КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 1, с. 17-27
УДК 523.98
ЧАСТОТНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ КОГЕРЕНТНЫХ СИГНАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, НАБЛЮДАВШИЕСЯ ПРИ ДВУХЧАСТОТНОМ РАДИОЗОНДИРОВАНИИ ОКОЛОСОЛНЕЧНОЙ
ПЛАЗМЫ В 2004-2008 г.
© 2013 г. А. И. Ефимов1, Л. А. Луканина1, В. К. Рудаш1, Л. Н. Самознаев1, И. В. Чашей2, М. К. Берд3, 4, М. Петцольд4
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Москва
efimov@ms.ire.rssi.ru 2Пущинская радиоастрономическая обсерватория АКЦ ФИАН chashey@mail.prao.ru 3Институт Астрономии им. Аргеландера Боннского университета mbird@astro.uni-bonn.de 4 Институт исследования окружающей среды Кельнского университета martin.paetzold@uni-koeln.de Поступила в редакцию 29.03.2012 г.
Выполнена спектральная обработка данных экспериментов по радиозондированию околосолнечной плазмы когерентными сигналами S- и X-диапазонов КА Ulysses, Mars Express, Rosetta, Venus Express, проведенных в период с 1991 г. по 2009 г. Эксперименты были осуществлены в режиме когерентного ответа, когда стабилизированный водородным стандартом сигнал направляется с наземного пункта в сторону космического аппарата, принимается его бортовыми системами и ретранслируется на Землю с сохранением его когерентности. Таким образом, зондирующий плазму сигнал дважды проходит через среду: по пути наземный пункт—космический аппарат и по той же трассе в обратном направлении. Получены спектры флуктуаций частоты в обоих диапазонах и по ним найдены радиальные зависимости интенсивности флуктуаций, которые могут быть аппроксимированы степенным законом. Показано, что отношение интенсивностей флуктуаций частоты в S-и X-диапазонах сравнимо с теоретическим значением и характеризует степень корреляции неодно-родностей электронной концентрации на пути наземный пункт—космический аппарат и обратно. Анализ корреляции флуктуаций частоты на двух трассах позволяет дать нижнюю оценку внешнего масштаба турбулентности околосолнечной плазмы. Для гелиоцентрических расстояний R = 10 солнечных радиусов (RS) внешний масштаб больше 0.25RS.
Б01: 10.7868/80023420613010032
ВВЕДЕНИЕ
В экспериментах по радиозондированию плазмы солнечного ветра сигналами КА используются различные конфигурации приемо-передаю-щей системы. В самом простом случае на борту КА формируется монохроматический сигнал, который излучается в сторону Земли. Все характеристики сигнала, регистрируемого наземными станциями слежения за КА, подвергаются воздействию быстродвижущейся неоднородной околосолнечной плазмы. В такой схеме реализуется однократное радиозондирование околосолнечной плазмы. Подобные эксперименты с использованием сигналов дециметрового диапазона (длины волн X = 32 см и 13.1 см) неоднократно осуществлялись при помощи отечественных (Марс-2, Марс-7, Венера-10, Венера-15,-16 [1—5])
и американских (Mariner-4, Pioneer-6, Helios-1,-2, Pioneer-10,-11, Galileo [6—10]) космических аппаратов. Результатом анализа большого объема экспериментальных данных явилось получение информации об основных характеристиках плазмы солнечного ветра [11—12].
При функционировании системы космической связи в режиме когерентного ответа, когда излучаемый с борта сигнал формируется высокостабильным наземным передатчиком, реализуется схема двукратного одночастотного радиозондирования, когда характеристики принимаемого на наземном пункте сигнала обусловлены суммарным влиянием плазмы на двух трассах: наземный пункт—космический аппарат (Трасса 1) и космический аппарат—наземный пункт (Трасса 2). Двукратное одночастотное радиозондирование
было проведено с помощью КА Венера-15,-16 [13], Voyager [14], Mariner-7 [15], Pioneer-6 [9]. Данные, полученные в этих экспериментах, предоставляют возможность определить независимым способом скорость солнечного ветра по автокорреляционной функции флуктуаций фазы и частоты принимаемого сигнала [13].
В экспериментах радиозондирования с использованием бортовых задающих генераторов для уменьшения погрешностей определения некоторых характеристик солнечного ветра, увеличения объема получаемой из радиоданных информации использовалась схема, в которой бортовое передающее устройство формирует и излучает в направлении Земли два или даже три когерентных радиосигнала. На наземном пункте измеряется приведенная разность фаз этих сигналов, которая определяется временными изменениями интегральной электронной концентрации на Трассе 2 и не зависит от параметров движения КА и нестабильности задающего генератора. В такой схеме реализуется двухчастотное (трехчастот-ное) однократное радиозондирование околосолнечной плазмы. Впервые оно было осуществлено в 1976г. во время функционирования станции Ве-нера-10, когда бортовое передающее устройство излучало когерентные сигналы дециметрового (к = 32 см) и сантиметрового (к = 8 см) диапазонов [16]. В следующем эксперименте со станцией Венера-15,-16 (1984 г.) радиозондирование проводилось тремя когерентными сигналами (к = 32, 8 и 5 см) [17]. Режим двухчастотного однократного радиозондирования сигналами S-диапазона (к = = 13.1 см) и Х-диапазона (к = 3.6 см) был задействован и в эксперименте с КА Viking (1976—78 гг.) для исследования околосолнечной плазмы на малых расстояниях от фотосферы (меньших 30 радиусов Солнца) [18].
Еще более информативным является эксперимент, в котором реализуется двухчастотное двукратное радиозондирование околосолнечной плазмы, когда частоты двух когерентных сигналов определяются высокостабильным запросным сигналом, формирующимся системами наземного пункта. На наземном пункте проводятся также измерения вариаций частот обоих сигналов, которые обусловлены суммарным влиянием плазмы на Трассах 1 и 2. При этом, как показано в [19], становится возможным разделить эффекты, вносимые флуктуациями электронной концентрации на двух трассах, а кросс-корреляционный анализ этих флуктуаций позволяет найти скорость солнечного ветра [19]. Двухчастотное двукратное радиозондирование околосолнечной плазмы было реализовано в экспериментах с КА Mariner-10 [20], Viking [18], Voyager [14], Ulysses [21]. В этих экспериментах с наземного пункта в сторону КА излучался сигнал S-диапазона (f = = 2.1 ГГц). Для КА нового поколения (Mars Ex-
press, Venus Express, Rosetta) в качестве запросного сигнала использовался сантиметровый сигнал Х-диапазона (f = 7.1 ГГц).
Целью работы является анализ данных, полученных при двукратном распространении через околосолнечную плазму радиоволн S- и Х-диапа-зонов, излучавшихся КА Ulysses, Mars Express, Venus Express, Rosetta.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
При проведении экспериментов в направлении космических аппаратов наземным комплексом излучался запросный сигнал частоты f0. На КА осуществлялся прием этих сигналов и путем умножения частоты на коэффициенты y, и ух формировались и излучались в сторону Земли два когерентных сигнала S- и Х-диапазонов с частотами fs = Ysfo ~ 2.3 ГГц, fx = Yxf ~ 8.4 ГГц. Отношение несущих частот сигналов, излучаемых бортовыми системами американских космических аппаратов в S- и Х-диапазонах, остается неизменным с 1976 г. [18] и равно q = f/f = 3/11. На наземных пунктах Goldstone (США), Madrid (Испания), Canberra, New Norcia (Австралия) осуществлялся прием этих сигналов, измерялись 1 раз в секунду значения мгновенной частоты и приведенная разность частот, равная ttf=f — qfx.
Анализируемые в этой работе измерения были выполнены в период захода КА за диск Солнца и при выходе из-за него в интервале прицельных расстояний радиолуча R (наименьшего расстояния лучевой линии от центра Солнца) от 3 до 44RS. Проведенные эксперименты охватывали значительный временной интервал (1991—2009 г.) и относились к различным фазам цикла солнечной активности. Поскольку частота f0 запросного сигнала в экспериментах с КА Uly e отличалась от частоты, используемой в экспериментах с КА нового поколения, соответственно различны и коэффициенты f, fx равные ys = 240/221, Yx = = 880/221 для КА Ulysses и y, = 240/749, Yx = = 880/749 для КА Mars Express, Venus Express, Rosetta.
Измеренные на наземных пунктах флуктуации частоты сигналов S- и Х-диапазонов tf, tfx, обусловленные суммарным влиянием плазмы на Трассах 1 и 2, могут быть представлены в виде:
tfs = K(Y/1//0 + If, (1)
tfx = K(YxIJf0 + If (2)
где K= 4.03 • 107/c, c — скорость света (см/сек), I1, I2 — скорости изменения интегральной электронной концентрации (см-2/сек) на Трассах 1 и 2 соответственно, частоты f0, f, fx выражены в Гц. Приведенная разность частот tf, как это следует из
10
0
я
Г
£
о
H о св F S
s я
ce
Ê
M ^
4
e
0 10
14.00
14.30
15.00
15.30
16.00
16.30
17.00 UT
Рис. 1. Частотные флуктуации сигнала S-диапазона (верхняя панель) сигнала X-диапазона (средняя панель) и приведенной разности частот (нижняя панель) зарегистрированные в эксперименте радиозондирования с КА Ulysses 17.VIII. 1991г.
(1) и (2), определяется только вариациями интегральной электронной концентрации на Трассе 2:
Af = ы2(1 - q2)/f (3)
Из выражений (1) и (2) следует, что в экспериментах с КА Ulysses, когда ys ~ 1,f ~ fs, ух > 1, изменения частоты Af сигнала S-диапазона обусловлены плазмой на обеих Трассах 1 и 2. Сдвиг частоты Afx сигнала X-диапазона определялся, главным образом, влиянием плазмы на Трассе 1. Если значения /j, I2 приблизительно равны, то сдвиг Af больше Af примерно в два раза. В экспериментах с КА Mars Express, Venus Express, Rosetta, когда ух ~ 1, f ~ fx, Ys < 1, изменение частоты Af обусловлено в основном вариациями интегральной электронной концентрации на Трассе 2, а сдвиг Af — влиянием плазмы на Трассе 1. Более сильные флуктуации следует ожидать в S-диапазоне (примерно в 1.85 раза больше, чем в Х-диапазоне).
На рис. 1 в качестве иллюстрации первичных данных показаны частотные флуктуации сигналов КА Ulysses, измеренные в эксперименте радиозондирования 17.УШ.1991г., когда гелиоцентрическое расстояние составило R = 9.8RS. Как и следовало ожидать, флуктуации сигнала X-диапа-зона (средняя панель) заметно сильнее, чем флуктуации сигнала S-диапазона (верхняя панель) и приведенной разности частот (нижняя панель). На рис. 2 приводятся аналогичные данные,
пол
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.