КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 6, с. 515-521
УДК 521
КОНЦЕПЦИЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРА КОСМОС-КОСМОС ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЙ В СУБ-ММ И ММ ДИАПАЗОНАХ
© 2007 г. В. В. Андреянов
Астрокосмический центр физического института им. ПН. Лебедева РАН, г. Москва
Поступила в редакцию 22.12.2005 г.
В настоящее время "космические" радиоастрономы и инженеры изучают перспективы создания 2-го поколения наземно-космических интерферометров для астрофизических исследований с микросекундным угловым разрешением источников. К первому поколению относят реализованный японский проект УБОР (1998-2003) и находящийся в стадии подготовки российский проект "Радио-астрон". В представляемой работе рассматривается идеология и конфигурация интерферометра Космос-Космос, позволяющего получить принципиально новые возможности: исключить влияние атмосферы Земли, реализовать квази фазостабильный интерферометр, устранить проблемы электромагнитной совместимости с другими службами. Кроме этого появляется возможность провести на борту космического аппарата предварительную корреляционную обработку за счет достижения малых остаточных неопределенностей по задержке и частоте сигналов и, благодаря этому, осуществить сжатие данных на борту для передачи их на Землю по обычному каналу космической связи.
РАС8: 95.55.Fw; 95.75.Kk
1. ВВЕДЕНИЕ
Первый наземно-космический радиоинтерферометр (японский проект VSOP-HALCA, [1, 2]) реально функционировал и второй (российский проект "Радиоастрон", [3, 4]) - находится в стадии подготовки. Поэтому опыт работы КРСДБ (наземно-космический радиоинтерферометр со сверх длинной базой) еще мал. Тем не менее сообщество радиоастрономов и инженеров проектирует новые КРСДБ: VSOP-2 в Японии [5], ARISE в США [6], Миллиметрон в России [7] для будущих исследований после 2010-2016 годов. Новые проекты (их иногда называют проектами 2-го поколения КРСДБ) планируют расширить частотный диапазон наблюдений радиоисточников, включая диапазоны 22, 43, 86 и даже 300 ГГц и увеличивая полосу наблюдений источников с широким спектром до Af = (1-2) ГГц с целью улучшения (или сохранения) чувствительности. Одновременно предполагается увеличить апогей орбиты КТ (космического телескопа) до (40-300) тысяч км для дальнейшего улучшения углового разрешения.
Такая тенденция сопровождается следующими осложнениями:
Наземные радиотелескопы для мм и суб-мм исследований испытывают сильное влияние атмосферы (ослабление и искажение сигналов, включая потерю или искажение фазовой информации, важной для КРСДБ). Только специальные "климатически комфортабельные" для наблюдений (но не для людей) места на Земле пригодны для размещения ЗТ (земного телескопа); например, Atacama в Чили с высотой над уровнем моря 4800 м.
Современная технология не позволяет достичь относительной точности поверхности больших антенн лучшей, чем (2-10) ■ 10-6, поэтому только в далеких планах предусматривается создать точные антенны с диаметром более (10-12) м. Сейчас для наблюдений в см диапазоне используют антенны с диаметром 20-100 м. Отметим, что ширина луча 10-метровой антенны на частоте 300 ГГц составляет всего около 20', и требуется секундная точность наведения и слежения, что также является не простой задачей.
Для передачи данных от КТ на наземную станцию слежения (СС) со скоростью (2-10) Гбит/с требуются новые широкополосные радиолинии связи Космос-Земля в новых диапазонах частот (рассматриваются диапазоны около 40 ГГц, диапазон Ка, около 80 ГГц, диапазон Ж, или выше). Для электромагнитной совместимости с радиоастрономическими диапазонами и с другими службами придется ограничить ширину передаваемого спектра сигналов путем создания сложных видов модуляции и демодуляции. Переход в диапазоны Ка и Ж потребует создания новых антенных облучателей и, вероятно, уменьшится эффективная площадь прежних антенн из-за снижения относительной точности формы рефлектора. Существующие СС (1-го поколения) работают в диапазоне (14-15) ГГц и со скоростью прима данных до 144 Мбит/с.
Широкополосный и более мощный (для более высокой орбиты) радиопередатчик космического аппарата увеличивает возможность влияния помех для широкополосных, чувствительных и длительно работающих радиоастрономических при-
515
3*
емников, поскольку спектр передаваемых на Землю сигналов (включая неизбежное внеполосное излучение) располагается поблизости от спектра сигналов, принимаемых от радиоисточника (например, диапазоны 40 и 43 ГГц или 80 и 86 ГГц).
Все проекты КРСДБ 2-го поколения планируют использовать новые регистраторы и корреляторы данных с большей чем на порядок производительностью. Средства 1-го поколения обеспечивают регистрацию и обработку данных, поступающих со скоростью до 128-256 Мбит/с.
Для улучшения чувствительности КРСДБ, пропорциональной (&/■ т)1/2, за счет увеличения А/в мм диапазоне волн, необходимо сохранить полное время когерентного накопления т. Это требует лучшей стабильности частоты опорного сигнала (д///}оп и очень точного определения ускорения движения КА дЖ. Например, для т = 100 с при наблюдениях в диапазоне 300 ГГц требуется обеспечить (5//)оп < 10-15 и дЖ < 10-10 м/с2 (если радиолиния связи работает в диапазоне 80 ГГц). Кроме того, фазовая синхронизация в КРСДБ подвержена ошибкам, вызываемым земной атмосферой.
КРСДБ с высоко эллиптической орбитой КТ, когда длина базы много больше диаметра Земли, обеспечивает бедное заполнение £/У-плоскости из-за малого вклада вращения Земли, и желательно это заполнение улучшить.
Таким образом, применение КРСДБ для будущих исследований в мм и суб-мм диапазонах сопровождается фундаментальными и техническими ограничениями, полностью устранить которые не представляется возможным. По этой причине ниже рассматривается другая концепция радио интерферометра, основанная на интерферометре Космос-Космос с предварительной корреляционной обработкой на борту КА (космического аппарата).
2. ИНТЕРФЕРОМЕТР КОСМОС-КОСМОС
Рассмотренные выше проблемы КРСДБ для будущих мм и суб-мм исследований могут быть исключены или значительно сокращены в предлагаемом здесь проекте. Его концепция определяется следующими аспектами:
1) Для исключения вредного влияния земной атмосферы на результаты реконструкции изображений исследуемых радиоисточников и результаты астрометрии используются два КТ, размещаемые на разных орбитах; наземные телескопы не требуются. Оба КТ - полностью идентичны, но 1-ый КА является базовым и включает средства обработки (см. раздел 5), а 2-ой - их не имеет. Перенос измерений в космос устраняет также проблему частотных диапазонов и полос для астрономических наблюдений, которые сейчас ограничены регламентом международного радио ко-
митета (С.С!.Я) и окнами прозрачности атмосферы. Снижение чувствительность из-за относительно малых размеров антенн космических телескопов (10-12 м) отчасти компенсируется возможностью существенного увеличения (до 10-100 ГГц) полосы частот А/ принимаемого излучения источников с протяженным спектром.
2) На борту 1-ого (базового) КА производится упрощенная (предварительная) кросс-корреляционная обработка данных в реальном времени с целью сжатия данных перед передачей их на Землю по обычной космической радиолинии связи со скоростью единиц Мбит/с. Данные для обработки от 2-го КТ передаются на базовый КА по линии связи Космос-Космос. Коэффициент сжатия данных от обоих КТ пропорционален (А/ ■ ткорр), где ткорр - допустимое время накопления бортового коррелятора.
Этот проект не требует высокоскоростных регистраторов (и систем воспроизведения) на Земле и средств доставки носителей данных в центр обработки. Сжатие данных на борту позволяет отказаться от требуемых в КРСДБ широкополосных и мощных бортовых средств передачи данных, а если базовый КТ разместить на геостационарной орбите, то можно обойтись единственной (и запасной -для надежности) наземной станцией приема данных вместо 3-5 для КРСДБ. В качестве станций управления и определения параметров движения КА используется существующая для этой цели обычная сеть станций.
3) Новая широкополосная линия связи Космос-Космос, которую предстоит разработать, может, благодаря космическому вакууму, действовать в оптическом, инфракрасном или в микроволновом диапазоне, исходя из наилучших условий электромагнитной совместимости и технологической готовности. Эта линия предназначается также для точной частотно-временной синхронизации обоих КТ, т.е. она должна быть двухсторонней когерентной.
Возможность вести исследования небесных источников и передавать данные по линии связи Космос-Космос в очень широких полосах частот позволяет для улучшения заполнения £/У-плоско-сти реализовать метод многочастотного приема для синтеза изображений источников [7, 8].
4) Завершающая, "интеллектуальная" обработка (обычно - не спешная) переданных на Землю предварительно обработанных на борту данных сохраняется, как обычно, за специалистами Центра обработки. Здесь выполняются процедуры спектрального анализа и полного накопления данных, обнаружения интерференционных лепестков, реконструкция изображений и интерпретация. Благоприятной ситуацией для оперативного получения результатов может быть территориальное совмещение (близость) станции приема данных с КА и Центра обработки.
Плоскость орбиты КТ-1
Радиоисточник
I
Линия связи Космос-Космос
/ /
Плоскость орбиты КТ-2
Рис. 1. Возможная конфигурация интерферометра Космос-Космос.
3. ГЕОМЕТРИЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРА
На рис. 1 показана возможная конфигурация интерферометра Космос-Космос.
КТ-1, размещенный на КА-1, образует базовый элемент радиоинтерферометра, т.е. включает предварительный кросс-коррелятор и может располагаться на геостационарной орбите, если заполнение иУ-плоскости при синтезе апертуры интерферометра окажется удовлетворительным для задач астрофизических исследований. Вторым элементом интерферометра служит КТ-2, перемещающийся вместе с КА-2 по высокой эллиптической (и, желательно, эволюционирующей) орбите [9]. Орбиты КТ-1 и КТ-2 лежат в разных плоскостях, что делает возможным получать с высоким разрешением радио изображения источников, расположенных в разных областях небесной с
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.