга может быть направлена также на изучение динамики солнечной активности и ее влияния на ионосферу Земли. Результаты регистрации корпускулярного излучения Солнца, проведенные с 14 по 15 мая 2005 г. космическим сегментом мониторинга в диапазоне энергий 100—150 МэВ и американским космическим аппаратом "ООЕ8-11" в диапазоне более 100 МэВ, полностью совпали с погрешностью менее 10%.
СИСТЕМА КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ
7
Результаты регистрации солнечных космических лучей на космических спутниках "Глонасс-М", полученные 7 июня 2011 г. в диапазоне энергий 50— 150 МэВ, показали, что размер зоны возмущения превысил 20000 км от поверхности Земли и она охватила практически всю магнитосферу.
С помощью гамма-телескопа системы мониторинга был обнаружен синхротронный пульсирующий источник жесткого гамма-излучения в радиогалактике NGC 5128, зарегистрированного наземными телескопами по корреляции высокочастотного шумового радиоизлучения [5].
4. ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
На новом поколении навигационных спутников ГЛОНАСС планируется установить расширенный состав бортовой аппаратуры, включая высокочувствительную оптическую матрицу и приемник электромагнитного излучения в УКВ-диапазоне частот. С помощью оптической матрицы можно регистрировать координаты грозовых фронтов и оптические вспышки метеоритов в процессе их разрушения. Приемник электромагнитного излучения представляет собой многоканальный спектрометр с автоматической коррекцией ионосферных дисперсионных искажений. Технические характеристики радиоприемного тракта приведены ниже:
Спектральная чувствительность —120
дБ/МГц
Динамический диапазон 40 дБ
С учетом мгновенной регулировки усиления 70 дБ
В работах [6—8] описаны модели электромагнитного излучения сильного взрыва в УКВ-диапазо-не частот.
На следующем этапе исследований целесообразно разработать малогабаритную бортовую аппаратуру, которая будет устанавливаться на низкоорбитальных космических спутниках. В ее состав войдут работающие в видимом и инфракрасном диапазонах высокоскоростные оптические матрицы, предназначенные для регистрации координат одиночных молниевых разрядов, дистанционного теплового визирования разломных зон земной поверхности и мест проведения подземных ядерных испытаний.
Начиная с 2013 г., данные космическог
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.