КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 3, с. 207-213
УДК 621.345.3+520.274+ 681.2.083+621.396.91
ИССЛЕДОВАНИЕ БОРТОВОЙ КВАНТОВОЙ ШКАЛЫ ВРЕМЕНИ В УСЛОВИЯХ ОРБИТАЛЬНОГО ПОЛЕТА КОСМИЧЕСКОГО РАДИОТЕЛЕСКОПА ПРОЕКТА "РАДИОАСТРОН"
© 2015 г. А. Н. Зиновьев
Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва
anzin@asc.rssi.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.
Представлены результаты наблюдений за работой оборудования наземно-космического комплекса проекта "РадиоАстрон" в условиях космического полета радио-обсерватории. Рассмотрена технология оценки качества информации, принимаемой с борта космического радиотелескопа (КРТ). Определена зависимость показаний бортового счетчика кадров от величины радиальной скорости и дальности КРТ. Опробована технология конструирования модели наземно-космических атомных часов и бортовой квантовой шкалы времени с использованием результатов радиоастрономических наблюдений. Рассмотрен метод измерения когерентной кумулятивной навигационной задержки при помощи бортовой квантовой шкалы времени. Представлены результаты наблюдений эффекта релятивистского и кинематического замедления времени на борту КРТ.
Б01: 10.7868/80023420615030103
ВВЕДЕНИЕ
Работа космического радиотелескопа проекта "РадиоАстрон" состоит в обеспечении функционирования орбитального плеча радиоинтерферометра со сверхдлинной базой (РСДБ). Одной из целей РСДБ является изучение строения небесных источников с малыми угловыми размерами, излучающих в радиодиапазоне. В настоящее время достигнутые значения базы, для которых получен отклик интерферометра, превышают 16 диаметров Земли (т.е. более 200000 км) [1, 2].
Возможности улучшения разрешающей способности интерферометра состоят, с одной стороны, в использовании приемников более высоких частот, а с другой стороны, в разнесении антенн на большие расстояния (базы). Для работы радиотелескопов интерферометра в сантиметровом диапазоне (в частности при X = 1.35 см) необходима высокая стабильность частот опорных генераторов, которая обеспечивает длительное время когерентного накопления информации о принятом сигнале. Длительное время когерентного накопления, в свою очередь, позволяет увеличить чувствительность интерферометра РСДБ [3].
Таким образом, необходимость использования водородных стандартов частоты (ВСЧ) обусловлена высокими требованиями к стабильности выходного сигнала во время наблюдений для обеспечения длительного интервала времени когерентного накопления. Отмеченные условия необходимо соблюдать как на Земле, так и в кос-
мосе. По указанным причинам космический радиотелескоп проекта "РадиоАстрон" оснащен высокостабильным источником опорного сигнала — бортовым водородным стандартом частоты (БВСЧ). Экстремальные эксплуатационные условия космического полета подтвердили серьезность технических требований к конструкции БВСЧ.
В цепи радиосигналов, принимаемых радиотелескопами, имеется ряд синхронизируемых устройств, которые необходимо обеспечить выходным сигналом ВСЧ: формирователи сетки гетеродинных и тактовых частот радиоприемного тракта радиотелескопа; формирователь сигналов местной (локальной) шкалы времени; формирователи сигналов для средств регистрации данных радиоастрономических наблюдений и для средств радиотехнических измерений.
Для работы современных наземных радиотелескопов, участвующих в глобальных (как наземных, так и космических) наблюдениях космических радиоисточников, кроме ВСЧ необходимы также и шкалы времени, конструируемые на основе сигналов упомянутых стандартов. Шкалы времени используются в качестве инструментов взаимной синхронизации работы радиотелескопов. Эти шкалы времени удобно использовать для измерений задержек в цепях калиброванного приемного оборудования, регистрирующего сигналы радиоастрономических источников. В КРТ проекта "РадиоАстрон" прецизионное приемное
КРТ
Земля
—^^^
Nk Nki+1
( i + 1)-я запись НСС w
Ту i-я запись НСС Т2 (i + 1)-я запись НСС
Рис. 1. Функциональная связь между радиальной скоростью КРТ и изменением показаний счетчика кадров бортового прибора Форматор.
оборудование расположено на борту спутника, а регистрацию и запись сигналов радиоастрономических источников выполняет наземная станция слежения в г. Пущино (НСС ПРАО).
Координация работ КРТ осуществляется через служебную телеметрическую систему (ТМС), которая в своем составе имеет техническое средство формирование бортовой шкалы времени (БШВ). Опорным сигналом БШВ служат сигналы термостатированного кварцевого генератора, не имеющего связи с БВСЧ. На борту КРТ отсутствуют бортовые атомные часы (БАЧ), работающие от сигналов БВСЧ. Сигналами БВСЧ обеспечивается только первичное пересчетное устройство — Форматор, которое не синхронизируется ни с Земли, ни от БШВ, ни по времени, ни по частоте (в большинстве экспериментов). Отсутствует возможность выполнения процедуры сверки частот. Сложность создания БАЧ на борту КРТ объясняется двумя причинами: до начала полета КРТ не был до конца понятен характер хода времени на борту спутника; были сомнения в возможности выполнения измерений дальности с использованием БВСЧ; не было ясности с технологией сверки и синхронизации БАЧ.
Цель настоящей статьи состоит в представлении результатов исследований этих двух проблем и в освещении решенных задач.
ЗАДАЧИ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИИ
Начало работы КРТ "РадиоАстрон" на этапе летных испытаний в сентябре 2011 года показало неудовлетворительное качество работы НСС ПРАО в части регистрационно-декодирующего оборудования.
Проблема состояла в отсутствии устойчивой синхронизации начала записей регистраторов радиоастрономических сигналов с темпом передаваемого с борта КРТ потока телеметрической информации. Обнаруженные во время реального полета КРТ недостатки упомянутого оборудо-
вания наземной станции слежения не были и не могли быть выявлены при наземных испытаниях в условиях неподвижного КРТ.
Таким образом, в начале космических исследований, возникла первая задача, которая заключалась в создании надежного способа оценки качества записей сигналов радиоастрономических наблюдений (далее РСДБ наблюдений).
В качестве меры оценки качества удалось использовать свойство штатного оборудования КРТ. Это свойство заключается в закономерности изменений показаний счетчика номеров кадров бортового прибора Форматор во время РСДБ наблюдений . Скорость изменения показаний счетчика номеров кадров в регистрируемых НСС записях происходит пропорционально изменению радиальной скорости КРТ. Операцию оценки качества записей удобно выполнять с использованием специализированных устройств [4]. После изготовления специального инструментального монитора было найдено эмпирическое соотношение между периодом изменений показаний счетчика номеров кадров бортового прибора Форматор и средним значением радиальной скорости КРТ на известном интервале времени. Найденная формула представлена ниже. Суть формулы поясняет рис. 1.
+ (Nk + 1 - Nkt):
( г2 - T ) ( ± V),
kSCTfrC
(1)
где T1, T2 — моменты времени начала приема станцией слежения (Nk^-ro и (Nk+^-го кадров научных данных соответственно, с; ±Vr — среднее значение радиальной скорости КРТ между моментами времени T1 и T2, км/c; Tfr — текущая номинальная длительность кадра Форматора, с; с — скорость света в вакууме, км/с; kSC — корректирующий коэффициент (примерно равный 1) . В настоящей статье принято:
kSC = 1 С^ВСЧ ^БВСЧ)/^ВСЧ'
где Fg^ — действительное значение частоты опорного сигнала на выходе водородного стандарта частоты наземной станции слежения. F^ct — действительное значение частоты опорного сигнала на выходе бортового водородного стандарта частоты КРТ "РадиоАстрон".
Формулу (1) можно интерпретировать на примере. Например, при удалении КРТ от Земли с радиальной скоростью 1250 м в секунду периодическая последовательность показаний счетчика нумерации кадров Форматора, которая регистрируется НСС, сдвигается на 1 в сторону уменьшения через каждый интервал времени в 600 с по шкале времени НСС ПРАО. В случае приближения к Земле, после прохождения апогея, изменения происходят в обратной последовательности. Найденное соотношение позволяет контролировать качество работы регистрационно-декодиру-ющего оборудования, измерять радиальную скорость КРТ, используя записи РСДБ наблюдений (при этом результат измерений синхронен и обладает свойством когерентности с наблюдаемыми радиоастрономическими сигналами), выполнять фазовые измерения между сигналами бортового и наземного стандартов частоты, синтезировать бортовую квантовую шкалу времени (БКШВ) на основе сигналов БВСЧ.
На основе найденного соотношения (1) удалось создать процедуру экспресс-сканирования записей научных данных. Процедура состоит из 4-х этапов:
а) быстрый просмотр содержимого каждой 10-минутной записи сигналов РСДБ наблюдений;
б) фиксацию всех показаний счетчика номеров кадров бортового прибора Форматор;
в) вычисление текущего значения радиальной скорости КРТ;
г) вычисление текущего значения доплеров-ского сдвига частоты принимаемого сигнала когерентного с результатами РСДБ наблюдений.
Для обеспечения оперативности и удобства оценки динамики наблюдений по итогам операции экспресс сканирования формируется итоговая диагностическая таблица (ИДТ). Расчетные формулы и пример расчета ИДТ детально рассмотрены в [10].
В результате проделанной работы по усовершенствованию регистрационно-декодирующего оборудования НСС ПРАО к 9.XI.2012 г. удалось существенно (примерно в 10 раз) уменьшить число аппаратных сбоев. С этого момента величина потерь не превышает 1.5%, что вполне приемлемо для работы с записями сигналов, принимаемых с борта КРТ. В результате дальнейших исследований была обнаружена связь между показаниями счетчика кадров Форматора и дальностью КРТ относительно НСС ПРАО. Рис. 2 иллюстрирует
х
30
25
Т
Еч 20 К
О 15 С
® 10
s я я
се н о S
Д
5
0 50 100 150 200 250 300 350 400 Значения счетчика кадров Форматора
Рис. 2. Взаимосвязь между величиной дистанции НСС—КРТ и показаниями счетчика кадров бортового прибора Форматор.
линейность показаний счетчика номеров кадров на
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.