КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 5, с. 353-359
УДК 520.274
НАЗЕМНО-КОСМИЧЕСКИЙ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТР
"РАДИОАСТРОН"
© 2014 г. В. В. Андреянов1, Н. С. Кардашев1, В. В. Хартов2
1 Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва
2НПО им. С.А. Лавочкина, г. Химки andre@asc.rssi.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.
В статье рассматриваются устройство, особенности и характеристики российского наземно-косми-ческого радиоинтерферометра со сверхдлинными базами (КРСДБ) "РадиоАастрон".
БО1: 10.7868/8002342061405001Х
ВВЕДЕНИЕ
В ХХ веке исследования Вселенной распространились на все диапазоны электромагнитного излучения. Кроме оптической астрономии возникли гамма, рентгеновская, инфракрасная и радиоастрономия. Это привело к необычайному расширению предела познания Вселенной, вплоть до возникновения модели Вселенной как целого, понимания законов возникновения и эволюции большинства астрономических объектов. Однако многие ключевые вопросы астрономии все еще остаются нераскрытыми и возникли новые крупные проблемы, включая возможность существования многоэлементной Вселенной.
Прогресс в астрономии тесно связан как с возможностью проводить исследования из космоса, так и с появлением новых технологий создания телескопов и методов анализа излучений во всех диапазонах.
Основными параметрами, ограничивающими исследования в радиоастрономии, являются чувствительность и угловое разрешение. Оба эти параметра имеют огромные перспективы только в космосе. Чувствительность радиотелескопа, в основном, определяется площадью его антенны и шумами приемников. Угловое разрешение первоначально также ограничивалось размерами антенны, но с применением интерферометрическо-го метода эта связь была исключена. Разрешение стало определяться расстоянием между антеннами. С появлением возможности регистрации сигналов в цифровом виде и последующей их обработки на ЭВМ, а также применением высокостабильных генераторов, позволяющих привязать по частоте и времени регистрируемые сигналы на разных телескопах, возникли радиоинтерферометры со сверхдлинной базой (РСДБ). Базы таких систем уже к концу ХХ века достигли величины
10 тыс. км (порядка диаметра Земли). В результате РСДБ исследований было выявлено, что многие из наиболее интересных астрономических объектов (ядра активных галактик — квазары, нейтронные звезды — пульсары, области звездообразования — космические мазеры) очень компактны и не разрешаются интерферометрами с наземными базами. В связи с этим уже в 70-80-х годах прошлого века начались разработки проектов интерферометров с базой Земля—Космос [1]. Эти проекты широко обсуждались на международных конференциях. С целью подготовки к реализации первого наземно-космического интерферометра на борту пилотируемой космической станции Салют-6 космонавтами В.А. Ляховым и В.В. Рюминым был развернут макет параболической антенны радиотелескопа КРТ-10 (с диаметром 10 м) с сетчатой отражающей поверхностью [2]. Телескоп работал в диапазонах 12 и 72 см на высоте 400 км с июля по август 1979 г.
По результатам проведенных измерений по космическим радиоисточникам было принято решение о проектировании телескопа с большей точностью поверхности, т.к. необходимо проводить исследования для самых коротких волн сантиметрового диапазона, или даже на еще более коротких волнах (большая прозрачность самих исследуемых источников и более высокое разрешение).
В апреле 1979 г. Институт космических исследований и НПО им. С.А. Лавочкина начали разрабатывать технические предложения о создании наземно-космического интерферометра с базой намного больше диаметра Земли для проведения радиоастрономических наблюдений в диапазонах от 1 см до 1 м [3, 4].
В мае 1980 г. вышло постановление Правительства СССР о разработке в последующую десяти-
Таблица 1
/ср 22.232 ГГц 4.832 ГГц 1664 МГц 324 МГц
Д/ 8 полосв границах 7ГГц 100 МГц 100 МГц 16 МГЦ
32 МГц х 2 32 МГц х 2 32 МГц х 2 16 МГц х 2
летку в НПО им. С.А. Лавочкина совместно с АН СССР 6-ти автоматических космических обсерваторий. В 1983 г. был уточнен план запусков, в частности, Астрон-Р (кратчайшие волны сантиметрового диапазона) — в 1987—1988 гг., Астрон-М (более короткие волны) — в 1990 г.
Первое международное совещание по назем-но-космическому интерферометру "Радио-Астрон" состоялось в Москве 17—18 декабря 1985 г. Были определены основные диапазоны (1.35, 6.2, 18 и 92 см) космического радиотелескопа. Обсуждались остальные параметры интерферометра, в частности, связанные с выбором его орбиты. К моменту радикальных изменений в стране было проведено несколько таких совещаний. 21 октября 1991 г. под Москвой, в г. Пущино (радиообсерватория Астрокосмического центра ФИАН) прошло уже 13-е международное совещание. В 2003— 2004 гг. в Пущино были проведены испытания уже собранного космического радиотелескопа на всех диапазонах, и макет был передан для совместных испытаний с космическим аппаратом Спектр-Р [5—7].
18 июля 2011 г. состоялся успешный запуск космического радиотелескопа ракетой "Зенит-3Ф" с разгонным блоком "Фрегат-СБ" с космодрома Байконур. Раскрытие параболической антенны и первые испытания, включая режим одиночного радиотелескопа и интерферометра, также успешно были проведены в 2011 г. В дальнейшем были проведены успешные испытания на всех диапазонах космического радиотелескопа, которые подтвердили его работоспособность как крупнейшей жесткой космической антенны диаметром 10 м, так и крупнейшего интерферометра с базой до 350 тыс. км. Для систематических радиоастрономических исследований была организована международная кооперация, охватывающая все континенты и включающая более 30 наземных радиотелескопов, и две станции сбора информации (Пущино в России и Грин Бэнк в США) [8], http://www.asc.rssi.ru/radioastron/in-dex.html. Международный программный комитет ведет отбор заявок на проведение исследований.
Работу этого радиотелескопа на орбите обеспечивает многофункциональная космическая платформа "Навигатор", на которой он и установлен.
Подготовка и проведение исследований с на-земно-космическим интерферометром "Радио-Астрон", описанные в последующих статьях, представляют интерес для дальнейшего развития
этого направления (создание интерферометра Земля — Космос на более коротких волнах и с большими базами — проект "Миллиметрон" Российской космической программы) [9], lebedev.ru/index.php. Весьма важной является перспективная возможность создания в космосе жестких зеркальных антенн более высокой точности также для работы на более коротких волнах, вплоть до инфракрасного диапазона. В перспективе также создание очень больших антенн и многоэлементных интерферометров с чисто космическими базами [10, 11].
1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОТЛИЧИЯ КРСДБ ОТ РСДБ
Для одиночного телескопа угловое разрешение 9 = Х/Б, где Б — эффективный диаметр телескопа. Для КРСДБ 9 = Х/Вь где В1 — проекция базы В пары радиотелескопов (космического — КРТ и земного — ЗРТ) на картинную плоскость, перпендикулярную направлению на источник S (рис. 1). Конфигурация и состав КРСДБ "РадиоАстрон" показаны на рис. 1. Видно, что отличительной его особенностью является плечо КРСДБ от космического радиотелескопа до выходов станции слежения (СС). КРТ также как и ЗРТ принимает излучение источника в радиоастрономических диапазонах из направления S, далее преобразует его в необходимую форму и передает в реальном времени по радиолинии связи в направлении Я на Землю, где восстанавливается и помещается в регистратор данных на СС (см. рис. 2). Поэтому все факторы, изменяющие входную фазу источника на пути к выходу СС (по временным задержкам и частотным сдвигам) должны учитываться в процессе корреляции с данными от ЗРТ. В табл. 1 приведены средние частоты/ настройки приемников КРТ, полосы частот приема по входу А/ и используемые для корреляционной обработки видео полосы А^с. Множитель 2 в третьей строке означает, что прием радиоизлучения может производиться одновременно в двух круговых поляризациях (левой и правой). Как видно, КРСДБ — это суперсистема синхронно действующих радиотелескопов (КРТ и ЗРТ), средств передачи данных от КРТ на Землю (на СС) и доставки их для корреляционной обработки с минимальной затратой времени. Задачей интерферометра, как фазовой системы, является достижение наилучшей разрешающей способности 9 = Х/В1 при ис-
Эквивалентная по угловому разрешению
КРТ + КА
антенна
Источник,''
Линия передачи р/а данных
Линии
синхронизации
Станция слежения (СС)
Корреляционная и спектральная обработка
- Серия K (т, F)
max max
Построение радиоизображений Научная обработка и интерпретация
Рис. 1. Конфигурация и основные сегменты КРСДБ.
тс — разница геометрических (в вакууме) задержек от источника до КРТ и ЗРТ, К (т, F)max max — максимальные значения корреляции по задержке и частоте интерференции.
следовании небесных объектов на выбранной длине волны X. Измеренная разность фаз излучений источника, достигающих телескопов в один и тот же момент, может отличаться от чисто геометрической (в вакууме) Дфс наличием вредных составляющих 2Дф;. В наземных РСДБ база В между телескопами ЗРТ во время наблюдений не меняется, а проекция базы В1 меняется благодаря вращению Земли медленно и по хорошо известному закону. Часы на ЗРТ (обычно водородные) периодически сверяются с помощью систем GPS или UT, поэтому ошибка сверки часов обычно не превышает 10—100 наносек. Принятые телескопами данные вместе с текущим временем ?ЗРТ записываются в регистраторы для доставки на коррелятор, а в системе VLBA передаются по линиям связи [12]. Таким образом, измеряемая разность
фаз может отличаться от геометрической лишь за счет ошибки сверки часов и возможного различия влияния на фазу атмосферы Земли в местах расположения ЗРТ В КРСДБ база между телескопами КРТ и ЗРТ и ее проекция B1 непрерывно и быстро меняются за счет орбитального движения КРТ и вращения Земли. Данные от КРТ специальным образом преобразуются в помехоустойчивые потоки дискретных данных и передаются в реальном времени на СС по радиолинии f на несущей 15ГГц. Там они декодируются, восстанавливаются
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.