Разработка методов и устройств для высокоточных измерений в радиоастрономии и радиоинтерферометрии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

ДУГИН Николай Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В РАДИОАСТРОНОМИИ И РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

Специальность 01 04 01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород - 2007

003071747

Работа выполнена в Федеральном государственном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический института Федерального агентства по науке и инновациям (ФГНУ "НИРФИ" Роснауки, г Нижний Новгород)

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор

КУТУЗА Борис Георгиевич

доктор физико-математических наук КРИССИНЕЛЬ Борис Болеславович

доктор технических наук, старший научный сотрудник ЩЕГЛОВ Казимир Сергеевич

Ведущая организация

АКЦ ФИАН, Пущинская радноас грономичсская обсерватория (г Пущино Московской области)

Защита состоится 22 июня 2007 г в 10 00 на заседании диссертационного совета Д 002 231 03 при Институте радиотехники и электроники РАН (ИРЭ РАН) по адресу 125009, Москва, ул Моховая д 11,корп 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН

Автореферат разослан " 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 002 231 03 ЛЙГ'~>

К Ф -м н Перцовский М И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Работа посвящена разработке и развитию радиоастрономических методов измерения параметров антенных систем, радиотелескопов и радиоинтерферометров и разработке устройств позволяющих повысить эффективность работы радиоастрономических инструментов, улучшить точность и надежность измерений

Абсолютные измерения радиоизлучения космических источников не потеряли актуальности до настоящего времени, поскольку для изучения переменности излучения (плотностей потоков) таких объектов как остатки сверхновых звезд требуются длительные и высокоточные наблюдения С ростом требований к точности измерения параметров антенн различного назначения также необходимо иметь точные данные о потоках радиоисточников - калибраторов для эффективного использования простых и не дорогостоящих радиоастрономических методов Изучение процессов, проходящих при ядерных взрывах, после запрещения испытаний сместилось в область математического моделирования, что существенно подняло интерес к изучению естественных источников такой информации - взрывам сверхновых звезд С этой точки зрения, актуальность продолжения работ на стендах радиоастрономической обсерватории (РАО) НИРФИ "Старая Пустынь" очевидна, тем более что они к 2000-му году остались единственными работающими установками такого типа

Проблемы повышения точности, простоты и надежности методов исследования антенн, сокращения времени рутинных наблюдений или проведения одновременных исследований на разных частотах решаются постоянным совершенствованием методов измерений и их разнообразием, созданием многочастотных антенных систем или систем облучения, разработкой новой аппаратуры, автоматизацией систем записи и обработки информации

Развитие методологии и технологии фазостабильной радиоинтерферометрии для прикладных исследований (геодезических, геодинамических, координатных, исследований среды распространения радиоволн) актуально хотя бы по той причине, что с применением техники передачи данных на большие расстояния в реальном времени радиоинтерферометры со сверхдлинной базой (РСДБ) по технике приема и обработки информации становятся аналогичными фазостабильным инструментам Из-за крайне малого числа подобных инструментов на территории страны необходимость накопления опыта работы на них и поддержания соответствующего уровня исследований в данной отрасли радиоастрономии не может вызывать сомнений

Крайне актуальной является задача повышения точности траекторных, координатных и навигационных измерений ИСЗ и ракет-носителей при максимальной экономии средств и минимуме наземных контрольно-измерительных пунктов Поскольку параметры орбит спутников подвержены изменениям под влиянием аномалий гравитационного поля Земли, неравномерности скорости ее вращения, торможения в атмосфере, давления солнечного ветра и т д, для расчета орбит используются данные длительных наблюдений за движением ИСЗ и сложные алгоритмы уточнения его положения на определенный момент времени от расчетной точки, учитывающие геодинамические и геофизические факторы

Повышение эффективности функционирования космических навигационных систем (КНС) постоянно является одной из основных задач в процессе их эксплуатации, для глобальной отечественной КНС «ГЛОНАСС» проблема повышения эффективности в настоящий момент актуальна в связи с новым этапом ее развития

Радиоастрономические интерферометрические комплексы позволяют проводить измерения угловых координат объектов и параметров их траекторий в реальном времени с высокой точностью и определять их положение на орбите при наличии двух-трех пунктов слежения Развитие методов, альтернативных радиотехническим средствам или дополняющих их, позволит повысить надежность и эффективность работы глобальных КНС

Цель работы.

1 Разработка методов и устройств для достижения предельных точностей абсолютных измерений плотностей потоков радиоизлучения внеземных источников в широком диапазоне длин волн с калибровкой радиотелескопа по методу «черных» дисков

2 Разработка методов и устройств для исследования параметров антенн

3 Применение техники фазостабильной радиоинтерферометрии для решения фундаментальных и прикладных задач

Научная новизна. Практически все предложенные к рассмотрению разработки оригинальны и имеют четко определенные признаки, выделяющие их из групп подобных методов и устройств Приоритет одного метода и трех устройств подтвержден авторскими свидетельствами и патентами

Метод калибровки антенн по излучению «черных» дисков был предложен в НИРФИ и активно применялся в трех

радиоастрономических обсерваториях, где в процессе эксплуатации стендов был выявлен ряд недостатков метода, не позволявших достичь погрешностей абсолютных измерений лучше 3-5% При возобновлении работ по эталонированию потоков радиоисточников в РАО «Старая Пустынь» была поставлена задача устранить эти недостатки и достичь погрешности измерений около 1%, что повлекло за собой разработку не имеющих аналогов методов и устройств

На конструкции двухтемпературного эталона шумового радиоизлучения с нагреванием дисков в термокамерах и устройства для перемещения излучателя (калибровочную вышку) получены патенты Применение для калибровки радиотелескопа двухтемпературного эталона позволило исключить два фактора, приводивших к наибольшим ошибкам в методе «черных» дисков

Метод учета неоднородности фонового излучения при измерениях интенсивности радиоисточника позволяет выделять опорные области с фоновым излучением, равным или близким к фону за источником, при усреднении его по диаграмме направленности антенны Это позволяет стандартизовать процедуру измерений и проводить корректное сравнение результатов, полученных на разных антеннах, особенно, с широкими диаграммами направленности и при неоднородном космическом фоне в метровом диапазоне волн В сравнении с методами выбора опорных областей по радиокартам неба предложенный метод не приводит к погрешности из-за неточности радиокарт при их пересчете на нужную длину волны и из-за ошибок измерения исходных карт, зависящих от разрешения примененных антенн, главным образом, в районе исследуемых радиоисточников

Метод определения точности наведения антенны на источник излучения по данным радиоастрономических измерений не имеет аналога и позволяет быстро и просто оценивать эффективность работы приводных и следящих систем антенны Предложенный алгоритм расчета ошибок наведения применим при различных методиках измерений сигнала от радиоисточника и позволяет измерять соответствующие поправки в амплитуду сигнала на неточность наведения в серии наблюдений, величина которых может быть меньше 1%

Двухчастотный вибраторный облучатель, принцип создания которого основан на поляризационной развязке частот и смещении диполей по оси устройства, прост в изготовлении и удобен в эксплуатации при полном сохранении технических характеристик одиночных дипольных облучателей Патентный поиск аналогов не обнаружил

Проведение абсолютных измерений плотностей потоков радиоизлучения внеземных источников и калибровка антенн различного назначения методом «черных» дисков являются приоритетными для НИРФИ В настоящее время стенд для абсолютных измерений в РАО «Старая Пустынь», на котором получены приводимые в диссертации результаты, остался единственным действующим измерительным комплексом для решения задач абсолютных измерений, необходимость которых не вызывает сомнении

В плане развития и применения радиоастрономических методов в антенных измерениях был разработан метод определения точности изготовления поверхности зеркальных антенн по излучению эталонированных источников и предложено устройство для измерения уровня бокового излучения антенн и фазовой диаграммы корреляционным методом, на которое получено авторское свидетельство

Малобазовые радиоинтерферометры со связанными элементами дециметрового и метрового диапазонов длин волн, работающие в режиме апертурного синтеза, создавались при непосредственном участии автора в РАО «Старая Пустынь» До сих пор это единственные в стране инструменты подобного класса, на них решались все приведенные в данной работе задачи На способ определения поправки к часовому углу радиоисточника с помощью радиоинтерферометра получен патент Этот способ уникален тем, что позволяет в принципе провести калибровку инструмента по одному источнику в единичном замере

Практическое применение малобазового радиоастрономического интерферометра для координатных и траекторных измерений ИСЗ в отечественной практике осуществлено впервые При этом использовался дифференциальный метод измерений положения ИСЗ относительно дискретных внеземных радиоисточников, а фрагменты траектории полета исследуемых объектов могут определяться в режиме близком к реальному времени

Метод одновременного определения географических координат и ориентации объекта-потребителя сигналов КНС с помощью бортового интерферометрического комплекса не имеет аналогов

Существенной особенностью применения радиоинтерферометров для поддержки КНС в сравнении с радиотехническими средствами является то, что измерения параметров орбит НИСЗ и навигационных параметров потребителей проводятся по квазишумовым сигналам НИСЗ Это обстоятельство позволяет использовать работающую КНС при закрытии доступа к кодовой информации, что обеспечивает

независимость навигационных интерферометрических комплексов от режима работы КНС

Применение радиоинтерферометра метрового диапазона для контроля состояния среды распространения радиоволн в режиме непрерывной записи сигнала с последующей обработкой (в отличие от режима апертурного синтеза) позволило обнаружить быстропеременные вариации полного электронного содержания ионосферы и рассмотреть варианты использования интерферометров для мониторинга состояния ионосферы, в том числе для повышения точности координатных измерений

На радиоинтерферометре дециметрового диапазона проведены наблюдения кратковременных солнечных вспышек («спайков»), показавшие возможность регистрации интерферометрического сигнала от источников спайкоподобных солнечных всплесков миллисекундной длительности

Разработки радиоинтерферометрической аппаратуры и ее отдельных подсистем в большинстве случаев имеют специфические особенности, связанные с необходимостью учета как технических характеристик инструментов РАО, так и производственных и финансовых возможностей В ходе проводимых исследований приобретался опыт работы на интерферометрических инструментах, на основе которого предложены современные разработки по их практическому применению

Научное и практическое значение.

Практическое значение проведенных разработок заключается в следующем

а) Для решения задач радиоастрономии

- Разработаны и развиты методы и методики прецизионных абсолютных измерений интенсивности источников радиоизлучения с учетом методических, аппаратурных и антенных факторов Впервые разработаны стандартизованные методика измерений и алгоритм расчета для выбора опорных областей в районе исследуемого источника излучения Впервые предложен метод измерения поправок на спад интенсивности сигнала измеряемого источника с учетом неточности сопровождения его антенной системой Рассмотрен алгоритм учета изменения поглощения радиоизлучения в атмосфере для каждого замера радиоисточника

- Проведены высокоточные абсолютные измерения плотностей потоков радиоизлучения радиоисточников Кассиопея А, Лебедь А, Крабовидная туманность (Телец А) на длинах волн 3,4 и 10,6 см впервые с калибровкой радиотелескопа по двухтемпературному чернотельному

эталону Полученные данные продолжили прерванный в 90-е годы многолетний ряд абсолютных измерений, это позволяет получить новые сведения о годовом уменьшении плотностей потоков радиоизлучения остатков сверхновых звезд и спекфальных индексах исследованных источников и служит основой для создания вторичной абсолютной шкалы потоков более слабых радиоисточников

- Восстановленный в РАО «Старая Пустынь» стенд для абсолютных измерений в настоящее время является единственным рабочим инструментом в данной области техники, результаты, получаемые на нем, имеют приоритетное значение в задачах радиоастрономии и астрофизики

- Успешные наблюдения коротких солнечных вспышек на малобазовом радиоинтерферометре позволяют расширить методологию исследования Солнца за счет одновременного применения техники как малобазовой интерферометрии, так и РСДБ

б) Для решения задач антенной техники

- Впервые создан и апробирован в экспериментах двухтемпературный эталон шумового радиоизлучения с нагревом «черных» дисков в термокамерах Эталон может быть использован для калибровки антенн и радиотехнических устройств как в полевых, так и в лабораторных условиях, так как позволяет взаимно заменять излучатели-диски с разной температурой без изменения общей конфигурации устройства

- Впервые разработан радиоастрономический метод определения средней погрешности наведения антенны на источник в серии измерений Метод позволяет оценить качество приводных и следящих систем антенны непосредственно в ее рабочем режиме

- Разработан и апробирован радиоастрономический метод определения качества изготовления поверхности крупных зеркальных антенн, требующий использования эталонированных радиоисточников -калибраторов Метод позволяет быстро и достаточно просто измерить интегральное отклонение поверхности зеркала от расчетной величины и оперативно контролировать состояние поверхности после резких внешних воздействий на зеркало антенны без применения таких сложных методов как, например, голографический

- Разработан и апробирован двухчастотный вибраторный облучатель антенн на длинноволновый диапазон Простая и эффективная конструкция увеличивает возможности антенны, позволяя вести наблюдения одновременно на двух частотах и, соответственно, вдвое сокращая наблюдательное время

- Предложено устройство для измерения бокового излучения и фазовой диаграммы направленности антенны корреляционным методом Устройство позволяет упростить измерительный комплекс, заменив опорную антенну вторым (опорным) облучателем

в) Для решения задач радиоинтерферометрии

- Метод определения поправки к часовому углу радиоисточника, позволяющий оперативно измерять некоторые геодинамические параметры и проводить калибровку инструмента по одному источнику, достигает максимальной эффективности для инструментов с континентальными и межконтинентальными базами (имеющими максимальное разрешение), когда совместные сектора наблюдения антенн не велики и, в основном, захватывают радиоисточники вблизи момента их кульминации Наиболее реально в этом случае использование РСДБ, современная техника приема и обработки которых позволяет проводить измерения в режиме близком к реальному времени Кроме того, данный метод позволяет включать в состав радиоинтерферометров неполноповоротные антенны с большой эффективной площадью (например, типа РАТАН-600), для которых актуальной задачей может быть определение точки отсчета базовой линии и контроль ее положения при переориентировке радиотелескопа, и проводить точные измерения проекций их базовых расстояний

- Применение радиоинтерферометров для эфемеридной поддержки глобальных КНС может быть осуществлено двумя путями - в составе наземных контрольно-корректирующих станций и навигационных комплексов, измеряющих координаты НИСЗ, и в качестве бортовых комплексов, устанавливаемых на объектах-потребителях сигналов КНС Использование двухэлементных интерферометров для определения фрагментов траектории полета ИСЗ по измерениям разности фаз принимаемых сигналов имеет ряд специфических особенностей, которые обуславливают использование косвенной координатной информации (для исключения неоднозначности измерения разности фаз) и ее дальнейшее уточнение за счет высокой потенциальной точности фазовых измерений Малобазовые системы позволяют решить эту задачу практически в реальном времени, что является их существенным преимуществом

- Разработанный алгоритм одновременного определения местоположения и ориентации объекта дает возможность существенно повысить точность навигационных определений Особый интерес представляет возможность непрерывного контроля положения объекта, особенно при его быстрых изменениях (качка морских судов, полет самолетов, вращение ИСЗ) В сравнении с известными методами

интерферометрический комплекс имеет существенное преимущество за счет прецизионных измерений разности высот приемных антенн

- Радиоинтерферометрические навигационные системы могут обеспечить независимость работы от кодовой информации, поскольку работают по шумовому сигналу, и значительно ослабляют влияние ионосферных возмущений на трассе распространения радиоволн на конечный результат измерений

- Радиоастрономические интерферометры дают возможность проводить мониторинг состояния ионосферы, создать объединенную антенну большой площади за счет точной фазировки сигналов разнесенных антенн, проводить высокоточные измерения расстояний на поверхности земли

- Разработанные элементы приемной аппаратуры малобазовых интерферометров могут быть применены в радиоастрономической технике и интерферометрических навигационных комплексах

Разработки систем автоматического управления антеннами, измерительно-вычислительных комплексов на базе ЭВМ различных поколений, методик измерений параметров антенн и радиоинтерферометров, математического и программного обеспечения измерений, баз данных и каталогов для радиоастрономических задач могут быть полезны в практической работе различных групп исследователей, занимающихся не только радиоастрономической тематикой

На защиту выносятся следующие результаты:

1 Завершение технической и методической разработки метода калибровки антенн с помощью «черных» дисков без ограничений на рабочий диапазон частот

Разработка, создание и апробация двухтемпературного чернотельного эталона с нагревом «черных» дисков в термокамерах Достижение погрешности калибровки антенн 0,3-1,5%

2 Разработка и апробация метода учета неоднородности фонового излучения за источником при радиоастрономических измерениях плотностей потоков радиоизлучения дискретных источников, позволяющего стандартизовать процедуру наблюдений и выбора опорных областей с интегральным фоновым излучением, равным фону за исследуемым источником

3 Разработка радиоастрономических методов и устройств для определения параметров антенных систем (точности наведения антенны на источник излучения в серии наблюдений, точности изготовления

поверхности зеркальных антенн, характеристик бокового излучения и фазовых диаграмм направленности)

4 Разработка и апробация способа определения по одному радиоисточнику параметров базы радиоинтерферометров с двух- и одноканальными приемниками

5 Разработка способа одновременного измерения местоположения объекта и его ориентации радиоинтерферометрическим комплексом, установленным на объекте, при использовании сигналов ИСЗ глобальных спутниковых навигационных систем

6 Развитие и апробация принципов применения радиоастрономических интерферометров для решения координатных, траекторных и навигационных задач, для мониторинга состояния среды распространения радиоволн с целью повышения эффективности функционирования глобальных КНС

Апробация работы.

Содержание диссертации отражено в работах [1-51] Основные результаты работы докладывались на семинарах ряда организаций и РАО России, Украины и Китая, проводящих работы по данной тематике

Материалы и результаты работ, представленных в диссертации, докладывались на следующих совещаниях, конференциях и симпозиумах Всесоюзной конференции по радиоастрономии (г Горький, 1972), Всесоюзных радиоастрономических конференциях по аппаратуре, антеннам и методам (г Ереван, 1978, 1982), I и II Всесоюзных школах «Апертурный синтез и методы радиоинтерферометрии в радиоастрономии» (г Горький, 1982, 1988), XVII Всесоюзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура" (г Ереван, 1985), Всесоюзных конференциях "Радиотелескопы и интерферометры" (г Иркутск, 1986, г Ереван, 1990), 1-ой республиканской конференции «Математические методы анализа и оптимизации зеркальных антенн различного назначения» (г Свердловск, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы фазоизмерительной техники и ее применения» (г Красноярск, 1989), XXII Всесоюзной конференции «Радиотелескопы и интерферометры» (г Ереван, 1990), Радиоастрономической конференции (г Санкт-Петербург, 1995), на конференции «Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики» (г Санкт-Петербург, 1996), симпозиуме IEEE AP-S/URSI Simp (Canada, Montreal), V международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» RLNC-99 (г Воронеж, 1999), конференции «Астрометрия, геодинамика и небесная механика на пороге XXI века» (г Санкт-Петербург, 2000),

международной конференции «Солнце в максимуме активности и солнечно-звездные аналогии» (г Пулково, 2000), 4-ой Российской научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы навигации и океанографии" (г С-Петербург, 2001), 8-м Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (г Пермь, 2001), Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей (г Иркутск, 2001), the III-rd Russian-Chinese Space Weather Conf (г Иркутск, 2002), Российской конференции памяти А А Пистолькорса «Радиотелескопы РТ-2002» (г Пущино, 2002), научно-технической конференции ФГУП "РНИИ КП" (г Москва, 2003), Всероссийской астрономической конференции ВАК-2004 "Горизонты Вселенной" (г Москва, 2004), международной конференции GMIC'100 (г Одесса, 2004), Всероссийской конференции "Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение" (КВО-2005) (С -Петербург, 2005)

Результаты диссертации опубликованы в 14 статьях в основных журналах, рекомендованных ВАК, 7 статьях в трудах конференций, 11 препринтах, 4 научно-технических отчетах, 31 тезисе докладов научных конференций Автором получено 4 авторских свидетельства и патента на изобретение Без соавторов - 4 публикации и 1 патент Практически все работы опубликованы после защиты кандидатской диссертации (февраль 1983 года)

Личный вклад

Представленные в диссертации основные научные результаты получены лично или в соавторстве В выполненных с соавторами работах автору принадлежат идеи методов и функциональных параметров устройств, постановка задач, проведение экспериментов, выбор численных методов решения, анализ и формулировка результатов Большой объем экспериментальных работ и тестирования аппаратурных разработок не мог быть выполнен без поддержки специалистов различного профиля, на долю которых выпали такие работы, как составление программ, численный счет, участие в экспериментах, обработка данных измерений, обсуждение результатов, конструкторские решения, разработка принципиальных схем субблоков аппаратуры и подсистем разработанных измерительных комплексов

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, приложений и заключения Общий объем диссертационной работы составляет 226 страниц, включая 58 рисунков, 9 таблиц и список цитируемой литературы Библиография содержит 208 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении сформулирована цель работы, обоснована актуальность поставленных задач, показана их научная значимость и кратко изложено содержание диссертационной работы

Первая глава посвящена радиоастрономическим методам высокоточных измерений излучения дискретных радиоисточников, основной целью которых является достижение предельных точностей и, таким образом, завершение разработки предложенного в НИРФИ метода абсолютных измерений с калибровкой антенн по «черным» дискам

В разделе 1 1 1 рассмотрены способы достижения предельной точности калибровки радиотелескопов по методу «черного» диска

Основным усовершенствованием калибровочного стенда для абсолютных измерений методом «черных» дисков, которое позволило существенно повысить точность калибровки, является применение двух чернотельных излучателей с разной температурой Осуществление этой идеи наталкивалось на определенные технические трудности Применение для получения равномерной температуры охлаждения шумового чернотельного излучателя жидким азотом, кроме сложности и дороговизны эксплуатации, приводит к существенным ошибкам из-за неопределенности коэффициента отражения охлаждаемых стенок термокамеры (поглощение в материале стенок, наличия конденсата из-за большого перепада температур и т д ) Наиболее удобным в реализации представлялось нагревание диска до безопасных температур Была разработана и создана конструкция двухтемпературного эталона, включающая термокамеры специальной формы с «черными» дисками и опорно-поворотные механизмы для замены дисков в луче неподвижной антенны без изменения общей конфигурации системы В п 1 1 2 дано обоснование принципа работы и подробно описана конструкция двухтемпературного эталона шумового радиоизлучения

В п 1 1 3 исследованы характеристики эталона и проведена оценка эффективности его работы Рассмотрены способы измерения средней температуры нагреваемого диска с погрешностью в десятые доли градуса, приведены результаты измерения распределения температуры по апертуре диска, выполненные с помощью инфракрасного термометра и радиозондов на рабочих частотах Исследовалось распределение температуры по диску при различных марках радиопоглощающего материала при продувании его потоком нагретого воздуха Показано, что для данной конструкции эталона возможно измерение средней температуры с требуемой точностью (0,1°-0,3°С), но в практическом

применении на открытом воздухе при жестком графике калибровок в процессе проведения экспериментов рассмотренные методы неудобны

Для оперативной калибровки в условиях реального эксперимента был разработан способ измерения разности температур дисков эталона, использующий дополнительные измерения сигнала от фона за диском Кроме того, показано, что использование двух "черных" дисков с разной температурой позволяет измерить дифракционную температуру, которая при традиционной методике рассчитывалась, исходя из параметров системы антенна - диск

В п 1 1 4 приведены результаты абсолютных измерений плотностей потоков радиоизлучения остатков сверхновых звезд (ОСН) Кассиопея А, Телец А и радиогалактики Лебедь А на частотах 2829 и 8834 МГц при применения двухтемпературного эталона для калибровки радиотелескопа Проведены анализ способов достижения предельных точностей и оценка точности измерений в зависимости от влияния таких факторов как нестабильность поглощения в атмосфере, неточности наведения антенны на источник, величины сокращения дальней зоны антенны при фокусировке на диск и т д

Анализируются результаты измерений 2002-2005 годов, по данным многолетних измерений (как собственных, так и данных различных групп исследователей) определены величины годового уменьшения потока ОСН Кассиопея А и Телец А, приведен анализ ошибок, которые могут возникать при абсолютных и относительных измерениях интенсивности радиоисточников разными группами исследователей Дан анализ возможности обнаружения кратковременных вариаций потоков ОСН Получено, что величина годового уменьшения потока Кассиопеи А в сантиметровом диапазоне определяется с погрешностью около 10% и достаточно близка у разных авторов Эта же величина для Тельца определяется с большими ошибками и сильно зависит от погрешности последних (в данном случае наших) измерений Для получения более достоверных данных о переменности (как долговременной, так и кратковременной) излучения ОСН, несущей информацию о характере взрывных процессов, необходимо проведение в течение нескольких лет измерений с погрешностью не хуже 1%, что предполагается сделать на основе опыта данной работы

В разделе 1 2 рассматривается метод учета неоднородности фонового излучения при измерениях интенсивности радиоисточников Специфической особенностью измерений интегральной интенсивности радиоизлучения дискретных радиоисточников является определение приращения антенной температуры при последовательном наведении диаграммы направленности (ДН) антенны на источник и в опорную

область, распределение радиояркости космического излучения в которой предполагается идентичным распределению фона вокруг источника Очевидно, что невыполнение этого условия приводит к значительным ошибкам определяемой интенсивности космических радиоисгочников Особенно существенным является вопрос о выборе опорных областей при измерениях с антеннами, имеющими широкие ДН, и в дециметровом - метровом диапазонах длин волн, где распределенное космическое излучение крайне неравномерно Для решения этой проблемы был разработан и апробирован специальный метод измерения и обработки результатов, который позволяет свести к минимуму погрешности определения величин радиоконтрастов за счет корректного учета окружающего источник фонового излучения, а также стандартизировать процедуру измерений и обработки данных

Суть предлагаемого метода заключается в проведении наблюдений длительностью около полусуток или больше для получения зависимости температуры фонового излучения от часового угла источника и в дальнейшем нахождении поправочных коэффициентов, при умножении на которые значений измеренных приращений антенной температуры получаем искомое значение сигнала от источника, а также координаты опорных областей, где фоновое излучение, усредненное по ДН данной антенны, равно фону за источником Искомый результат определяется варьированием двух неизвестных параметров при поиске минимума дисперсии среднего значения сигнала от источника

Рассмотрены два варианта решения задачи — с использованием радиокарт для расчета поправочных коэффициентов и нахождение их из измеренных зависимостей фонового сигнала от времени Оба способа дополняют друг друга, поскольку из результатов экспериментов по измерению сигналов от четырех наиболее мощных радиоисточников на разных антеннах получено, что возможны неоднозначные решения в зависимости от характера распределения фона вокруг источника

Во второй главе объединены радиоастрономические методы и устройства, часть из которых разрабатывалась для решения задачи достижения предельной точности радиоастрономических измерений, но они имеют более широкий характер и могут применяться в антенной технике вообще

В п 2 1 рассмотрен метод определения точности наведения антенны на источник излучения по данным серии радиоастрономических наблюдений Точность наведения антенны в заданную точку пространства и ее изменения в процессе слежения за источником излучения является одним из важнейших показателей эффективности работы крупных зеркальных антенн Критерием качества работы

следящих систем служит суммарная ошибка наведения, которая является функцией времени, зависит от параметров системы сопровождения и характеристик управляющих и возмущающих сигналов, действующих на систему в процессе слежения Очевидно, что средняя суммарная ошибка определяет потери сигнала в процессе проведения измерений интенсивности излучения выбранного источника

Для точного расчета спада сигнала из-за погрешности слежения антенны за источником была исследована возможность определения точности сопровождения по данным радиоастрономических наблюдений, т е возможность непосредственного контроля качества работы системы слежения по сигналам, регистрируемым в процессе проведения радиоастрономических измерений

Положения, на которых основаны данные исследования, следующие при сопровождении антенной источника из-за "качания" главного лепестка диаграммы направленности относительно центра источника, обусловленного неидеальной работой приводных систем, дисперсия результирующего сигнала должна быть больше дисперсии сигнала при наблюдении опорной области, а распределение измеренных точек относительно среднего значения должно быть несимметричным

Проведено математическое моделирование задачи - рассчитаны амплитуда сигнала от источника, ее дисперсия и гистограммы распределения точек относительно среднего в зависимости от ошибки наведения, величины разъюстировки облучателя, угловых размеров источника и соотношения сигнал/шум Моделирование велось для реальных значений ширины диаграммы направленности и указанных выше параметров при наблюдениях Солнца и радиоисточников Телец А и Кассиопея А Показано, что для точечного источника при увеличении ошибки сопровождения дисперсия сигнала сильно растет, а распределение резко несимметрично Эти особенности нивелируются при уменьшении отношения сигнал/шум и уширении источника

Эксперимент проводился на двух частотах Для оценки точности сопровождения антенны РТ-7 были проведены специальные измерения по Солнцу с разъюстировкой по азимуту 15' на волне 3,4 см и 22' на волне 10 6см Методика измерений точно соответствовала методике измерения сигналов от дискретных источников с отведением антенны по азимуту в обе стороны с тем же временем сопровождения Получено, что средняя ошибка наведения определяется по дисперсии, которая является наиболее точным критерием, также достаточно точно характеризует величину ошибки наведения ширина гистограммы, а ее форма при стандартном числе замеров менее информативна По величине дисперсии и характеру распределения измеренных значений

относительно среднего получено, что среднеквадратичная величина ошибки сопровождения антенны РТ-7 по азимуту в серии измерений равна 0',8 с погрешностью 0',2, причем данные на двух частотах достаточно близки Последнее обстоятельство указывает на то, что метод эффективен не только на предельных рабочих частотах, когда ширина ДН антенны сравнима с точностными параметрами приводных систем, а может применяться для исследования точности наведения антенны на ее действующих частотах

В п 2 2 представлена конструкция двухчастотного вибраторного облучателя и результаты экспериментальной проверки параметров облучателя для радиотелескопов на частоты 490-730 МГц

Современный радиотелескоп при решении ряда радиоастрономических и прикладных задач должен обеспечивать проведение одновременных радиометрических наблюдений на различных частотах, что существенно повышает информативность и сокращает время исследований Наибольшие технические трудности возникают при проектировании многодиапазонных облучателей, совмещенных в едином фазовом центре и имеющих необходимую частотную и поляризационную селективность В ходе работ по абсолютным измерениям плотностей потоков радиоизлучения внеземных источников в дециметровом и метровом диапазонах длин волн была предложена одна из возможных реализаций двухчастотного вибраторного облучателя дециметрового диапазона волн, который применяли для приема неполяризованного космического радиоизлучения

Принцип создания двухчастотной дипольной антенны заключается в поляризационной развязке каналов, для чего рефлектор на одну из рабочих частот делается в виде решетки с определенным шагом Совмещение фазовых центров, необходимое для работы в качестве облучателя антенны с выраженным фокусом, достигается смещением одного из вибраторов

Испытания двухчастотной вибраторной антенны проведены на радиотелескопе РТ-7 Показано, что облучатель с взаимно ортогональными вибраторами, работающими на различных частотах с дисковым и решеточным рефлекторами, имеет характеристики, аналогичные характеристикам одиночного облучателя, работающего на каждой из частот, т е взаимное влияние элементов системы пренебрежимо мало

В п 2 3 рассмотрен радиоастрономический метод определения точности изготовления поверхности зеркал крупных антенн, использующий при измерениях точные значения плотностей потоков

радиоизлучения источников - калибраторов Необходимость разработки такого метода возникла в связи проводимыми в НИРФИ работами по созданию облегченных конструкций антенн, основанных на новых принципах построения поверхности зеркала Конструкция была названа вантово-стержневой, поскольку каркас зеркала изготовлялся из легких стержней, а форма поверхности из легких тканей или сетки обеспечивалась притяжением выбранных узлов в расчетные точки с помощью тросов-вант

Одной из основных проблем при исследовании параметров нового зеркала было определение точности изготовления его поверхности, поскольку эта характеристика являлась определяющей при оценке эффективности новых решений Механические замеры отклонения опорных точек крепления вант к отражающей сетке не давали требуемой точности из-за небольшого числа измеряемых точек (относительно общей площади зеркала) и невысокой точности измерительных инструментов

Для решения этой задачи был применен метод, в основе которого лежит точная калибровка интенсивности излучения радиоисточников, применяемых в наблюдениях, в широком диапазоне длин волн (данные работы регулярно проводятся в НИРФИ, в том числе и автором диссертации) Искомый параметр определяется по результатам измерений коэффициента использования поверхности (КИП) зеркала на нескольких частотах, охватывающих широкий диапазон вплоть до предельных расчетных рабочих частот Наибольшая точность измерений достигается при использовании значительного числа измерений (> 5) с облучателями, дающими одинаковое амплитудное распределение поля по апертуре антенны, что не всегда достаточно просто реализуется, особенно, на крупных антеннах Для увеличения числа рабочих частот были применены способы измерений с сильной отстройкой облучателей и расчета поправочных коэффициентов к КИП по измеренным параметрам (ширине ДН)

Измерение интегрального среднеквадратичного отклонения поверхности вантового радиотелескопа РТВС-12 от расчетных величин проводилось для разных материалов, формирующих поверхность, и позволило без существенных затрат получить реальные данные об эффективности подобных методов создания зеркальных антенн

С помощью предлагаемого метода контроль погрешности изготовления поверхности антенн может проводиться регулярно (после различных экстремальных нагрузок на зеркало) благодаря его простоте и эффективности

В п 2 4 рассмотрено устройство для измерения ДН зеркальных антенн корреляционным методом При вводе в постоянную эксплуатацию в РАО «Старая Пустынь» радиоинтерферометра дециметрового диапазона стало возможным проведение на нем исследовательских работ по измерению диаграмм направленности приемных антенн корреляционным методом ("метод Смита") Приемная аппаратура интерферометра позволяла контролировать параметры инструмента и электрическую длину кабельных трасс с высокой точностью и длительное время, достаточное для проведения измерений ДН в широком секторе углов

Недостатком применения интерферометра с большой базой является то, что его диаграмма направленности представляет собой быстроосциллирующую функцию угла между вектором базы и направлением на космический источник Кроме того, для измерения бокового излучения и фазовых характеристик ДН одиночной антенны необходимо фактически заново создавать радиоинтерферометр

Было предложено применять корреляционный метод измерения ДН антенн без второй антенны, создавая канал опорного сигнала установкой в районе фокуса антенны второго облучателя, передвигаемого по определенному закону при слежении за источником излучения Была разработана конструкция системы движения облучателя и структурная схема аппаратуры для измерения боковых лепестков ДН крупных антенн со вторым опорным облучателем На данное устройство получено авторское свидетельство на изобретение

Далее рассматриваются методы и устройства, созданные для решения различного класса задач как на самих радиоинтерферометрах, так и на основе техники радиоинтерферометрии

В РАО НИРФИ «Старая Пустынь» под руководством или при непосредственном участии автора были разработаны и введены в действие единственные в отечественной практике двухэлементный интерферометр дециметрового диапазона, как элемент системы апертурного синтеза, и трехэлементная система апертурного синтеза метрового диапазона Созданные инструменты имеют следующие параметры

Радиоинтерферометр дециметрового диапазона:

- антенны параболические полноповоротные с диаметром зеркал 7 м, -расстояние между антеннами 417 м, ориентация базы близка к линии Восток-Запад,

- рабочая частота 540 МГц,

- приемник корреляционный супергетеродинный с квадратурным выходом с двойным преобразованием частоты, выполненный по смешанной одно-двухполосной схеме, полоса частот 5,5-10 МГц, первая промежуточная частота 60 МГц, вторая - 2,5 (5) МГц, первое преобразование частот - однополосное с подавлением зеркального канала фильтром, второе преобразование - двухполосное с сохранением обоих каналов приема,

- чувствительность 0,3 К при постоянной времени 1 с, чувствительность по потоку ~ 40 Ян,

- погрешность системы фазовой калибровки порядка 2°-3°, -эквивалентное угловое разрешение 5" при ошибке измерения фазы 5° (имеется в виду минимальное изменение одной из координат источника излучения при указанном изменении разности фаз принимаемых сигналов)

Радиоиитерферометры метрового диапазона:

- антенны параболические полноповоротные с диаметром зеркал 14 м, -расстояние между антеннами 15-130 м (одна антенна подвижная), ориентация баз близка к линии Восток-Запад,

- рабочая частота 152 МГц,

- приемник четырехканальный корреляционный супергетеродинный с квадратурным выходом (по схеме, аналогичной приемной системе дециметрового диапазона), полоса частот 2 МГц, первая промежуточная частота 45 МГц, вторая - 2 МГц,

- чувствительность 0,7 К при постоянной времени 1 с,

- погрешность системы фазовой калибровки порядка 2°,

- эквивалентное угловое разрешение 40" при ошибке измерения фазы 2°

В течение ряда лет на этих радиоинтерферометрах отрабатывалась техника создания приемной аппаратуры (в том числе цифровые варианты корреляторов и линий задержки), систем и методов фазовой калибровки, проводилась автоматизация дистанционного управления антеннами и приемной аппаратурой, отрабатывались варианты измерительно-вычислительных комплексов на базе ЭВМ различных поколений Для работы с интерферометрами разрабатывались математическое и программное обеспечение как для съема и первичной обработки данных, так и для решения различных научных и прикладных задач, были составлены каталог радиоисточников и база данных (в печатном и электронном виде) для антенных и интерферометрических измерений, учитывающие особенности технических характеристик небольших инструментов

При вводе интерферометров в действие большое внимание уделялось калибровке - определению таких параметров, как величины проекций базы, координаты места установки, дефекты монтажа антенн Исходя из возможностей инструментов, модернизировались известные способы калибровки и разрабатывались новые, позволявшие проводить оперативный контроль состояния инструмента по одному-двум источникам Модификации этих методов позволяют проводить прецизионные геодезические измерения (измерять географические координаты реперных точек на поверхности земли и расстояния между ними), а также траекторные, координатные и навигационные измерения космических аппаратов и ИСЗ

В середине 90-х годов на интерферометре дециметрового диапазона проведены исследования кратковременных солнечных вспышек ("спайков"), показавшие реальную возможность регистрации интерферометрического сигнала от источников спайкоподобных солнечных всплесков миллисекундной длительности

В третьей главе и Приложениях рассмотрены методы и устройства, которые были созданы для эффективной эксплуатации радиоинтерферометров и в большинстве своем апробированы на инструментах РАО

В п 3 1 рассмотрен способ определения поправки к часовому углу радиоисточника с помощью двухэлементного радиоинтерферометра Данная задача является продолжением исследований по разработке методов калибровки интерферометров по одному-двум источникам и методик уточнения долготы центра базы, как один из подходов к решению ряда геодинамических задач

Определение величины поправки часового угла источника и одной из проекций баз интерферометра основано на записи сигнала точечного радиоисточника в небольшом временном интервале вблизи его кульминации 1 = 0, либо при ; = ±я/2, с последующей обработкой, включающей подбор параметров базы, при которых точно определяется момент кульминации Принципиальной особенностью этого способа является то, что искомые параметры могут быть определены в единичном замере за короткие промежутки времени Исходными данными для получения результата являются измеренные разности фаз, что предполагает использование двухканальной приемной аппаратуры, однако, рассмотрен и вариант применения метода для интерферометра с одноканальным приемником

Для апробации метода была проведена серия наблюдений тринадцати радиоисточников различной интенсивности в момент их кульминации при длительности записи 3-4 минуты на интерферометре

дециметрового диапазона Чтобы оценить эффективность метода, требовалось отработать алгоритмы обработки данных, определить погрешности измерений, разработать оптимальный режим наблюдений Оценка результатов проводилась при сравнении их с данными калибровки интерферометра, выполненной стандартным методом при наблюдении восьми точечных радиоисточников, в результате которой определялись значения проекций базы Для контроля достоверности результатов использовались данные геодезической привязки долготы центра базы инструмента, погрешность которой равнялась 0Э,5 Экспериментально достигнута погрешность определения поправки часового угла ~(0 006-0 04) Тинт (периода интерференционной картины), погрешность определения наибольшей проекции базы - единицы миллиметров (относительная погрешность определения максимальной проекции базы нашего инструмента ~ 10"5)

Показана возможность применения варианта данного метода калибровки для радиоинтерферометров с одноканальным приемником при наблюдении мощных радиоисточников, когда на выходе приемника обеспечивается отношение сигнал/шум > 3 Максимальной эффективности предложенный метод достигает при калибровке интерферометров с неполноповоротными антеннами с большой эффективной площадью (например, типа РАТАН-600, для которых актуальной задачей может быть определение точки отсчета базовой линии и контроль ее положения при переориентировке радиотелескопа) или для инструментов с континентальными и межконтинентальными базами, когда совместные сектора наблюдения антенн не велики и, в основном, захватывают радиоисточники вблизи момента их кульминации Наиболее реально в этом случае использование РСДБ, для которых применение данной методики наиболее эффективно при передаче данных на пункт обработки в реальном времени

Приоритет автора на данный метод калибровки радиоинтерферометров закреплен патентом на изобретение

В п 3 2 рассматриваются вопросы применения радиоастрономического двухэлементного радиоинтерферометра для траекторных и координатных измерений

Наиболее актуальной является разработка метода определения координат источника излучения с помощью одного двухэлементного интерферометра В этом случае предпочтителен и логичен вариант уточнения положения КА при использовании орбитальных параметров, даваемых радиотехническими средствами, поскольку отпадает необходимость решения проблемы неоднозначности 2к в измеряемой фазе сигнала

Рассмотрена возможность применения двухэлементного радио интерферометра для координатных измерений в предположении, что движение источника излучения равномерно в течение сеанса измерений, т е приращения его координат можно представить аналитическими функциями (полиномами 1-3-й степени) Было проведено математическое моделирование задачи, показавшее особенности работы алгоритма расчетов и потенциальную точность метода Результаты применения данной методики в реальном эксперименте получены по НИСЗ типа «Цикада» («Транзит») на частоте 152 МГц

Оценки возможностей использования навигационных интерферометров показывают, что радиоинтерферометрический комплекс позволяет следующее (За исходную оценку точности измеряемых угловых координат КА принята величина 0",1, при высоте аппарата над поверхностью Земли 20000 км это соответствует линейной погрешности 10 м)

а) Проводить измерения угловых координат излучающего объекта, при этом

- минимальная погрешность измерения углов сгд оценивается как а X

а а ~ , где Gif, - погрешность измерения разности фаз, определяемая ItiB

чувствительностью системы и уровнем принимаемого сигнала, Л- длина волны, В - база интерферометра, неточное определение Ли В обусловит, в основном, систематические погрешности измеряемых углов,

- при уровнях сигналов НИСЗ на поверхности земли более 160 ДбВт ov составит единицы градусов (< 5°) даже при небольших приемных антеннах, значение сгр ~ 1 ° можно считать предельно возможным из-за шумов аппаратуры, ионосферы, помеховой обстановки и точности системы фазовой калибровки, обычно ограниченной величиной 2°-3° при нежестких требованиях радиоастрономических наблюдений,

- на рабочих частотах КНС «ГЛОНАСС» и среднеквадратичном отклонении порядка 1°-2° за время 1-2 мин (50-100 замеров) при заданной погрешности определения направления на объект —0", 1 базовые расстояния интерферометрического комплекса должны быть в пределах 1-1,5 км, для достижения погрешности ~0",01 (линейная погрешность 1 м) базовые расстояния интерферометрического комплекса должны быть 10-15 км,

- для получения полной информации о положении НИСЗ необходимо измерить дальность до КА радиотехническими средствами или измерять направление на источник одновременно с 2 - 3 пунктов

б) Радиоинтерферометр определяет истинное направление на объект, поскольку регулярная рефракция не влияет на разность фаз принимаемых антеннами сигналов, влияние атмосферы подавляется тем сильнее, чем меньше базовые расстояния между антеннами

в) Первый отсчет углового положения на комплексе из двух интерферометров с примерно ортогональными базами теоретически может быть получен в реальном времени Практически необходимо время для записи и обработки сигнала, а также накопление его в течение нескольких минут для уменьшения погрешности измерения фазы до предельного минимума и исключения случайных ошибок, т о время получения первого отсчета составит 1-10 минут в зависимости от условий приема сигнала, оптимальности программного обеспечения и быстродействия ЭВМ Определение участков траектории ИСЗ одним двухэлементным интерферометром ведется после пролета КА угловых расстояний ~ 10°-20°, что определяется алгоритмом последующей обработки Для низкоорбитальных ИСЗ это время также составит 1-10 минут, что достаточно и для уменьшения сг^, и для вычисления отрезка траектории полета

В п 3 3 рассмотрен не имеющий аналогов способ измерения местоположения объекта и его ориентации бортовым радиоинтерферометрическим комплексом В данном случае решена задача одновременного высокоточного определения и географических координат (местоположения), и ориентации объекта по сигналам НИСЗ с известными координатами с целью определения направления движения Принцип определения только ориентации объектов по сигналам навигационных искусственных спутников Земли с помощью фазоизмерительных систем известен В целях сокращения времени получения данных о положении объекта, упрощения аппаратурного комплекса и методик измерения оптимальным решением является применение комплекта аппаратуры, измеряющего набор параметров сигналов НИСЗ, по которым восстанавливается информация как о положении, так и об ориентации объекта потребителя

Задача применения радиоинтерферометрических комплексов (2-6 интерферометров, расположенных на объекте, с различными по величине и направлению базами) для одновременного нахождения местоположения и ориентации объектов-потребителей решается для двух интерферометров при измерении только разностей фаз квазишумовых сигналов не менее, чем от трех НИСЗ одновременно (или квазиодновременно) Соотношения для расчета искомых параметров имеют достаточно простой аналитический вид при расположении антенн

интерферометров в одной плоскости Эффективность алгоритма и погрешности измерения искомых параметров оценены методом математического моделирования При заданном положении трех НИСЗ с широким разнесением в видимой небесной полусфере рассчитывались соответствующие разности фаз для системы из двух интерферометров с ортогональными базами и по приведенным алгоритмам были получены точные значения координат места и ориентации приемного комплекса Оценки показывают, что погрешность определения координат местоположения находится в пределах нескольких сантиметров, а погрешность определения азимута для длины баз 100Л (около 20метров) не более 10 угловых минут

Исследовалась точность измерений проекций баз 2 (разности высот антенн), определение которых позволяет проводить измерения, кроме угла курса, также и углы крена и дифферента объекта Данная задача наиболее важна, поскольку применяемые системы не дают высокой точности измерений высот объектов

Кроме того, измерения с помощью интерферометров проводятся по квазишумовому фазоманипулированному сигналу ИСЗ и не зависят от кодовой информации, что, в принципе, позволяет использовать КНС в закрытом режиме работы

В п 3 4 рассмотрено радиоинтерферометрическое устройство - схема формирования синфазных сигналов радиоинтерферометра со сверхвысокой промежуточной частотой

Проблема конструирования систем формирования синфазных высокочастотных напряжений в разнесенных пунктах являлась одной из основных в процессе разработки сложных радиоинтерферометрических инструментов и систем апертурного синтеза, поскольку без принятия соответствующих мер по компенсации нестабильности электрических длин передающих трактов получить требуемую точность фазовых измерений не представлялось возможным

В рассматриваемой схеме предлагается совместить тракты формирования синфазных гетеродинных напряжений и тракт первой промежуточной частоты, которая становится сравнимой по величине с рабочей частотой инструмента, то есть используется сверхвысокая промежуточная частота Аппаратурная разработка апробировалась на лабораторных макетах

Данная схема организации канализирующих трактов подавляет фазовые флуктуации принимаемого сигнала в п > 10 раз (отношение первой и второй промежуточных частот) К ее преимуществам можно также отнести

1) уменьшение частоты гетеродина примерно в 2 раза в сравнении с традиционной схемой и, следовательно, снижение требований к затуханию (длине) передающих трасс,

2) уменьшение числа передающих трасс одного плеча интерферометра в пределе до одной (не считая системы фазовой калибровки),

3) отсутствие местных гетеродинов, синхронизируемых от опорных генераторов, фазовые флуктуации полезного сигнала, обусловленные неидентичностью передающих трактов, воспринимаются в центральном пункте на низкой второй промежуточной частоте

Применение в качестве основы аппаратуры потребителей КНС данной схемы организации синфазных напряжений на нескольких антеннах бортового интерферометрического комплекса, например, на ИСЗ, самолетах и небольших судах (базы от единиц до нескольких десятков метров) на рабочих частотах КНС (-1600 МГц) позволит передавать сигнал гетеродина (~ 800 МГц) прямо к антеннам без дополнительного усиления Современная СВЧ техника позволяет провести качественную развязку сигналов близких частот, что даст возможность применять один передающий тракт для частоты гетеродина и промежуточной и, в принципе, отказаться от системы фазовой калибровки, значительно упростив и удешевив аппаратуру потребителей

В п 3 5 рассматриваются вопросы применения радиоинтерферометров для мониторинга состояния ионосферы Известно, что ионосферные неоднородности оказывают существенное влияние на работу радиоинтерферометра, вызывая флуктуации фазы и амплитуды выходного сигнала при неидентичных условиях распространения радиоволн на лучах зрения каждой из антенн Влияние этих неоднородностей таково, что системами апертурного синтеза наблюдения источников на высотах, меньших 20°, обычно не проводятся, а для повышения точности калибровки инструмента радиоисточники наблюдаются длительное время с последующим усреднением данных При этом дисперсия измеренных параметров может служить показателем состояния среды распространения радиоволн Однако, если исследовать вариации измеряемой разности фаз поступающих в антенны сигналов за короткие промежутки времени, то можно сделать более глубокие выводы о характере происходящих в ионосфере процессов

Методика радиоинтерферометрических измерений для контроля активности ионосферы достаточно проста интенсивный радиоисточник наблюдается непрерывно в течение длительного времени При обработке результатов наблюдений исключаются регулярные изменения разности фаз, вызванные факторами, связанными с аппаратурными эффектами и

ошибками в задании исходных параметров инструмента Отклонения остаточной разности фаз от постоянной величины несут информацию об ионосферных возмущениях

Эффективность такого метода исследования ионосферы была экспериментально проверена на инструментах РАО На частоте 540 МГц (в режиме апертурного синтеза с временем усреднения ЗО-бОсекунд по источнику Лебедь А) наблюдались волнообразные возмущения фазы с периодом около 50 минут, характерным для среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений, которые являются следствием прохождения среднемасштабных внутренних гравитационных волн через ионосферу На частоте 152 МГц на интерферометре метрового диапазона велась запись в память ЭВМ полного массива информации с выборкой каждую секунду и последующей обработкой данных В большом числе записей при наблюдениях источников Кассиопея А и Лебедь А отмечены быстропериодические (за время 15-30сек) изменения разности фаз с амплитудой до 5°-15°

Полученные результаты экспериментальных исследований ионосферы с помощью радиоастрономических интерферометров дают основания сделать вывод о возможности применения подобных инструментов для мониторинга волновой активности ионосферы

В п 3 6 рассмотрены вопросы применения радиоинтерферометриче-ской техники для решения задачи суммирования площадей разнесенных антенн с целью получения антенны большой эффективной площади Результаты проведенных экспериментов позволяют разработать схемы сложения сигналов разнесенных антенн, в частности трех 14-метровых антенн системы апертурного синтеза РАО «Старая Пустынь» для получения объединенной антенны с эффективной площадью, эквивалентной антенне с диаметром зеркала порядка 25 м

В п 3 7 рассмотрены разработки радиоинтерферометрических методов и устройств для решения таких задач, как определение координат центра базы мобильных интерферометрических систем и высокоточное определение расстояний на поверхности земли

Часть материалов, опубликованная, в основном, только в виде препринтов или тезисов докладов, вынесена в Приложения

В Приложении 1 подробно описан алгоритм обработки данных при определении фрагмента траектории полета ИСЗ двухэлементным радиоинтерферометром Приводятся результаты измерений сигналов НИСЗ типа «Цикада» на частоте 152 МГц и данные обработки, полученные на интерферометре метрового диапазона РАО «Старая Пустынь»

В Приложении 2 дано краткое описание факторов, влияющих на точность измерения разности фаз сигналов, принятых радиоинтерферометром, и рассмотрены варианты систем фазовой калибровки многоэлементных интерферометров, необходимых для достижения высокой точности фазовых измерений и разработанных на основе опыта эксплуатации инструментов РАО

В Приложении 3 приведено описание каталога внеземных радиоисточников для антенных и интерферометрических измерений, созданного для решения ряда задач антенной техники и радиоастрономии Даны список 119 источников каталога, структура представления данных о характеристиках объектов и пример оформления материала

В Заключении обобщены основные результаты, полученные в диссертации, и приводятся результаты, выносимые на защиту

Основные результаты:

1 Завершена техническая и методическая разработка метода калибровки антенн с помощью «черных» дисков для произвольного расположения калибровочного эталона без ограничений на рабочий диапазон частот

Разработан и создан двухтемпературный чернотельный эталон с нагревом «черных» дисков в термокамерах Апробированы методики измерений средней температуры излучателя с погрешностью 0,1°-0,3°С Достигнута погрешность калибровки 0,3-1,5%, что в 3-5 раз точнее измерений по традиционной методике

Разработана и экспериментально апробирована методика измерения разности температур двух излучателей калибровочного эталона при радиоастрономических абсолютных измерениях

Возобновлены высокоточные абсолютные измерения плотностей потоков излучения ряда радиоисточников в сантиметровом диапазоне длин волн

2 Разработан и апробирован метод учета неоднородности фонового излучения за источником при радиоастрономических измерениях плотностей потоков радиоизлучения дискретных источников Методика измерений и обработки данных позволяет стандартизовать процедуру наблюдений и выбора опорных областей с интегральным фоновым излучением, равным фону за исследуемым источником

3 Разработан радиоастрономический метод определения точности наведения антенны на источник излучения в серии наблюдений Апробированы методики наблюдений и обработки данных, достигнута

погрешность определения величины поправки на спад интенсивности измеряемого сигнала менее 1%

4 Развит многочастотный радиоастрономический метод определения точности изготовления поверхности зеркал крупных зеркальных антенн по излучению эталонированных источников Апробированы способы измерений и методики обработки данных при достижении погрешности измерения среднеквадратичного отклонения поверхности зеркала антенны от идеальной около 5%

5 Разработан и апробирован принцип создания и конструкция двухчастотного дипольного облучателя зеркальных антенн, основанного на поляризационной развязке каналов

6 Предложено устройство для измерения ДН зеркальных антенн корреляционным методом с использованием второго опорного облучателя

7 Разработан и апробирован способ определения по одному радиоисточнику параметров базы радиоинтерферометров с двух- и одноканальными приемниками

8 Предложен и теоретически разработан способ одновременного измерения местоположения объекта и его ориентации радиоинтерферометрическим комплексом, установленным на объекте, при использовании сигналов ИСЗ глобальных спутниковых навигационных систем

9 Развиты и апробированы принципы применения радиоастрономических интерферометров для решения координатных, траекторных и навигационных задач

10 Развит и апробирован принцип применения радиоинтерферометров для мониторинга состояния среды распространения радиоволн На радиоинтерферометре метрового диапазона при анализе фазы принимаемого от внешнего радиоисточника сигнала обнаружены быстропериодические (15-30сек) вариации полного электронного содержания ионосферы

11 Разработаны и апробированы элементы радиоинтерферометрической приемной аппаратуры, позволяющие повысить эффективность использования радиоинтерферометров для решения фундаментальных научных и прикладных задач

12 Разработаны, развиты и апробированы методы применения радиоинтерферометров в прикладных целях (для когерентного суммирования сигналов разнесенных антенн, определения координат мобильных интерферометрических комплексов, для высокоточного определения расстояний между реперными точками на поверхности Земли)

Основные публикации по теме диссертации

1 АС СССР № 1084706 от 08 12 1983 Устройство для измерения диаграммы направленности зеркальной антенны / Дугин Н А , Короткое ВС - БИ № 13 от 07 04 84 - С 15 1

2 АС СССР № 1406675 от 01 03 1988г Устройство для перемещения излучателя / Цейтлин Н М , Дмитренко Д А , Бахарев Н В , Дугин НА -БИ№ 24 от 30 06 88

3 Патент А Би № 1827030 от 13 10 92 Двухтемпературный эталон шумового радиоизлучения / Бахарев Н В , Дугин Н А , Корелов В Т - БИ № 25 от 07 07 93

4 Патент А Би №1827032 от 13 10 1992 Способ определения поправки к часовому углу внеземного источника радиоизлучения /Дугин НА - БИ № 25 от 07 07 93

5 Результаты измерения полного вертикального поглощения в атмосфере на волне 6 мм / Дмитренко Д А , Дмитренко Л В , Дугин Н А , Лебский Ю В , Сизьмина Л К, Фогель АЛ// Изв вузов Радиофизика - 1973 -Т 16, №12 - С 1816-1822

6 Дугин Н А , Дмитренко Д А. К вопросу о распределении поля в районе фокуса параболоида при расположении источника в зоне Френеля // Изв вузов Радиофизика - 1976 - Т 19, № 7 - С 10311046

7 Байтовый радиотелескоп НИРФИ / Мосалов И В , Бахарев Н В , Дугин НА, Цейтлин НМ // Изв вузов Радиофизика - 1979 -Т 22, № 11 -С 1293-1300

8 Система апертурного синтеза НИРФИ дециметрового диапазона / Беагон В С , Дугин Н А, Романычев А А , Семенова Л Р, Турчин В И, Цейтлин Н М // Изв ВУЗов Радиофизика 1983 -Т 26, № 11 -С 1420-1427

9 Абсолютные измерения плотностей потоков мощных дискретных источников на частоте 575 МГц / Востоков АВ, Дугин НА, Миллер М Е, Сырейщиков В П // Изв вузов Радиофизика -1987 -Т 30, №7 - С 917-919

10 Дугин Н А , Миллер М Е Двухчастотный вибраторный облучатель // Радиотехника и электроника - 1990, Т35, вып 6 -С 1313-1314

11 Дугин Н А , Ковальчук О М , Шнырова Е Ю Метод определения интенсивности внеземных радиоисточников при неоднородном окружающем фоне // Изв вузов Радиофизика - 1995 - Т 38, №11 -С 1158-1167

12 Радиоинтерферометрические наблюдения солнечных всплесков в дециметровом диапазоне с миллисекундным временным разрешением / Алексеев В А, Дугин Н А , Липатов Б Н Мельников В Ф , Снегирев С Д , Тихомиров Ю В // Изв вузов Радиофизика - 1997 -Т 40, № 9 - С 1063-1072

13 Исследования неоднородной ионосферы радиоинтерферометрами метрового и дециметрового диапазонов / Добрушский Л А , Дугин Н А, Кузнецова И П, Разин В А, Смышляева Г Г // Космонавтика и ракетостроение ЦНИИМАШ - 2002 - С 108-115

14 Дугин Н А, Разин В А, Смышляева Г Г О прикладных исследованиях с малобазовыми радиоинтерферометрами // Космонавтика и ракетостроение -ЦНИИМАШ - 2002 - С 116124

15 Дугин НА О технике и методике прецизионных измерений интенсивности внеземных источников радиоизлучения // Изв вузов Радиофизика -2002 -Т45,№2 -С 144-150

16 Дугин Н А , Нечаева М Б О возможности быстрого определения параметров радиоинтерферометра // Изв вузов Радиофизика -2002 - Т 45, №3 -С 199-206

17 Романычев А А , Дугин Н А Схема формирования синфазных сигналов в радиоинтерферометре со сверхвысокой промежуточной частотой // Радиотехника и электроника - 2004 -Т 49, № 1 -С 123-127

18 Дугин НА, Кузнецова ИИ, Разин В А, Г Г Смышляева О возможное I и применения двухэлементного радиоинтерферометра для траекторных измерений // Космонавтика и ракетостроение — ЦНИИМАШ -2005 -№4(41) - С 147-160

19 Дугин Н А, Троицкий Н Р Определение точности наведения антенны радиоастрономическим методом // Изв вузов Радиофизика -2006-Т 49, №1 -С 1-8

20 Радиоастрономический комплекс для проведения измерений по методу «черного диска» в дециметровом-метровом диапазонах волн / Цейтлин Н М , Мосалов И В , Бахарев Н В , Беккерман Б М , Дугин Н А , Миллер Е А , Миллер М Е , Пелюшенко С А , Романычев А А - Препринт НИРФИ № 176 - Горький, 1984 - 14с

21 Кузнецова Н А, Дугин Н А Каталог радиоисточников для антенных и интерферометрических измерений - Горький НИРФИ, 1988, 445 с

22 Дугин Н А , Дмитренко Л В , Корелов В Т Двухтемпературный эталон шумового радиоизлучения - Препринт НИРФИ № 341 -Нижний Новгород НИРФИ, 1992 - 14 с

23 НА Дугин, И П Кузнецова, В А Разин, Г Г Смышляева Применение малобазовых радиоастрономических интерферометров для координатных и траекторных измерений Часть 1 - Препринт НИРФИ № 450 - Нижний Новгород НИРФИ, 1999 - 36 с, Часть 2 - Препринт НИРФИ №454 - Нижний Новгород НИРФИ, 1999 -24 с

24 Дугин Н А , Разин В А Малобазовые радиоинтерферометры НИРФИ - Препринт НИРФИ № 479 - Н Новгород, 2003 - 48 с

25 Дугин Н А , Кузнецова И П , Разин В А Абсолютные измерения плотностей потоков радиоизлучения космических источников с калибровкой по двухтемпературному чернотельному эталону Часть 1 Измерительный стенд Двухтемпературный эталон -Препринт НИРФИ №484 - Н Новгород, 2004 -32 с

26 Дугин Н А, Кузнецова И П, Разин В А, Троицкий Н Р Абсолютные измерения плотностей потоков радиоизлучения космических источников с калибровкой по двухтемпературному чернотельному эталону Часть 2 Учет поправок и оценка погрешностей Результаты - Препринт НИРФИ №485 -Н Новгород, 2004 -32 с

27 Абсолютные измерения плотностей потоков радиоизлучения космических источников с калибровкой по двухтемпературному чернотельному эталону Часть 3 Система регистрации Программное обеспечение / Дугин Н А , Кузнецова И П , Серкин А Г , Черникова С О , Бояринов В А - Препринт НИРФИ №486 -Н Новгород, 2004 - 12 с

28 Дугин Н А, Кузнецова И П Определение координат космических аппаратов и положения потребителей космических навигационных систем с помощью радиоинтерферометров со связанными элементами // Труды конференции «Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики» - С -Пб , 1996 -С 277-281

29 Добрушский Л А , Дугин Н А, Разин В А , Смышляева Г Г К вопросу об учете влияния ионосферы на навигационые измерения // Труды конференции «Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики» - С-Пб , 1996 - С 282-288

30 Определение фрагментов траектории полета КА радиоинтерферометром со связанными элементами / Дугин Н А , Кузнецова И П , Разин В А , Смышляева Г Г , Старостин В Н // Труды V междунар научно-техн конференции «Радиолокация, навигация, связь» ЯЬКС-99 - Воронеж, ВНИИсвязи, 20-23 апреля 1999 - Т 2 - С 964-970

31 Дугин НА, Разин В А, Смышляева Г Г Повышение точности определения ориентации и географических координат объектов по сигналам глобальных КНС с помощью бортовых радиоинтерферометров // Сб докладов 4-ой Российской научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы навигации и океанографии" - С -Петербург ГНИНГИ, 2001 - Т 1 -С 201-204

32 Экспериментальные результаты проверки метода повышения эффективности навигационных определений за счет использования радиоинтерферометрических аппаратурных комплексов и станций определения состояния ионосферы поляризационно-фарадеевским методом / Дугин Н А, Добрушский J] А , Кузнецова И П , Разин В А , Старостин В Н , Смышляева Г Г, Теплых А И, Прохоров В А // Вторая международная конференция-выставка «Малые спутники Новые технологии, достижения, проблемы и перспективы международного сотрудничества в новом тысячелетии», Симпозиум II, 2002г - Королев Моек обл , 2002 - С 226-238

33 Investigation of fast-varying of ionospheric TEC by phase-measuring methods / Dobrushsky L A , Dugin N A , Kuznetsova I P , Razm V A , Smyshlyaeva G G // The III-rd Russian- Chinese Space Weather Conf 18-22 July 2002 - Irkutsk, 2002 -P 37-39

34 Dugm N A , Kuznetsova IP , Razin V A Flux density absolute measurements of supernova remnants using two-temperature blackbody calibration standard // GMIC'100, 8-14 aug 2004 -Odessa, Ukraine, 2004

35 Дугин H A , Короткое В С Аппаратура для измерения боковых лепестков диаграммы направленности антенн корреляционным методом по внеземным источникам радиоизлучения без использования вспомогательной антенны // Всесоюз конф «Радиоастрономическая аппаратура», 10-12 окт 1985 - Ереван, 1985.-С 334

36 Дугин Н А , Дмитренко J1 В , Орлова О О, Рассадовский В А Абсолютные измерения потоков радиоисточников и собственного излучения атмосферы в линии 1,35 см // XXI Всесоюзная радиоастрономическая конференция Тезисы докладов — Ереван, 1989 - С 343

37 Беагон В С , Дугин Н А , Романычев А А , Шнырова Е Ю Применение фазостабильных радиоинтерферометров для определения расстояний и местоположения на поверхности земли // Тезисы докл Всесоюзной науч -техн конф «Современные

проблемы фазоизмерительной техники и ее применения», 18-22 сент 1989 - Красноярск, КПИ - С 184

38 Dugm N A Application of two-temperature black body standard for absolute measurements of microwave radio emission intensity // 2-я конф ISEM-93 Тезисы доклада - Пекин, 1993

39 Беагон В С , Дугин Н А Суммирование площадей разнесенных антенн с помощью техники фазостабильной радиоинтерферометрии // XXVI Радиоастрономическая конференция Тезисы докладов —С-Пб , 1995 -С 331-332

40 Дугин Н А , Ковальчук О М , Семенова Л Р База данных для радиоастрономических методов антенных и интерферометрических измерений // XXVI Радиоастрономическая конференция Тезисы докладов - С -Пб , 1995 - С 255-256

41 Дугин Н А Определение поправки к часовому углу точечного радиоисточника фазостабильным радиоинтерферометром // XXVI Радиоастрономическая конференция Тезисы докладов — С -Пб , 1995 -С 333

42 Romanychev А А , Dugm N A Formation of phase-coherent signales at interferometnc antennas sites using very high intermediate frequency // IEEE AP-S/URSI Simp - Canada, Montreal, 1997 - № 46 08

43 Dugm N A Determination of an Hour Angle Correction of a Point Radio Source by a Radio Interferometer with Сonnected Elements // IEEE AP-S Inter Simp and URSI Radio Sci Meeting — Canada, Montreal, 1997/-№46 07

44 Дугин H A , Кузнецова И П , Разин В А , Смышляева Г Г О радиоастрономических методах повышения эффективности космических навигационных систем // Конференция «Астрометрия, геодинамика и небесная механика на пороге XXI века» Тезисы докладов —С-Пб, 2000 -С 356-357

45 О возможности обеспечения высокоточного однопроходного определения координат КА на основе использования радиоинтерферометрической технологии / Дугин Н А , Разин В А, Старостин В Н, Грачев В Г, Смышляева Г Г, Прохоров В А // Конференция «Астрометрия, геодинамика и небесная механика на пороге XXI века» Тезисы докладов — С -Пб, 2000 -С 386-387

46 Дугин Н А, Разин В А, Смышляева Г Г К вопросу об определении ориентации КА по сигналам космической навигационной системы с помощью бортового радиоинтерферометрического приемного комплекса // Тезисы

доклада 8-ого Всероссийского съезда по теоретической и прикладной механике - Пермь, 2001 -С 239-240

47 Дугин Н А , Разин В А , Смышляева Г Г Об использовании технологии малобазовой радиоинтерферометрии для эфемеридной поддержки космических навигационных систем // Тезисы докл Российской конф памяти А А Пистолькорса «Радиотелескопы РТ-2002», 9-11 окт 2002 - Пущино, ПРАО, 2002 - С 42

48 Дугин Н А , Разин В А , Смышляева Г Г О принципах построения интерферометрических аппаратурных комплексов для высокоточных навигационныхопределений // Научно-техн" конф ФГУП "РНИИ КП", 23-26 мая 2003 г Тезисы докл - Москва, 2003 -С 26

49 Дугин Н А, Кузнецова И П, Разин В А, Троицкий Н Р Применение радиоинтерферометров для эфемеридной поддержки глобальных КНС и определения навигационных параметров объектов-потребителей // Всеросс конф "Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение" (КВО-2005) ИПА РАН, 11-15 апреля 2005 Тезисы докладов - С-Пб , 2005 -С 207-208

50 Разработка новых методов регистрации радиоизлучения космических источников / научный рук Дугин НА - Шифр "Регистрация", per № 01 93 0004068 -Н Новгород, 1993

51 Разработка научно-технических основ суммирования площадей разнесенных антенн с целью повышения эффективности многопозиционых приемных комплексов / научный рук Дугин Н А - Шифр "Синтез", per № 01 2 00109710 - Н Новгород, 2001

Работа выполнена при содействии сотрудников нескольких отделов и лабораторий НИРФИ (Галактической и внегалактической радиоастрономии профессора В А Разина, Прикладной радиоастрономии профессора Н М Цейтлина, Конструкторского отдела И В Мосалова и др ) и при финансовой поддержке ЦУП ЦНИИМАШ, ОКБ МЭИ, ЦНИИ «Комета», РНИИ КП, грантов РФФИ и МНТЦ Автор выражает искреннюю благодарность соавторам своих научных работ, друзьям и коллегам по работе за неоценимую помощь и поддержку

Автор особо благодарен за тесное сотрудничество уже ушедшим от нас Н М Цейтлину, А А Романычеву, Д А,Дмитренко, И В Мосалову, В.Т.Корелову, Н В Бахареву, В А Алексееву, Б Н Липатову

(

ДУГИН Николай Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ Н УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В РАДИОАСТРОНОМИИ И РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

Автореферат

Подписано в печать 23 03 2007 г Формат 60x90/16 Бумага писчая Уел п л 2 Тираж 100 Заказ 5567

Отпечатано в ФГНУ НИРФИ 603950, г Нижний Новгород, ул Б Печерская, 25

Введение.

I. Методы и устройства для повышения точности радиоастрономических измерений

1.1. Метод абсолютной калибровки радиотелескопа с использованием двухтемпературного чернотельного эталона.

1.1.1. Способы достижения предельной точности калибровки радиотелескопов по методу «черного» диска.

1.1.2. Принцип работы и конструкция двухтемпературного эталона шумового радиоизлучения.

1.1.3. Методика определения разности температур калибровочных дисков эталона.

1.1.4. Абсолютные измерения плотностей потоков радиоизлучения ОСН Кассиопея А и Телец А и радиогалактики Лебедь А на частотах 2829 и 8834 МГц: а) анализ способов достижения предельных точностей. б) результаты измерений 2003-2005 годов, оценка точности. в) анализ результатов.

1.2. Метод учета неоднородности фонового излучения при измерениях интенсивности радиоисточников.

1.2.1. Алгоритм корректного учета неоднородности фонового излучения.

1.2.2. Методика измерений и обработки данных.

II. Методы и устройства для повышения эффективности функционирования антенных систем

2.1. Метод определения точности наведения антенны на источник излучения

2.1.1. Обоснование принятых предположений для разработки метода.

2.1.2. Математическое моделирование задачи.

2.1.3. Экспериментальная проверка эффективности метода.

2.2. Двухчастотный вибраторный облучатель

2.2.1. Принцип создания и конструкция двухчастотного дипольного облучателя на частоты 490-730 МГц.

2.2.2. Экспериментальная проверка эффективности, измерение параметров.

2.3. Метод определения точности изготовления поверхности зеркал крупных антенн

2.3.1. Обоснование принятых предположений для разработки метода.

2.3.2. Измерение интегрального среднеквадратичного отклонения поверхности вантового радиотелескопа РТВСот расчетных величин.

2.4. Устройство для измерения ДН зеркальных антенн корреляционным методом

2.4.1.Применение корреляционного метода измерения ДН антенн без опорной (второй) антенны.

2.4.2. Структурная схема аппаратуры для измерения боковых лепестков

ДН крупных антенн со вторым опорным облучателем.

III. Методы и устройства для повышения эффективности функционирования радиоинтерферометрических систем

3.1 .Способ определения поправки к часовому углу радиоисточника с помощью двухэлементного радиоинтерферометра.

3.1.1. Способ быстрого определения параметров базы (калибровка) радиоинтерферометров с двухканальными приемниками.

3.1.2. Способ калибровки радиоинтерферометров с одноканальными приемниками.

3.2. Применение двухэлементного радиоинтерферометра для траекторных измерений

3.2.1. Обоснование постановки задачи.

3.2.2. Математическое моделирование задачи, расчет точностей, методика измерений.

3.2.3. Методы измерений координат источников.

3.2.4. Предложения по повышению эффективности работы наземной сети ККС НИСЗ КНС.

3.3.Способ измерения местоположения объекта и его ориентации бортовым радиоинтерферометрическим комплексом

3.3.1. Алгоритм одновременного определения географических координат и ориентации объекта при работе по НИСЗ КНС.

3.3.2. Математическое моделирование задачи, анализ погрешностей измерений.

3.3.3. Структура приемного радиоинтерферометрического комплекса, предложения по разработке совмещенной АП.

3.4. Схема формирования синфазных сигналов радиоинтерферометра со сверхвысокой промежуточной частотой.

3.5. Применение радиоинтерферометров для мониторинга состояния ионосферы

3.5.1. Измерения вариаций фазы сигнала радиоинтерферометра на частоте 540 МГц.

3.5.2. Измерения вариаций фазы сигнала радиоинтерферометра на частоте 152 МГц, обнаружение быстропеременных вариаций.

3.6. Применение техники радиоинтерферометрии для суммирования площадей разнесенных антенн

3.6.1. Теоретическое обоснование получения антенны большой эффективной площади.

3.6.2. Разработка блок-схемы сумматора; экспериментальная проверка предложенных решений.

3.7. Применение радиоинтерферометров для определения расстояний и местоположения на поверхности земли

3.7.1. Алгоритм определения местоположения мобильных интерферометрических систем.

3.7.2. Измерение расстояний между реперными точками на поверхности земли как контроль состояния сейсмоактивных зон.

Во второй половине прошлого века развитие радиоастрономии привело к широкому использованию в антенной технике радиоастрономических методов исследования и измерения параметров антенных систем, развитию телескопостроения, радиометрической аппаратуры и радиоинтерферометрической техники. Непрерывное совершенствование технологии и методологии антенной техники, радиоастрономии и приборостроения позволило создать полноповоротные радиотелескопы с диаметром зеркал до 100 метров при использовании различных конструктивных принципов, высокочувствительную аппаратуру во всем спектре радиочастот, системы апертурного синтеза с разрешением в тысячные доли угловой секунды, позволившие исследовать тонкую структуру радиоисточников. Класс задач, решаемых в радиоастрономии, непрерывно расширялся, системы и методы находили практическое применение в различных областях науки и техники [1-10].

Работы НИРФИ в области радиоастрономии начались сразу после создания института В последующие годы были заложены основы таких научных направлений исследований как абсолютные измерения плотностей потоков радиоисточников, исследования поляризации внеземного излучения, калибровка антенных систем по искусственным излучателям, радиоастрономические методы измерения параметров антенн, радиометрическая аппаратура, дистанционное исследование атмосферы, навигационное обеспечение полетов космических аппаратов и радиоинтерферометрия с независимым приемом (например, [11-15]).

Для проведения исследований по широкому кругу задач радиофизики, радиоастрономии, астрофизики и их прикладных применений в НИРФИ были созданы несколько радиоастрономических обсерваторий (полигонов для экспериментальных работ), в том числе РАО «Старая Пустынь». Основные научные исследования, для проведения которых создавалась РАО «Старая Пустынь», следующие: поляриметрические исследования синхротронного радиоизлучения Галактической межзвездной среды на волнах метрового и дециметрового диапазонов, поляриметрические исследования радиогалактик и молодых остатков сверхновых на волнах дециметрового и сантиметрового диапазонов волн;

- абсолютные и относительные измерения плотностей потоков радиоизлучения мощных радиогалактик и молодых остатков сверхновых;

- радиоастрономические методы измерения параметров антенн;

- разработка малобазовых (фазостабильных, со связанными элементами) радиоинтерферометров как элементов систем апертурного синтеза;

- прикладные исследования с использованием методов радиоастрономии, в том числе голографические методы измерения параметров зеркальных антенн.

В последнее десятилетие РАО «Старая Пустынь» была задействована как пункт отечественной и международной РСДБ-сети. На фазостабильных радиоинтерферометрах метрового и дециметрового диапазонов - первых в отечественной практике инструментах апертурного синтеза, проводились исследования Солнца и велись работы по использованию этих инструментов в прикладных целях (см. Гл.З данной работы). Благодаря широкому классу задач, решавшихся на многочисленных и в большинстве единственных в своем роде инструментах РАО, она была включена в реестр уникальных отечественных установок. Данный факт является свидетельством того, что в течение длительного времени развитие научных направлений исследований в РАО следовало принципу решения наиболее важных и актуальных проблем.

Автор данной работы принимал непосредственное участие в большинстве исследований, проводимых по тематике радиоастрономии, антенной техники и радиоинтерферометрии [ 16-94].

Актуальность работы.

Абсолютные измерения радиоизлучения космических источников не потеряли актуальности до настоящего времени, поскольку для изучения переменности излучения (плотностей потоков) таких объектов как остатки сверхновых звезд требуются длительные и высокоточные наблюдения. С ростом требований к точности измерения параметров антенн различного назначения также необходимо иметь точные данные о потоках радиоисточников - калибраторов для эффективного использования простых и не дорогостоящих радиоастрономических методов. Изучение процессов, проходящих при ядерных взрывах, после запрещения испытаний сместилось в область математического моделирования, что существенно подняло интерес к изучению естественных источников такой информации - взрывам сверхновых звезд. С этой точки зрения, актуальность продолжения работ на стендах РАО "Старая Пустынь" очевидна, тем более что они к 2000-му году остались единственными работающими установками такого типа.

Проблемы повышения точности, простоты и надежности методов исследования антенн, сокращения времени рутинных наблюдений или проведения одновременных исследований на разных частотах решаются постоянным совершенствованием методов измерений и их разнообразием, созданием многочастотных антенных систем или систем облучения, разработкой новой аппаратуры, автоматизацией систем записи и обработки информации.

Развитие методологии и технологии фазостабильной радиоинтерферометрии для прикладных исследований (геодезических, геодинамических, координатных, исследований среды распространения радиоволн) актуально хотя бы по той причине, что с применением техники передачи данных на большие расстояния в реальном времени радиоинтерферометры со сверхдлинной базой (РСДБ) по технике приема и обработки информации становятся аналогичными фазостабильным инструментам, а координатные измерения на РСДБ с привязкой фаз являются наиболее точными радиоизмерениями [6]. Из-за малого числа подобных инструментов на территории страны необходимость накопления опыта работы на них и поддержания соответствующего уровня исследований в данной отрасли радиоастрономии не может вызывать сомнений.

Крайне актуальной является задача повышения точности траекторных, координатных и навигационных измерений ИСЗ и ракет-носителей при максимальной экономии средств и минимуме наземных контрольно-измерительных пунктов. Поскольку параметры орбит спутников подвержены изменениям под влиянием аномалий гравитационного поля Земли, неравномерности скорости ее вращения, торможения в атмосфере, давления солнечного ветра и т.д., для расчета орбит используются данные длительных наблюдений за движением ИСЗ и сложные алгоритмы уточнения его положения на определенный момент времени от расчетной точки, учитывающие геодинамические и геофизические факторы.

Повышение эффективности функционирования космических навигационных систем (КНС) постоянно является одной из основных задач в процессе их эксплуатации; для глобальной отечественной КНС «ГЛОНАСС» проблема повышения эффективности в настоящий момент актуальна в связи с новым этапом ее развития.

Радиоастрономические интерферометрические комплексы позволяют проводить измерения угловых координат объектов и параметров их траекторий в реальном времени с высокой точностью и определять их положение на орбите при наличии двух-трех пунктов слежения. Развитие методов, альтернативных радиотехническим средствам или дополняющих их, позволит повысить надежность и эффективность работы глобальных КНС.

Целью работы являлось:

1. Разработка методов и устройств для достижения предельных точностей абсолютных измерений плотностей потоков радиоизлучения внеземных источников в широком диапазоне длин волн с калибровкой радиотелескопа по методу «черных» дисков: а) разработка конструкции двухтемпературного эталона шумового радиоизлучения, разработка методик калибровки с применением созданного эталона; б) разработка метода учета неравномерности фонового излучения при измерениях интенсивности источников, стандартизация методики выбора опорных областей при неравномерном фоновом излучении; в) разработка метода определения точности наведения антенны на источник излучения по данным радиоастрономических измерений; г) разработка многочастотных облучателей радиотелескопов для сокращения времени рутинных радиоастрономических наблюдений; д) проведение абсолютных измерений плотностей потоков радиоизлучения мощных дискретных радиоисточников в сантиметровом диапазоне длин волн на современной аппаратурной базе; получение высокоточных данных о характере исследуемых объектов с учетом методических, аппаратурных и антенных факторов; достижение предельных точностей радиоастрономических измерений.

2. Разработка методов и устройств для исследования параметров антенн: а) разработка радиоастрономического метода оперативного определения интегрального среднеквадратичного отклонения поверхности зеркал крупных антенн от расчетных величин; б) разработка и развитие методов и устройств для измерения параметров крупных зеркальных антенн.

3. Применение техники фазостабильной радиоинтерферометрии для решения фундаментальных и прикладных задач: а) определения расстояний и местоположения на поверхности земли для геодезии и геодинамики; б) эфемеридной поддержки глобальных космических навигационных систем за счет высокоточного и оперативного определения координат НИСЗ и параметров положения объектов-потребителей сигналов КНС; в) контроль состояния ионосферы по фазе интерферометрического сигнала; г) разработка субблоков аппаратуры и подсистем интерферометрических комплексов для достижения их максимальной эффективности.

Научная новизна.

Практически все предложенные к рассмотрению разработки оригинальны и имеют четко определенные признаки, выделяющие их из групп подобных методов и устройств. Приоритет одного метода и трех устройств подтвержден авторскими свидетельствами и патентами [34-37].

Метод калибровки антенн по излучению «черных» дисков был предложен в НИРФИ и активно применялся в трех радиоастрономических обсерваториях, где в процессе эксплуатации стендов был выявлен ряд недостатков метода, не позволявших достичь погрешностей абсолютных измерений лучше 3-5%. При возобновлении работ по эталонированию потоков радиоисточников в РАО «Старая Пустынь» была поставлена задача устранить эти недостатки и достичь погрешности измерений около 1%, что повлекло за собой разработку не имеющих аналогов методов и устройств [29, 44,72].

На конструкции двухтемпературного эталона шумового радиоизлучения с нагреванием дисков в термокамерах и устройства для перемещения излучателя (калибровочную вышку) получены патенты [35,36]. Применение для калибровки радиотелескопа двухтемпературного эталона позволило исключить два фактора, приводивших к наибольшим ошибкам в методе «черных» дисков, и достичь погрешности калибровки 0,3-1,5% [48-50,57,69].

Метод учета неоднородности фонового излучения при измерениях интенсивности радиоисточника позволяет выделять опорные области с фоновым излучением, равным или близким к фону за источником, при усреднении его по диаграмме направленности антенны. Это позволяет стандартизовать процедуру измерений и проводить корректное сравнение результатов, полученных на разных антеннах, особенно, с широкими ДН и при неоднородном космическом фоне в метровом диапазоне волн. В сравнении с методами выбора опорных областей по радиокартам неба предложенный метод не приводит к погрешности из-за неточности радиокарт при их пересчете на нужную длину волны и из-за ошибок измерения исходных карт, зависящих от разрешения примененных антенн, главным образом, в районе исследуемых радиоисточников [25,42,65].

Метод определения точности наведения антенны на источник излучения по данным радиоастрономических измерений не имеет аналога и позволяет быстро и просто оценивать эффективность работы приводных и следящих систем антенны. Предложенный алгоритм расчета ошибок наведения применим при различных методиках измерений сигнала от радиоисточника и позволяет измерять соответствующие поправки в амплитуду сигнала на неточность наведения в серии наблюдений [33,49], величина которых может быть меньше 1 %.

Двухчастотный вибраторный облучатель, принцип создания которого основан на поляризационной развязке частот и смещении диполей по оси устройства, прост в изготовлении и удобен в эксплуатации при полном сохранении технических характеристик одиночных дипольных облучателей. Патентный поиск аналогов не обнаружил [24,68].

Проведение абсолютных измерений плотностей потоков радиоизлучения внеземных источников и калибровка антенн различного назначения методом «черных» дисков являются приоритетными для НИРФИ. В настоящее время стенд для абсолютных измерений в РАО «Старая Пустынь», на котором получены приводимые в диссертации результаты, остался единственным действующим измерительным комплексом для решения задач абсолютных измерений, необходимость которых не вызывает сомнений.

В плане развития и применения радиоастрономических методов в антенных измерениях был разработан метод определения точности изготовления поверхности зеркальных антенн по излучению эталонированных источников [21] и предложено устройство для измерения уровня бокового излучения антенн и фазовой диаграммы корреляционным методом, на которое получено авторское свидетельство [34,64].

Малобазовые радиоинтерферометры со связанными элементами дециметрового и метрового диапазонов длин волн, работающие в режиме апертурного синтеза, создавались при непосредственном участии автора в РАО «Старая Пустынь» [38,39,73,91,92]. До сих пор это единственные в стране инструменты подобного класса, на них решались все приведенные в данной работе задачи. На способ определения поправки к часовому углу радиоисточника с помощью радиоинтерферометра получен патент [37]. Этот способ уникален тем, что позволяет в принципе провести калибровку инструмента по одному источнику в единичном замере [30,78,79].

Практическое применение малобазового радиоастрономического интерферометра для координатных и траекторных измерений ИСЗ в отечественной практике осуществлено впервые [28,32,46,47,51,53]; при этом использовался дифференциальный метод измерений положения ИСЗ относительно дискретных внеземных радиоисточников. Фрагменты траектории полета исследуемых объектов могут определяться в режиме близком к реальному времени.

Метод одновременного определения географических координат и ориентации объекта-потребителя сигналов КНС с помощью бортового интерферометрического комплекса не имеет аналогов [28,47,54,55,82,89].

Существенной особенностью применения радиоинтерферометров для поддержки КНС в сравнении с другими радиотехническими средствами является то, что измерения параметров орбит НИСЗ и навигационных параметров потребителей проводятся по квазишумовым сигналам НИСЗ. Это обстоятельство позволяет использовать работающую КНС при закрытии доступа к кодовой информации, что обеспечивает независимость навигационных интерферометрических комплексов от режима работы КНС [28,80,81,84].

Применение радиоинтерферометра метрового диапазона для контроля состояния среды распространения радиоволн в режиме непрерывной записи сигнала с последующей обработкой (в отличие от режима апертурного синтеза) позволило обнаружить быстропеременные вариации полного электронного содержания ионосферы и рассмотреть варианты использования интерферометров для мониторинга состояния ионосферы, в том числе для повышения точности координатных измерений [27,52,55,56,83].

На радиоинтерферометре дециметрового диапазона проведены наблюдения кратковременных солнечных вспышек («спайков»), показавшие возможность регистрации интерферометрического сигнала от источников спайкоподобных солнечных всплесков миллисекундной длительности [26,45].

Разработки радиоинтерферометрической аппаратуры и ее отдельных подсистем в большинстве случаев имеют специфические особенности, связанные с необходимостью учета как технических характеристик инструментов РАО, так и производственных и финансовых возможностей. В ходе проводимых исследований приобретался опыт работы на интерферометрических инструментах, на основе которого предложены современные разработки по их практическому применению.

Степень обоснованности и достоверность результатов.

Обоснованность полученных результатов обусловлена использованием достижений радиоастрономии, многолетним опытом НИРФИ в решении радиоастрономических, навигационных, антенных, аппаратурных задач с применением математического аппарата радиофизики и астрономии, численных методов и электронно-вычислительной техники.

Достоверность полученных результатов основана на экспериментальной проверке практически всех предложенных разработок, осуществленной, в основном, на инструментальной базе радиоастрономической обсерватории «Старая Пустынь», которая создавалась для развития отечественной радиоастрономии и ее методов, а конкретно, именно для решения большинства поставленных здесь задач.

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных и Всероссийских конференциях по радиоастрономии, радиоастрономической аппаратуре и методам, координатно-временному обеспечению, навигации, астрометрии, солнечно-земным связям, а также на семинарах ряда организаций и РАО России, Украины и Китая, проводящих работы по данной тематике.

По теме диссертации получено 4 патента, опубликовано 17 работ в рецензируемых журналах (по списку ВАК), 18 препринтов и статей в трудах конференций, 27 тезисов докладов на конференциях, 4 рецензируемых методических спецпрактимума для студентов и аспирантов ВУЗов, 5 научно-технических отчетов по госбюджетным и хоздоговорным работам, имеющих номера госрегистрации.

Практическая значимость.

Практическое значение проведенных разработок заключается в следующем. а) Для решения задач радиоастрономии.

- Разработаны и развиты методы и методики прецизионных абсолютных измерений интенсивности источников радиоизлучения с учетом методических, аппаратурных и антенных факторов. Впервые разработаны стандартизованные методика измерений и алгоритм расчета для выбора опорных областей в районе исследуемого источника излучения. Впервые предложен метод измерения поправок на спад интенсивности сигнала измеряемого источника с учетом неточности сопровождения его антенной системой. Рассмотрен алгоритм учета изменения поглощения радиоизлучения в атмосфере для каждого замера радиоисточника.

- Проведены высокоточные абсолютные измерения плотностей потоков радиоизлучения радиоисточников Кассиопея А, Лебедь А, Крабовидная туманность (Телец А) на длинах волн 3,4 и 10,6 см впервые с калибровкой радиотелескопа по двухтемпературному чернотельному эталону. Полученные данные продолжили прерванный в 90-е годы многолетний ряд абсолютных измерений, это позволяет получить новые сведения о годовом уменьшении плотностей потоков радиоизлучения остатков сверхновых звезд и спектральных индексах исследованных источников и служит основой для создания вторичной абсолютной шкалы потоков более слабых радиоисточников.

- Восстановленный в РАО «Старая Пустынь» стенд для абсолютных измерений в настоящее время является единственным рабочим инструментом в данной области техники; результаты, получаемые на нем, имеют приоритетное значение в задачах радиоастрономии и астрофизики.

- Успешные наблюдения коротких солнечных вспышек на малобазовом радиоинтерферометре позволяют расширить методологию исследования Солнца за счет одновременного применения техники как малобазовой интерферометрии, так и РСДБ. б) Для решения задач антенной техники.

- Впервые создан и апробирован в экспериментах двухтемпературный эталон шумового радиоизлучения с нагревом «черных» дисков в термокамерах. Эталон может быть использован для калибровки антенн и радиотехнических устройств как в полевых, так и в лабораторных условиях, так как позволяет взаимно заменять излучатели-диски с разной температурой без изменения общей конфигурации устройства.

- Впервые разработан радиоастрономический метод определения средней погрешности наведения антенны на источник в серии измерений. Метод позволяет оценить качество приводных и следящих систем антенны непосредственно в ее рабочем режиме.

- Разработан и апробирован радиоастрономический метод определения качества изготовления поверхности крупных зеркальных антенн, требующий использования эталонированных радиоисточников-калибраторов. Метод позволяет быстро и достаточно просто измерить интегральное отклонение поверхности зеркала от расчетной величины и оперативно контролировать состояние поверхности после резких внешних воздействий на зеркало антенны без применения таких сложных методов как, например, гол ографический.

- Разработан и апробирован двухчастотный вибраторный облучатель антенн на длинноволновый диапазон. Простая и эффективная конструкция увеличивает возможности антенны, позволяя вести наблюдения одновременно на двух частотах и, соответственно, вдвое сокращая наблюдательное время.

- Предложено устройство для измерения бокового излучения и фазовой диаграммы направленности антенны корреляционным методом. Устройство позволяет упростить измерительный комплекс, заменив опорную антенну вторым (опорным) облучателем. в) Для решения задач радио интерферометрии.

- Метод определения поправки к часовому углу радиоисточника, позволяющий оперативно измерять некоторые геодинамические параметры и проводить калибровку инструмента по одному источнику, достигает максимальной эффективности для инструментов с континентальными и межконтинентальными базами (имеющими максимальное разрешение), когда совместные сектора наблюдения антенн не велики и, в основном, захватывают радиоисточники вблизи момента их кульминации. Наиболее реально в этом случае использование РСДБ (радиоинтерферометров со сверхдлинной базой с независимым приемом), современная техника приема и обработки которых позволяет проводить измерения в режиме близком к реальному времени. Кроме того, данный метод позволяет включать в состав радиоинтерферометров неполноповоротные антенны с большой эффективной площадью (например, типа РАТАН-600), для которых актуальной задачей может быть определение точки отсчета базовой линии и контроль ее положения при переориентировке радиотелескопа, и проводить точные измерения проекций их базовых расстояний.

- Применение радиоинтерферометров для эфемеридной поддержки глобальных КНС может быть осуществлено двумя путями - в составе наземных контрольно-корректирующих станций и навигационных комплексов, измеряющих координаты НИСЗ, и в качестве бортовых комплексов, устанавливаемых на объектах-потребителях сигналов КНС. Использование двухэлементных интерферометров для определения фрагментов траектории полета ИСЗ по измерениям разности фаз принимаемых сигналов имеет ряд специфических особенностей, которые обуславливают использование косвенной координатной информации (для исключения неоднозначности измерения разности фаз) и ее дальнейшее уточнение за счет высокой потенциальной точности фазовых измерений. Малобазовые системы позволяют решить эту задачу практически в реальном времени, что является их существенным преимуществом.

- Разработанный алгоритм одновременного определения местоположения и ориентации объекта дает возможность существенно повысить точность навигационных определений. Особый интерес представляет возможность непрерывного контроля положения объекта, особенно при его быстрых изменениях (качка морских судов, полет самолетов, вращение ИСЗ). В сравнении с известными методами интерферометрический комплекс имеет существенное преимущество за счет прецизионных измерений разности высот приемных антенн.

- Радиоинтерферометрические навигационные системы могут обеспечить независимость работы от кодовой информации, поскольку работают по шумовому сигналу, и значительно ослабляют влияние ионосферных возмущений на трассе распространения радиоволн на конечный результат измерений.

- Радиоастрономические интерферометры дают возможность проводить мониторинг состояния ионосферы, создать объединенную антенну большой площади за счет точной фазировки сигналов разнесенных антенн, проводить высокоточные измерения расстояний на поверхности земли.

- Разработанные элементы приемной аппаратуры малобазовых интерферометров могут быть применены в радиоастрономической технике и интерферометрических навигационных комплексах.

Разработки систем автоматического управления антеннами [67], измерительно-вычислительных комплексов на базе ЭВМ различных поколений [50,62], методик измерений параметров антенн и радиоинтерферометров [41,79], математического и программного обеспечения измерений [50, 91], баз данных для радиоастрономических задач [43,63,75] могут быть полезны в практической работе различных групп исследователей, занимающихся не только радиоастрономической тематикой.

Личный вклад.

В выполненных с соавторами работах автору принадлежат идеи методов и функциональных параметров устройств, постановка задач, проведение экспериментов, выбор численных методов решения, анализ и формулировка результатов. Большой объем экспериментальных работ и тестирования аппаратурных разработок не мог быть выполнен без поддержки специалистов различного профиля, на долю которых выпали такие работы, как составление программ, численный счет, участие в экспериментах, обработка данных измерений, обсуждение результатов, конструкторские решения, разработка принципиальных схем субблоков аппаратуры и подсистем разработанных измерительных комплексов.

Содержание работы.

Основные результаты работы изложены во введении, трех главах, приложениях и заключении.

Первая глава посвящена радиоастрономическим методам высокоточных измерений излучения дискретных радиоисточников, основной целью которых является достижение предельных точностей и, таким образом, завершение разработки предложенного в НИРФИ метода абсолютных измерений с калибровкой антенн по «черным» дискам.

В разделе 1.1.1. рассмотрены способы достижения предельной точности калибровки радиотелескопов по методу «черного» диска.

Основным усовершенствованием калибровочного стенда для абсолютных измерений методом «черных» дисков, которое позволило существенно повысить точность калибровки, является применение двух чернотельных излучателей с разной температурой. Осуществление этой идеи наталкивалось на определенные технические трудности. Применение для получения равномерной температуры охлаждения шумового чернотельного излучателя жидким азотом, кроме сложности и дороговизны эксплуатации, приводит к существенным ошибкам из-за неопределенности коэффициента отражения охлаждаемых стенок термокамеры (поглощение в материале стенок, наличия конденсата из-за большого перепада температур и т.д.). Наиболее удобным в реализации представлялось нагревание диска до безопасных температур. Была разработана и создана конструкция двухтемпературного эталона, включающая термокамеры специальной формы с «черными» дисками и опорно-поворотные механизмы для замены дисков в луче неподвижной антенны без изменения общей конфигурации системы. В п. 1.1.2 дано обоснование принципа работы и подробно описана конструкция двухтемпературного эталона шумового радиоизлучения.

В п. 1.1.3 исследованы характеристики эталона и проведена оценка эффективности его работы. Рассмотрены способы измерения средней температуры нагреваемого диска с погрешностью в десятые доли градуса, приведены результаты измерения распределения температуры по апертуре диска, выполненные с помощью инфракрасного термометра и радиозондов на рабочих частотах. Исследовалось распределение температуры по диску при различных марках радиопоглощающего материала при продувании его потоком нагретого воздуха. Показано, что для данной конструкции эталона возможно измерение средней температуры с требуемой точностью (0,1°-0,3°), но в практическом применении на открытом воздухе при жестком графике калибровок в процессе проведения экспериментов рассмотренные методы неудобны.

Для оперативной калибровки в условиях реального эксперимента был разработан способ измерения разности температур дисков эталона, использующий дополнительные измерения сигнала от фона за диском. Кроме того, показано, что использование двух дисков с разной температурой позволяет измерить дифракционную температуру, которая при традиционной методике рассчитывалась, исходя из параметров системы антенна-диск.

В п. 1.1.4 приведены результаты абсолютных измерений плотностей потоков радиоизлучения ОСН Кассиопея А и Телец А и радиогалактики Лебедь А на частотах 2829 и 8834 МГц при применения двухтемпературного эталона для калибровки радиотелескопа. Проведены анализ способов достижения предельных точностей и оценка точности измерений в зависимости от влияния таких факторов как нестабильность поглощения в атмосфере, неточности наведения антенны на источник, величины сокращения дальней зоны антенны при фокусировке на диск и т.д.

Анализируются результаты измерений 2002-2005 годов, по данным многолетних измерений определены величины годового уменьшения потока ОСН Кассиопея А и Телец А, приведен анализ ошибок, которые могут возникать при абсолютных и относительных измерениях интенсивности радиоисточников разными группами исследователей. Дан анализ возможности обнаружения кратковременных вариаций потоков ОСН. Получено, что величина годового уменьшения потока Кассиопеи А в см-диапазоне определяется с погрешностью около 10% и достаточно близка у разных авторов. Эта же величина для Тельца определяется с большими ошибками и сильно зависит от погрешности последних (в данном случае наших) измерений. Для получения более достоверных данных о переменности (как долговременной, так и кратковременной) излучения ОСН, несущей информацию о характере взрывных процессов, необходимо проведение в течение нескольких лет измерений с погрешностью не хуже 1%, что предполагается сделать на основе опыта данной работы.

В разделе 1.2 рассматривается метод учета неоднородности фонового излучения при измерениях интенсивности радиоисточников. Специфической особенностью измерений интегральной интенсивности радиоизлучения дискретных радиоисточников является определение приращения антенной температуры при последовательном наведении диаграммы направленности (ДН) антенны на источник и в опорную область, распределение радиояркости космического излучения в которой предполагается идентичным распределению фона вокруг источника. Очевидно, что невыполнение этого условия приводит к значительным ошибкам определяемой интенсивности космических радиоисточников. Особенно существенным является вопрос о выборе опорных областей при измерениях с антеннами, имеющими широкие ДН, и в дециметровом - метровом диапазонах длин волн, где распределенное космическое излучение крайне неравномерно. Для решения этой проблемы был разработан и апробирован специальный метод измерения и обработки результатов, который позволяет свести к минимуму погрешности определения величин радиоконтрастов за счет корректного учета окружающего источник фонового излучения, а также стандартизировать процедуру измерений и обработки данных.

Суть предлагаемого метода заключается в проведении наблюдений длительностью около полусуток для получения зависимости температуры фонового излучения от часового угла источника и в дальнейшем нахождении поправочных коэффициентов, при умножении на которые значений измеренных приращений антенной температуры получаем искомое значение сигнала от источника, а также координаты опорных областей, где фоновое излучение, усредненное по ДН данной антенны, равно фону за источником. Искомый результат определяется варьированием двух неизвестных параметров при поиске минимума дисперсии среднего значения сигнала от источника.

Рассмотрены два варианта решения задачи - с использованием радиокарт для расчета поправочных коэффициентов и нахождение их из измеренных зависимостей фонового сигнала от времени. Оба способа дополняют друг друга, поскольку из результатов экспериментов по измерению сигналов от четырех наиболее мощных радиоисточников на разных антеннах получено, что возможны неоднозначные решения в зависимости от характера распределения фона вокруг источника.

Во второй главе объединены радиоастрономические методы и устройства, часть из которых разрабатывалась для решения задачи достижения предельной точности радиоастрономических измерений, но они имеют более широкий характер и могут применяться в антенной технике вообще.

В п.2.1 рассмотрен метод определения точности наведения антенны на источник излучения по данным серии радиоастрономических наблюдений. Точность наведения антенны в заданную точку пространства и ее изменения в процессе слежения за источником излучения является одним из важнейших показателей эффективности работы крупных зеркальных антенн. Критерием качества работы следящих систем служит суммарная ошибка наведения, которая является функцией времени, зависит от параметров системы сопровождения и характеристик управляющих и возмущающих сигналов, действующих на систему в процессе слежения. Очевидно, что средняя суммарная ошибка определяет потери сигнала в процессе проведения измерений интенсивности излучения выбранного источника.

Для точного расчета спада сигнала из-за погрешности слежения антенны за источником была исследована возможность определения точности сопровождения по данным радиоастрономических наблюдений, т.е. возможность непосредственного контроля качества работы системы слежения по сигналам, регистрируемым в процессе проведения радиоастрономических измерений.

Положения, на которых основаны данные исследования, следующие: при сопровождении антенной источника из-за качания главного лепестка диаграммы направленности относительно центра источника, обусловленного неидеальной работой приводных систем, дисперсия результирующего сигнала должна быть больше дисперсии сигнала при наблюдении опорной области, а распределение измеренных точек относительно среднего значения должно быть несимметричным.

Было проведено математическое моделирование задачи - рассчитаны амплитуда сигнала от источника, ее дисперсия и гистограммы распределения точек относительно среднего в зависимости от ошибки наведения, величины разъюстировки облучателя, угловых размеров источника и соотношения сигнал/шум. Моделирование велось для реальных значений ширины диаграммы направленности и указанных выше параметров при наблюдениях Солнца и радиоисточников Телец А и Кассиопея А. Показано, что для точечного источника при увеличении ошибки сопровождения дисперсия сигнала сильно растет, а распределение резко несимметрично. Эти особенности нивелируются при уменьшении отношения сигнал/шум и уширении источника.

Эксперимент проводился на двух частотах. Для оценки точности сопровождения антенны РТ-7 были проведены специальные измерения по Солнцу с разъюстировкой по азимуту 15' на волне 3,4 см и 22' на волне 10.6 см. Методика измерений точно соответствовала методике измерения сигналов от дискретных источников с отведением антенны по азимуту в обе стороны с тем же временем сопровождения. Получено, что средняя ошибка наведения определяется по дисперсии, которая является наиболее точным критерием; также достаточно точно характеризует величину ошибки наведения ширина гистограммы, а ее форма при стандартном числе замеров менее информативна. По величине дисперсии и характеру распределения измеренных значений относительно среднего получено, что среднеквадратичная величина ошибки сопровождения антенны РТ-7 по азимуту в серии измерений равна 0',8 с погрешностью 0',2, причем данные на двух частотах достаточно близки. Последнее обстоятельство указывает на то, что метод эффективен не только на предельных рабочих частотах, когда ширина ДН антенны сравнима с точностными параметрами приводных систем, а может применяться для исследования точности наведения антенны на ее действующих частотах.

В п.2.2 представлена конструкция двухчастотного вибраторного облучателя и результаты экспериментальной проверки параметров облучателя для радиотелескопов на частоты 490-730 МГц.

Современный радиотелескоп при решении ряда радиоастрономических и прикладных задач должен обеспечивать проведение одновременных радиометрических наблюдений на различных частотах, что существенно повышает информативность и сокращает время исследований. Наибольшие технические трудности возникают при проектировании многодиапазонных облучателей, совмещенных в едином фазовом центре и имеющих необходимую частотную и поляризационную селективность. В ходе работ по абсолютным измерениям плотностей потоков радиоизлучения внеземных источников в дециметровом и метровом диапазонах длин волн была предложена одна из возможных реализаций двухчастотного вибраторного облучателя дециметрового диапазона волн, который применяли для приема неполяризованного космического радиоизлучения.

Принцип создания двухчастотной дипольной антенны заключается в поляризационной развязке каналов, для чего рефлектор на одну из рабочих частот делается в виде решетки с определенным шагом. Совмещение фазовых центров, необходимое для работы в качестве облучателя антенны с выраженным фокусом, достигается смещением одного из вибраторов.

Испытания двухчастотной вибраторной антенны проведены на радиотелескопе РТ-7. Показано, что облучатель с взаимно ортогональными вибраторами, работающими на различных частотах с дисковым и решеточным рефлекторами, имеет характеристики, аналогичные характеристикам одиночного облучателя, работающего на каждой из частот, т.е. взаимное влияние элементов системы пренебрежимо мало.

В п.2.3 рассмотрен радиоастрономический метод определения точности изготовления поверхности зеркал крупных антенн, использующий при измерениях точные значения плотностей потоков радиоизлучения источников-калибраторов. Необходимость разработки такого метода возникла в связи проводимыми в НИРФИ работами по созданию облегченных конструкций антенн, основанных на новых принципах построения поверхности зеркала. Конструкция была названа вантово-стержневой, поскольку каркас зеркала изготовлялся из легких стержней, а форма поверхности из легких тканей или сетки обеспечивалась притяжением выбранных узлов в расчетные точки с помощью тросов-вант.

Одной из основных проблем при исследовании параметров нового зеркала было определение точности изготовления его поверхности, поскольку эта характеристика являлась определяющей при оценке эффективности новых решений. Механические замеры отклонения опорных точек крепления вант к отражающей сетке не давали требуемой точности из-за небольшого числа измеряемых точек (относительно общей площади зеркала) и невысокой точности измерительных инструментов.

Для решения этой задачи был применен метод, в основе которого лежит точная калибровка интенсивности излучения радиоисточников, применяемых в наблюдениях, в широком диапазоне длин волн (данные работы регулярно проводятся в НИРФИ, в том числе и автором диссертации). Искомый параметр определяется по результатам измерений коэффициента использования поверхности (КИП) зеркала на нескольких частотах, охватывающих широкий диапазон вплоть до предельных расчетных рабочих частот. Наибольшая точность измерений достигается при использовании значительного числа измерений (> 5) с облучателями, дающими одинаковое амплитудное распределение поля по апертуре антенны, что не всегда достаточно просто реализуется, особенно, на крупных антеннах. Для увеличения числа рабочих частот были применены способы измерений с сильной отстройкой облучателей и последующим расчетом поправочных коэффициентов к КИП по измеренным параметрам (ширине ДН).

Измерение интегрального среднеквадратичного отклонения поверхности вантового радиотелескопа РТВС-12 от расчетных величин проводилось для разных материалов, формирующих поверхность, и позволило без существенных затрат получить реальные данные об эффективности подобных методов создания зеркальных антенн.

С помощью предлагаемого метода контроль погрешности изготовления поверхности антенн может проводиться регулярно (после различных экстремальных нагрузок на зеркало) благодаря его простоте и эффективности.

В п.2.4 рассмотрено устройство для измерения ДН зеркальных антенн корреляционным методом. При вводе в постоянную эксплуатацию в РАО «Старая Пустынь» радиоинтерферометра дециметрового диапазона стало возможным проведение на нем исследовательских работ по измерению диаграмм направленности приемных антенн корреляционным методом ("метод Смита"). Приемная аппаратура интерферометра позволяла контролировать параметры инструмента и электрическую длину кабельных трасс с высокой точностью и длительное время, достаточное для проведения измерений ДН в широком секторе углов.

Недостатком применения интерферометра с большой базой является то, что его диаграмма направленности представляет собой быстроосциллирующую функцию угла между вектором базы и направлением на космический источник. Кроме того, для измерения бокового излучения и фазовых характеристик ДН одиночной антенны необходимо фактически заново создавать радиоинтерферометр.

Было предложено применять корреляционный метод измерения ДН антенн без второй антенны, создавая канал опорного сигнала установкой в районе фокуса антенны второго облучателя, передвигаемого по определенному закону при слежении за источником излучения. Была разработана конструкция системы движения облучателя и структурная схема аппаратуры для измерения боковых лепестков ДН крупных антенн со вторым опорным облучателем. На данное устройство получено авторское свидетельство на изобретение.

Далее рассматриваются методы и устройства, созданные для решения различного класса задач как на самих радиоинтерферометрах, так и на основе техники радиоинтерферометрии.

В РАО НИРФИ «Старая Пустынь» под руководством или при непосредственном участии автора были разработаны и введены в действие единственные в отечественной практике двухэлементный интерферометр дециметрового диапазона, как элемент системы апертурного синтеза, и трехэлементная система апертурного синтеза метрового диапазона. Созданные инструменты имеют следующие параметры:

Радиоинтерферометр дециметрового диапазона:

-— антенны параболические полноповоротные с диаметром зеркал 7 м; расстояние между антеннами 417 м, ориентация базы близка к линии Восток-Запад; рабочая частота 540 МГц; приемник корреляционный супергетеродинный с квадратурным выходом с двойным преобразованием частоты, выполненный по смешанной одно-двухполосной схеме, полоса частот 5,5-10 МГц, первая промежуточная частота 60 МГц, вторая -2,5 (5) МГц; первое преобразование частот - однополосное с подавлением зеркального канала фильтром, второе преобразование - двухполосное с сохранением обоих каналов приема; чувствительность 0,3 К при постоянной времени 1 с, чувствительность по потоку ~ 40 Ян; погрешность системы фазовой калибровки порядка 2-3°; эквивалентное угловое разрешение 5" при ошибке измерения фазы 5° (имеется в виду минимальное изменение одной из координат источника излучения при указанном изменении разности фаз принимаемых сигналов).

Радиоинтерферометры метрового диапазона: антенны параболические полноповоротные с диаметром зеркал 14 м; расстояние между антеннами 15-130 м, ориентация баз близка к линии Восток-Запад; рабочая частота 152 МГц; приемник четырехканальный корреляционный супергетеродинный с квадратурным выходом (по схеме, аналогичной приемной системе дециметрового диапазона), полоса частот 2 МГц, первая промежуточная частота 45 МГц, вторая - 2 МГц; чувствительность 0,7 К при постоянной времени 1 с; погрешность системы фазовой калибровки порядка 2°; эквивалентное угловое разрешение 40" при ошибке измерения фазы 2°.

В течение ряда лет на этих радиоинтерферометрах отрабатывалась техника создания приемной аппаратуры (в том числе цифровые варианты корреляторов и линий задержки), систем и методов фазовой калибровки, проводилась автоматизация дистанционного управления антеннами и приемной аппаратурой, отрабатывались варианты измерительно-вычислительных комплексов на базе ЭВМ различных поколений. Для работы с интерферометрами разрабатывались математическое и программное обеспечение как для съема и первичной обработки данных, так и для решения различных научных и прикладных задач, были составлены каталог радиоисточников и база данных (в печатном и электронном виде) для антенных и интерферометрических измерений, учитывающие особенности технических характеристик небольших инструментов.

При вводе интерферометров в действие большое внимание уделялось калибровке -определению таких параметров, как величины проекций базы, координаты места установки, дефекты монтажа антенн. Исходя из возможностей инструментов, модернизировались известные способы калибровки и разрабатывались новые, позволявшие проводить оперативный контроль состояния инструмента по одному-двум источникам. Модификации этих методов позволяют проводить прецизионные геодезические измерения (измерять географические координаты реперных точек на поверхности земли и расстояния между ними), а также траекторные, координатные и навигационные измерения космических аппаратов и ИСЗ.

В середине 90-х годов на интерферометре дециметрового диапазона проведены исследования кратковременных солнечных вспышек ("спайков"), показавшие реальную возможность регистрации интерферометрического сигнала от источников спайкоподобных солнечных всплесков миллисекундной длительности.

В третьей главе и Приложениях рассмотрены методы и устройства, которые были созданы для эффективной эксплуатации интерферометров РАО и в большинстве своем апробированы на них.

В п.3.1 рассмотрен способ определения поправки к часовому углу радиоисточника с помощью двухэлементного радиоинтерферометра. Данная задача является продолжением исследований по разработке методов калибровки интерферометров по одному-двум источникам и методик уточнения долготы центра базы, как один из подходов к решению ряда геодинамических задач.

Определение величины поправки часового угла источника и одной из проекций баз интерферометра основано на записи сигнала точечного радиоисточника в небольшом временном интервале вблизи его кульминации tM), либо при tstn/2, с последующей обработкой, включающей подбор параметров базы, при которых точно определяется момент кульминации. Принципиальной особенностью этого способа является то, что искомые параметры могут быть определены в единичном замере за короткие промежутки времени. Исходными данными для получения результата являются измеренные разности фаз, что предполагает использование двухканальной приемной аппаратуры; однако, рассмотрен и вариант применения метода для интерферометра с одноканальным приемником.

Для апробации метода была проведена серия наблюдений тринадцати радиоисточников различной интенсивности в момент их кульминации при длительности записи 3-4 минуты на интерферометре дециметрового диапазона. Чтобы оценить эффективность метода, требовалось отработать алгоритмы обработки данных, определить погрешности измерений, разработать оптимальный режим наблюдений. Оценка результатов проводилась при сравнении их с данными калибровки интерферометра, выполненной стандартным методом при наблюдении восьми точечных радиоисточников, в результате которой определялись значения проекций базы. Для контроля достоверности результатов использовались данные геодезической привязки долготы центра базы инструмента, погрешность которой равнялась 0s, 5. Экспериментально достигнута погрешность определения поправки часового угла: ~ (0.006-^0.04 )-Тинт (периода интерференционной картины), погрешность определения наибольшей проекции базы -единицы миллиметров (относительная погрешность определения максимальной проекции базы нашего инструмента ~ 10~5).

Показана возможность применения варианта данного метода калибровки для радиоинтерферометров с одноканальным приемником при наблюдении мощных радиоисточников, когда на выходе приемника обеспечивается отношение сигнал/шум > 3. Максимальной эффективности предложенный метод достигает при калибровке интерферометров с неполноповоротными антеннами с большой эффективной площадью например, типа РАТАН-600, для которых актуальной задачей может быть определение точки отсчета базовой линии и контроль ее положения при переориентировке радиотелескопа) или для инструментов с континентальными и межконтинентальными базами, когда совместные сектора наблюдения антенн не велики и, в основном, захватывают радиоисточники вблизи момента их кульминации. Наиболее реально в этом случае использование РСДБ, для которых применение данной методики наиболее эффективно при передаче данных на пункт обработки в реальном времени.

Приоритет автора на данный метод калибровки интерферометров закреплен патентом на изобретение.

В п. 3.2 рассматриваются вопросы применения радиоастрономического двухэлементного радиоинтерферометра для траекторных и координатных измерений.

Наиболее актуальной является разработка метода определения координат источника излучения с помощью одного двухэлементного интерферометра В этом случае предпочтителен и логичен вариант уточнения положения КА при использовании орбитальных параметров, даваемых радиотехническими системами слежения, поскольку отпадает необходимость решения проблемы неоднозначности 2л в измеряемой фазе сигнала.

Рассмотрена возможность применения двухэлементного радиоинтерферометра для координатных измерений в предположении, что движение источника излучения равномерно в течение сеанса измерений, т.е. приращения его координат можно представить аналитическими функциями (полиномами 1-3-й степени). Было проведено математическое моделирование задачи, показавшее особенности работы алгоритма расчетов и потенциальную точность метода. Результаты применения данной методики в реальном эксперименте получены по НИСЗ типа «Цикада» («Транзит») на частоте 152 МГц.

Оценки возможностей использования интерферометров в навигации показывают, что радиоинтерферометрический комплекс позволяет следующее. (За исходную оценку точности измеряемых угловых координат КА принята величина 0",1, при высоте аппарата над поверхностью Земли 20000 км это соответствует линейной погрешности 10м). а) Проводить измерения угловых координат излучающего объекта; при этом: а X <Р

- минимальная погрешность измерения углов <jq оценивается как оq ~ ^ ^ , где Op - погрешность измерения разности фаз, определяемая чувствительностью системы и уровнем принимаемого сигнала, Х- длина волны, В - база интерферометра; неточное определение X и В обусловит, в основном, систематические погрешности измеряемых углов;

- при уровнях сигналов НИСЗ на поверхности земли более 160 ДбВт ар составит единицы градусов (< 5°) даже при небольших приемных антеннах, значение cr9 ~ 1° можно считать предельно возможным из-за шумов аппаратуры, ионосферы, помеховой обстановки и точности системы фазовой калибровки, обычно ограниченной величиной 2°-ьЗ° при нежестких требованиях радиоастрономических наблюдений;

- на рабочих частотах КНС «ГЛОНАСС» и среднеквадратичном отклонении <т<р порядка 1°-ь2° за время 1+2 мин (50-100 замеров) при заданной погрешности определения направления на объект ~ 0",1 базовые расстояния интерферометрического комплекса должны быть в пределах 1-й,5 км; для достижения погрешности ~ 0",01 (линейная погрешность 1 м) базовые расстояния интерферометрического комплекса должны быть 10+15 км;

- для получения полной информации о положении НИСЗ необходимо измерить дальность до КА радиотехническими средствами или измерять направление на источник одновременно с 2-3 пунктов. б) Радиоинтерферометр определяет истинное направление на объект, поскольку регулярная рефракция не влияет на разность фаз принимаемых антеннами сигналов; влияние атмосферы подавляется тем сильнее, чем меньше базовые расстояния между антеннами. в) Первый отсчет углового положения на комплексе из двух интерферометров с примерно ортогональными базами теоретически может быть получен в реальном времени. Практически необходимо время для записи и обработки сигнала, а также накопление его в течение нескольких минут для уменьшения погрешности измерения фазы до предельного минимума и исключения случайных ошибок; т.о. время получения первого отсчета составит 1+10 минут в зависимости от условий приема сигнала, оптимальности программного обеспечения и быстродействия ЭВМ. Определение участков траектории ИСЗ одним двухэлементным интерферометром ведется после пролета КА угловых расстояний ~ 10°+20°, что определяется алгоритмом последующей обработки. Для низкоорбитальных ИСЗ это время также составит 1+10 минут, что достаточно и для уменьшения ор, и для вычисления отрезка траектории полета.

В п.3.3 рассмотрен не имеющий аналогов способ измерения местоположения объекта и его ориентации бортовым радиоинтерферометрическим комплексом. В данном случае решена задача одновременного высокоточного определения и географических координат (местоположения), и ориентации объекта по сигналам навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) с известными координатами с целью определения направления движения. Принцип определения только ориентации объектов по сигналам НИСЗ с помощью фазоизмерительных систем известен. В целях сокращения времени получения данных о положении объекта, упрощения аппаратурного комплекса и методик измерения оптимальным решением является применение комплекта аппаратуры, измеряющего набор параметров сигналов НИСЗ, по которым восстанавливается информация как о положении, так и об ориентации объекта потребителя.

Задача применения радиоинтерферометрических комплексов (два-шесть интерферометров, расположенных на объекте, с различными по величине и направлению базами) для одновременного нахождения местоположения и ориентации объектов-потребителей решается для двух интерферометров при измерении только разностей фаз квазишумовых сигналов не менее, чем от трех НИСЗ одновременно (или квазиодновременно). Соотношения для расчета искомых параметров имеют достаточно простой аналитический вид при расположении антенн интерферометров в одной плоскости. Эффективность алгоритма и погрешности измерения искомых параметров оценены методом математического моделирования. При заданном положении трех НИСЗ с широким разнесением в видимой небесной полусфере рассчитывались соответствующие разности фаз для системы из двух интерферометров с ортогональными базами и по приведенным алгоритмам были получены точные значения координат места и ориентации приемного комплекса. Оценки показывают, что погрешность определения координат местоположения находится в пределах нескольких сантиметров, а погрешность определения азимута для длины баз 100Л (около 20метров) не более 10 угловых минут.

Исследовалась точность измерений Z — проекций баз (высоты), определение которых позволяет проводить измерения, кроме угла курса, также и углы крена и дифферента объекта. Данная задача наиболее важна, поскольку применяемые системы не дают высокой точности измерений высот объектов.

Кроме того, измерения с помощью интерферометров проводятся по квазишумовому фазоманипулированному сигналу ИСЗ и не зависят от кодовой информации, что, в принципе, позволяет использовать КНС в закрытом режиме работы.

В п.3.4 рассмотрено радиоинтерферометрическое устройство - схема формирования синфазных сигналов радиоинтерферометра со сверхвысокой промежуточной частотой.

Проблема конструирования систем формирования синфазных высокочастотных напряжений в разнесенных пунктах являлась одной из основных в процессе разработки сложных радиоинтерферометрических инструментов и систем апертурного синтеза, поскольку без принятия соответствующих мер по компенсации нестабильности электрических длин передающих трактов получить требуемую точность фазовых измерений не представлялось возможным.

В рассматриваемой схеме предлагается совместить тракты формирования синфазных гетеродинных напряжений и тракт первой промежуточной частоты, которая становится сравнимой по величине с рабочей частотой инструмента, то есть используется сверхвысокая промежуточная частота. Аппаратурная разработка апробировалась на лабораторных макетах.

Данная схема организации канализирующих трактов подавляет фазовые флуктуации принимаемого сигнала в п > 10 раз (отношение первой и второй промежуточных частот). К ее преимуществам можно также отнести:

1) уменьшение частоты гетеродина примерно в 2 раза в сравнении с традиционной схемой и, следовательно, снижение требований к затуханию (длине) передающих трасс;

2) уменьшение числа передающих трасс одного плеча интерферометра в пределе до одной (не считая системы фазовой калибровки),

3) отсутствие местных гетеродинов, синхронизируемых от опорных генераторов; фазовые флуктуации полезного сигнала, обусловленные неидентичностью передающих трактов, воспринимаются в центральном пункте на низкой второй промежуточной частоте.

Применение в качестве основы аппаратуры потребителей (АП) КНС данной схемы формирования синфазных напряжений на нескольких антеннах бортового интерферометрического комплекса, например, на ИСЗ, самолетах и небольших судах (базы от единиц до нескольких десятков метров) на рабочих частотах КНС («1600 МГц) позволит передавать сигнал гетеродина (и 800 МГц) прямо к антеннам без дополнительного усиления. Современная СВЧ техника позволяет провести качественную развязку сигналов близких частот, что даст возможность применять один передающий тракт для частоты гетеродина и промежуточной и, в принципе, отказаться от системы фазовой калибровки, значительно упростив и удешевив АП.

В п.3.5. рассматриваются вопросы применения радиоинтерферометров для мониторинга состояния ионосферы. Известно, что ионосферные неоднородности оказывают существенное влияние на работу радиоинтерферометра, вызывая флуктуации фазы и амплитуды выходного сигнала при неидентичных условиях распространения радиоволн на лучах зрения каждой из антенн. Влияние этих неоднородностей таково, что системами апертурного синтеза наблюдения источников на высотах, меньших 20°, обычно не проводятся, а для повышения точности калибровки инструмента радиоисточники наблюдаются длительное время с последующим усреднением данных. При этом дисперсия измеренных параметров может служить показателем состояния среды распространения радиоволн. Однако, если исследовать вариации измеряемой разности фаз поступающих в антенны сигналов за короткие промежутки времени, то можно сделать более глубокие выводы о характере происходящих в ионосфере процессов.

Методика радиоинтерферометрических измерений для контроля активности ионосферы достаточно проста: интенсивный радиоисточник наблюдается непрерывно в течение длительного времени. При обработке результатов наблюдений исключаются регулярные изменения разности фаз, вызванные факторами, связанными с аппаратурными эффектами и ошибками в задании исходных параметров инструмента. Отклонения остаточной разности фаз от постоянной величины несут информацию об ионосферных возмущениях.

Эффективность такого метода исследования ионосферы была экспериментально проверена на инструментах РАО. На частоте 540 МГц (в режиме апертурного синтеза с временем усреднения ЗО-бОсекунд по источнику Лебедь А) наблюдались волнообразные возмущения фазы с периодом около 50 минут, характерным для среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений, которые являются следствием прохождения среднемасштабных внутренних гравитационных волн через ионосферу. На частоте 152 МГц на интерферометре метрового диапазона велась запись в память ЭВМ полного массива информации с выборкой каждую секунду и последующей обработкой данных. В большом числе записей при наблюдениях источников Кассиопея-А и Лебедь-А отмечены быстропериодические (за время 15-30сек.) изменения разности фаз с амплитудой до 5°-15°.

Полученные результаты экспериментальных исследований ионосферы с помощью радиоастрономических интерферометров дают основания сделать вывод о возможности применения подобных инструментов для мониторинга волновой активности ионосферы.

В п.3.6 рассмотрены вопросы применения радиоинтерферометрической техники для решения задачи суммирования площадей разнесенных антенн с целью получения антенны большой эффективной площади. Результаты проведенных экспериментов позволяют разработать схемы сложения сигналов разнесенных антенн, в частности трех 14-метровых антенн системы апертурного синтеза РАО «Старая Пустынь» для получения объединенной антенны с эффективной площадью, эквивалентной антенне с диаметром зеркала порядка 25 м.

В п.3.7 рассмотрены разработки радиоинтерферометрических методов и устройств для решения таких задач, как определение координат центра базы мобильных интерферометрических систем и высокоточное определение расстояний на поверхности земли.

В Приложении 1 подробно описан алгоритм обработки данных при определении фрагмента траектории полета ИСЗ двухэлементным радиоинтерферометром. Приводятся результаты измерений сигналов НИСЗ типа «Цикада» на частоте 152 МГц и данные обработки, полученные на интерферометре метрового диапазона РАО «Старая Пустынь».

В Приложении 2 дано краткое описание факторов, влияющих на точность измерения разности фаз сигналов, принятых радиоинтерферометром, и рассмотрены варианты систем фазовой калибровки многоэлементных интерферометров, необходимых для достижения высокой точности фазовых измерений и разработанных на основе опыта эксплуатации инструментов РАО.

В Приложении 3 приведено описание каталога внеземных радиоисточников для антенных и интерферометрических измерений, созданного для решения ряда задач антенной техники и радиоастрономии. Даны: список 119 источников каталога, структура представления данных о характеристиках объектов и пример оформления материала.

В Заключении обобщены основные результаты, полученные в диссертации, и приводятся результаты, выносимые на защиту.

Работа выполнена при содействии сотрудников нескольких отделов и лабораторий НИРФИ (Галактической и внегалактической радиоастрономии профессора В.А.Разина, Прикладной радиоастрономии профессора Н.М.Цейтлина, Конструкторского отдела И.В.Мосалова и др.) и при финансовой поддержке ЦУП ЦНИИМАШ, ОКБ МЭИ, ЦНИИ «Комета», РНИИ КП, грантов РФФИ и МНТЦ. Автор выражает искреннюю благодарность соавторам своих научных работ, друзьям и коллегам по работе за неоценимую помощь и поддержку.

Автор особо благодарен за тесное сотрудничество уже ушедшим от нас Н.М.Цейтлину, А.А.Романычеву, Д.А.Дмитренко, И.В.Мосалову, В.Т.Корелову, Н.В.Бахареву, В.А.Алексееву, Б.Н.Липатову.

I. Методы и устройства для повышения точности радиоастрономических измерений

Выводы.

Сформулируем основные результаты исследований влияния ионосферных неоднородностей на выходной сигнал радиоинтерферометра на инструментах РАО:

1.При использовании ежесекундной регистрации разности фаз сигналов, принимаемых элементами интерферометра, были зарегистрированы квазипериодические изменения А(р с амплитудой ~ 0,1 рад и периодом 15-30 сек. Данное обстоятельство крайне важно для оценки и прогноза величины погрешности фазовых измерений при решении координатной и навигационной задач интерферометрическими комплексами, где характерное время измерений составляет одну-три минуты.

2. Сделаны оценки параметров неоднородностей, вызывающие быстропериодические вариации &<р.

3. Получено, что при размерах неоднородностей, существенно превышающих базу радиоинтерферометра, амплитуда вариаций А(р не зависит от размера неоднородностей, а определяется величиной вариации электронной концентрации, вызванной неоднородностью, степенью её вытянутости и геометрией сечения неоднородностей лучом зрения. Это открывает перспективы использования радиоинтероферометрических измерений для дистанционных измерений величины возмущения электронной концентрации ионосферы. В работе [191] также сделан вывод о том, что сочетание радиоинтерферометрических наблюдений с измерениями ПЭС при помощи специализированных ИСЗ (типа NNSS) дает уникальную возможность для изучения пространственных характеристик ионосферных неоднородностей.

4. Сделаны оценки оптимальных параметров радиоинтерферометра для ионосферных измерений.

Радиоинтерферометрические и фазометрические системы применяются для исследований ионосферы в ИСЗФ СО РАН [192-198]. Результаты проведенных экспериментальных исследований ионосферы с помощью радиоастрономических интерферометров подтверждают возможность и эффективность применения подобных инструментов для мониторинга волновой активности ионосферы.

3.6. Применение техники радиоинтерферометрии для суммирования площадей разнесенных антенн.

3.6.1. Теоретическое обоснование получения антенны большой эффективной площади

Если не рассматривать системы апертурного синтеза, то суммирование сигналов разнесенных антенн до настоящего времени применялось, главным образом, при приеме узкополосных сигналов специальной формы от космических аппаратов (КА), находящихся на далеких от земли орбитах (см. например, [171]), для увеличения дальности приема. Здесь также будем придерживаться рассмотрения приема сигналов КА.

В процессе выполнения совместных работ с предприятиями, владеющими крупными антенными комплексами в Уссурийске и в Евпатории, была проведена разработка блок-схемы и процедуры суммирования сигналов разнесенных антенн для получения антенны большей эффективной площади [28, 47, 74, 96].

Проблема суммирования сигналов двух или нескольких разнесенных антенн заключается, главным образом, в решении задачи передачи сигналов с малыми потерями и точной их фазировки. В то же время, проблема определения положения КА состоит в точном измерении задержки (или разности фаз) сигналов от двух антенн, то есть эти две задачи сводятся к различным способам обработки выходного сигнала фазоизмерительного инструмента, каковым и является интерферометр со связанными элементами (РИСЭ). Разработаны также схемы суммирования сигналов приемных пунктов РСДБ.

Общим для двух возможных схем сложения сигналов (РИСЭ и РСДБ) можно считать то, что суммирование производится на наименьшей промежуточной частоте в реальном времени, составляющие суммарного сигнала не хранятся из-за слишком большого потока информации, выделение символьной информации производится на каждой из антенн или группы антенн в отдельности - эта информация записывается, хранится и используется для контроля сбойных или помеховых ситуаций, причем вся процедура проводится в штатном режиме работы одиночных пунктов приема информации сКА.

Сложение сигналов по высокой частоте предопределяет то обстоятельство, что оценки выигрыша необходимо делать для коррелированных напряжений полезных сигналов, пропорциональных по амплитуде диаметру приемных антенн, и некоррелированных шумов двух идентичных аппаратурных каналов, то есть считаем .для упрощения шумы трактов равными. Тогда полезный сигнал можно представить в виде суммы напряжений (Е]+Е2) = 2Е при одинаковых диаметрах антенн, а шумы как л](of +02) = о"л/2, где с? - дисперсия шума. Таким образом, на выходе сумматора отношение сигнал/шум (ОСШ) будет превышать ОСШ одной антенны в раз, где N -число антенн, которые считаем идентичными. При последующем квадратичном детектировании мощность суммарного сигнала будет в N раз больше одиночного, то есть происходит сложение эффективных площадей антенн. Однако, поскольку обработка сигнала после сумматора в данной работе не рассматривается, последующие оценки проведены для напряжений сигналов.

Очевидно, что сложение сигналов от двух антенн, существенно различных по диаметру, приведет к ухудшению результирующего ОСШ, если не ввести процедуру обработки с весовыми множителями. Например, "прямое" сложение сигналов 70- и 32-метровых зеркал при одинаковых шумах приведет к улучшению ОСШ не более чем на 3%. Введение весового коэффициента, равного 32/70 = 0,46, приведет к увеличению напряжения полезного сигнала на 21%, а шумов на 10%, то есть улучшению ОСШ на 10%. Сложение сигналов 70- и 25-метровой антенн без веса только ухудшает результат. Суммирование сигналов наиболее эффективно .для близких по .диаметру антенн, причем в этом случае влияние весовых коэффициентов незначительно

В качестве примера приведем некоторые сведения из работы [171], позволяющие оценить выигрыш от суммирования сигналов различных антенных комплексов. Для VLA улучшение отношения G/T (усиление к шумовой температуре) для 27 антенн относительно одной составляет 14 дБ, то есть по напряжению примерно в 5 раз, что близко к величине л/27 = 5,2.

Указывается также, что VLA эквивалентна 3 антеннам диаметром 64 метра -выигрыш в 4,7 дБ (1,72 раза) относительно параметра G/T одной 64-метровой антенны. Однако, даются, две другие величины: добавление 64-метровой антенны в Парксе к Австралийскому комплексу (64 м + 34 м) приводит к "улучшению на 50%" и добавление VLA к Голдстоунскому комплексу (70 м + 34 м) "удваивает его способности". В этих случаях не указаны параметры, для которых приведены оценки; по-видимому, имеются в виду получаемые эффективные площади, хотя это не логично с точки зрения остальных (точных) оценок возможностей объединенной системы дальней космической связи (ДКС).

3.6.2. Разработка блок-схемы сумматора; экспериментальная проверка предложенных решений

Радиоинтерферометр дециметрового диапазона, построенный по блок-схеме [22,38], является основой комплекса для суммирования сигналов антенн, требующий лишь незначительных доработок, так как подобный инструмент с высокой точностью измеряет разность фаз принимаемых антеннами сигналов. Для достижения цели суммирования необходимы далее следующие операции:

1) выравнивание задержек сигналов по измеренной разности фаз (задержке),

2) выделение сигналов для суммирования,

3) суммирование в отдельном субблоке, запись или передача на последующие схемы сумматора при числе антенн более двух.

В соответствии с этими требованиями в приемную аппаратуру необходимо внести дополнительные элементы, в совокупности с коррелятором называемые комбинатором. В простейшем виде это будут линии разветвления сигналов в каналах амплифазометра после линий задержки перед коррелятором с передачей их на сумматор и введение автоматического управления задержкой в зависимости от разности фаз, измеряемой коррелятором (рис.3.18, второй гетеродин не показан). сумматор

Рис. 3.18

Практически здесь возникают вопросы, требующие проработки для реального режима передачи сигналов КА.

Во-первых, определение задержки (фазы) сигнала в стандартном режиме работы интерферометра потребует определенного времени тем большего, чем с худшей точностью известны координаты КА. Значит, до передачи основной информации потребуется передача калибровочного сигнала для уточнения положения КА. В дальнейшем управление фазировкой сигналов должно производиться автоматически от ЭВМ по мере приема информации одновременно по каналам коррелятора и сумматора. Отработка этой процедуры может занять значительное время, что вызывает необходимость теоретического моделирования этого процесса и экспериментальной проверки с отладкой программного обеспечения.

Во-вторых, поскольку сложение сигналов проводится на промежуточной частоте 2.2.5 МГц (длина волны ~120 м), грубую фазировку с помощью линий задержки провести нельзя без потери сигнала из-за раскорреляции. Поэтому в тракт гетеродина или ВЧ одной из антенн необходимо ввести фазовращатель (> 360° по ВЧ), а точную фазировку проводить с помощью линий задержки (не более 2+3 дискретов). При узкой полосе полезного сигнала ( ~ 300 КГц) спад функции корреляции незначителен, а дискрет задержки (~ 4м, 12 не в аппаратуре НИРФИ) мал по сравнению с .длиной волны ПЧ, то есть спад амплитуды суммарного сигнала из-за дискрета фазирования будет составлять доли процента (0,3%).

Параметры сигналов на цифроаналоговом преобразователе (ЦАП) перед сумматором в нашем случае: число уровней квантования - 64 (6-разрядный ЦАП), дискрет -100 не (10 МГц), то есть поток информации 60 Мбит/сек. Провести запись такого сигнала не представляется возможным, что и определяет необходимость дальнейшего сложения по высокой частоте в реальном времени или демодуляции в телеметрическом приемнике и записи символьной информации. Можно изменить параметры квантования, однако это может привести к недопустимым потерям. Вопрос записи и хранения ВЧ сигнала до сложения должен рассматриваться отдельно при известных технических характеристиках записывающих устройств; в Голдстоунском комплексе подобная процедура, по-видимому, не применяется.

Экспериментальные исследования возможности сложения сигналов разнесенных антенн проводились на радиоинтерферометре дециметрового диапазона. Основной целью эксперимента являлось:

1) определение величины улучшения отношения сигнал/шум при сложении сигналов двух антенн;

2) проверка возможности применения простейшего сумматора при минимальных изменениях существующего комплекса аппаратуры;

3) оценка эффективности различных вариантов фазирования сигналов;

4) исследование характеристик аппаратуры в данном режиме работы.

Характер проводимых экспериментов определялся возможностями нашего инструмента. От использования естественных источников радиоизлучения пришлось отказаться по двум причинам: 1) невозможность оценки величины результирующего сигнала из-за слишком малого принимаемого сигнала практически от всех внеземных радиоисточников и 2) из-за шумового характера излучения, резко отличающегося от рабочих сигналов КА.

Для достижения поставленных целей была реализована блок-схема с использованием монохроматического сигнала генератора, распределяемого из центрального пункта через антенные коммутаторы в ВЧ тракты каждой из антенн по кабельным трассам системы фазовой калибровки. Изменение частоты задающего генератора позволяло изменять частоту выходного сигнала интерферометра (по второй промежуточной частоте) от 0 до 2,5 МГц. Перед коррелятором сигнал разветвлялся и подавался одновременно на коррелятор для измерения фазы и на выходные ЦАП с последующим суммированием на схеме сложения, приведенной на рис.3.18. Из-за высокой частоты результирующего сигнала в условиях проведения эксперимента (без применения современных ЭВМ) регистрация его была возможна только на осциллографе.

Схема сложения сигналов предельно проста и дает суммарный сигнал в виде (Ai + Аг)/2, что позволяло на экране осциллографа достаточно точно определять изменения Ах, особенно при равенстве А\ и А2. Были проведены следующие измерения:

1) суммирование сигналов двух антенн на частотах /пч = 0,76 и 2,5 МГц при отношении с/ш =1.4; фазирование сигналов осуществлялось с помощью линий задержки по второй ПЧ и с помощью фазовращателей в трактах гетеродина и задающего генератора;

2) измерение зависимости фазы сигнала от частоты в зависимости от величины вводимой задержки, а также ряд других характеристик для получения данных о ряде параметров инструмента.

Исследования процедуры суммирования на двух достаточно разнесенных частотах позволили выявить недостаток первоначально предложенной схемы фазирования с помощью только линий задержки, а именно: при большой длине волны точное выполнение фазировки сигналов требовало больших величин задержки при неравных по длине ВЧ трактах, что при определенной полосе сигнала приведет к его раскорреляции и, следовательно, потерям. Выравнивание электрических длин трактов, а вернее фазы принимаемых сигналов, удобнее проводить с помощью фазовращателей, вставленных в тракты гетеродина или ВЧ одной из антенн. Точность установки фазы фазовращателями может быть невысока (например, дискретность), поскольку остаточную фазу можно скомпенсировать линией задержки, но желательно не более нескольких дискретов.

Исследования зависимости характеристик результирующего сигнала от ряда параметров исходных (калибровочных) сигналов и элементов аппаратуры подтвердили теоретические предпосылки вопроса суммирования сигналов на интерферометрическом комплексе, а фактически являлись калибровкой аппаратуры при данном режиме работы системы. Для примера на рис.3.19 приведены графики зависимости фазы сигнала от частоты при разных величинах задержки, по которым видно, во-первых, что требуется фазировка двух сигналов с точностью до дискрета линии задержки (12,5 не) для достижения равномерности амплитудно-частотной характеристики во всей полосе сигнала; во-вторых, эти измерения показали достаточно большие изменения амплитуды сигнала с изменением частоты, что требует анализа исполнения соответствующих узлов аппаратуры.

Кратко полученные результаты можно сформулировать следующим образом.

А<|> о

Д» = 8

Рис. 3.19

1) Комплекс аппаратуры интерферометра дециметрового диапазона с незначительными переделками (без конечных каскадов записи) может использоваться для суммирования сигналов двух антенн и служить основой .для создания соответствующей аппаратуры на пунктах ДКС.

2) Амплитуда суммарного сигнала при сложении сигналов от двух антенн равна сумме амплитуд слагаемых, суммарная амплитуда шумов в л/2 раз меньше амплитуды шумового слагаемого. ОСШ увеличивается в \р2 раз при равенстве исходных сигналов. При сложении неравнозначных сигналов без весовых коэффициентов суммарный сигнал хуже наилучшего.

3) Результаты проведенных экспериментов позволяют разработать схемы сложения сигналов трех 14-метровых антенн апертурного синтеза РАО «Старая Пустынь» для получения объединенной антенны с эффективной площадью, эквивалентной антенне с диаметром зеркала порядка 25 м.

3.7. Применение радиоинтерферометров для определения расстояний и местоположения на поверхности земли.

3.7.1. Алгоритм измерения местоположения мобильных интерферометрических систем а) Основные соотношения

Радиоинтерферометрическая система определяет разность фаз сигналов, принимаемых антеннами, разнесенными на определенное расстояние В (база интерферометра), как (3.2) или р = <р0 + (рх cos 8 sin t + (рг cos 5 sin t, (3.24) где рй = (рИКГ + ALsm8 + LcosSAS, (3.25) px = AN-Ntg8A8-M At, (3.26) p2 = AM-Mtg8A8 + NAt, (3.27) рит- — разность электрических длин трактов системы, а, 8 — координаты источника излучения в экваториальной системе координат (прямое восхождение и склонение), t — часовой угол, L,M,N — проекция базы в системе координат, связанной с Полюсом Мира и получаемой из горизонтальной системы (X, Y, Z) поворотом на угол, равный широте места <pg вокруг оси у (В-3), ось Z направлена в зенит, х — на юг (рис.3.2, соотношения (3.10)).

Ошибки соответствующих величин обозначены как Ли. Ошибка часового угла источника At является комбинацией ошибок времени AT прямого восхождения А а и долготы места установки А а Е :

At = Ar(l + ju)- Аа - Akg , (3.28) x = 0,00273791 — астрономическая постоянная. Разделить эти ошибки не представляется возможным и далее обозначение At будет использоваться для всех трех видов погрешностей. Очевидно, что для определения долготы места необходимо, чтобы время и прямое восхождение источника были известны с необходимой степенью точности, что и будет предполагаться в дальнейшем.

С помощью интерферометра определяются проекции базы L, М, N и, следовательно, широта места прямыми измерениями не может быть определена. Требуются дополнительные сведения хотя бы об одной из проекций базы Y или Z. ^-проекция определяет смещение одной из антенн по направлению север-юг, а значит точность ее измерения геодезическими методами зависит от точности определения азимута базы. Обычно подобные измерения могут проводиться по внеземным источникам (светилам) одновременно с определением координат места; поэтому задание Х-проекции будем считать неприемлемым. Z-проекция базы равна разности высот фазовых центров (реперов) антенн, для ее определения необходимо знать угол превышения одной антенны над другой и общую величину базы В. Для баз порядка нескольких сотен метров подобные измерения с высокой степенью точности (~1"-3" и долей миллиметра) проводятся практически в любых погодных условиях о помощью угломерных приборов и лазерных светодальномеров [200].

Таким образом, для определения широты места установки интерферометра необходимо определить проекции базы ЬиМ фазометрическими измерениями и проекцию Zгеодезическими методами; вычисление <pg проводится по соотношениям (3.10).

Рассмотрим способы определения параметров интерферометра и долготы места, исходя из анализа соотношений (3.24)-(3.27). Как видно из соотношения (3.24), в процессе измерения определяются величины <ро, q>\, <pi, которые являются комбинациями ошибок базы, координат источников и координат места установки, то есть общее решение задачи невозможно. Будем считать координаты источников и время известными точно (AS, Аа,

А Т= 0). Разделить оставшиеся неизвестные AL, AM, AN, At можно специальной методикой измерений или обработки данных эксперимента.

Рассмотрим метод измерения параметров инструмента, предложенный в работе [158]. Метод позволяет специальной методикой измерений исключать ошибки задания координат калибровочных источников (AS, Act) и при последующей обработке получить их абсолютные координаты. В нашем случае определяются At (или AXg) и поправки AL и AM, из которых получаем поправку Atpg. Суть метода заключается в симметрировании моментов наблюдения источника относительно момента его кульминации. Наибольшим его недостатком можно считать требование значительной величины компоненты базы север-юг, то есть метод неприменим к экваториальным инструментам.

Кратко изложим основные положения метода на основе анализа соотношений (3.24)-(3.27). Решая уравнения (3.25) и (3.26) относительно А5, получим

AS=<P0-<pHm-ALcos5^ (3 29)

LcosS

N AN + М AM - N(px - М<р2 tg s(m2 + n2)

3.30)

Приравнивая их друг к другу, получим соотношение для нахождения параметров интерферометра, не зависящее от координат источников излучения: pam + AL sin 8{ + Б cos 8t ctg St AM + A cos Si ctg 8t AN = = cp<4) + cos 5. ctg 8\А(рУ + Bcp^) (3'31) где

LN „ LM

A = —;-Б =

M2+N2' M2+Nz'

Проводя измерения разности фаз сигналов для каждого источника минимум в трех точках в меридиане и двух симметрично разнесенных относительно кульминации (ta=0,±t), получим: р° - <pQ + (р2 cos 8, р0 +(рх cos£sin/ + <p2cos<5sinf, (3.32) ср=(рй- <рх cos S sin/ + (р2 cos<5 sinf.

Решением системы (3.32) определяются величины

У++Р--Vcos^ <p+-<p 2<p°-<p+-<p ^ (3 33)

0 2(l-cosr) ' 1 2cosJsin/1' 2 2cos j(l-cosr)' которые используются при обработке результатов при получении поправок к базе по соотношению (3.31).

Поправки к долготе места определяются из (3.26) и (3.27) как N<p2- Мфх - N AM + М АТУ

Широта места может быть найдена из соотношений (3.10) при известных L, М, Z.

Таким образом, по четырем источникам, наблюдаемым в моменты (-1,0, +1) определяются все параметры базы и уточняется долгота места установки интерферометра.

Как видно из уравнения (3.31), при L « N (расположение антенн по линии восток-запад) коэффициенты А и £ становятся близкими к нулю и система уравнений становится неустойчивой.

Практически возможности малобазовых интерферометров в определении как параметров интерферометра, так и характеристик источников излучения показаны на инструментах РАО «Старая Пустынь» [38]. На инструменте дециметрового диапазона реально достигнута погрешность определения координат источников ~ 5"+8", а проекций базы < 10 мм. Погрешность геодезической привязки центра базы составляла по данным организации ГорТИСИЗ ±2" в широте и ±0S,6 в долготе. Таким образом, интерферометр даже с невысокой разрешающей способностью и малой чувствительностью позволяет определить параметры инструмента и координаты места установки с такой же погрешностью, как и геодезические (астрономические) методы. б) Методика определения положения радиоинтерферометра на местности.

Основываясь на данных п.3.7.1а, определим примерный порядок уточнения местоположения антенны по излучению внеземных радиоисточников при её установке на неизвестной местности.

Примем, что первоначально место установки определяется по обычной географической карте с ошибкой 20.40 км. Поскольку Г по широте соответствует примерно 2 км на местности, а Г (или 4s) по долготе примерно 1 км на средних широтах, то погрешность первоначального определения координат возьмем равной 20'. Диаметр передвижной антенны, разрабатываемой для подобных задач, примем равным 7 м. Для оценок различных величин примем рабочую длину волны 10 см. Ширина ДН 7-метровой антенны на уровне половинной мощности для данной длины волны около 1°, что позволяет уверенно принять сигнал от источника при ошибках наведения -30', то есть координаты источника можно рассчитывать по грубым значениям широты и долготы. Уточнение координат места до единиц угловых минут (Г.5') может быть проведено с помощью одиночной антенны по Солнцу. Антенна должна быть отгоризонтирована с необходимой точностью. Для устранения ошибок разъюстировки электрической оси необходимо, чтобы антенна имела возможность переброса зеркала через зенит вокруг угломестной оси. При использовании серийных радиометров в указанном диапазоне длин волн отношение сигнал/шум при измерениях по радиоизлучению Солнца практически не будет вносить ошибок в измеряемые величины; остальные внеземные источники радиоизлучения существенно слабее. Хранение времени производится с помощью точных хронометров, проверка — по сигналам Службы времени.

Для уменьшения погрешности определения местоположения станции до нескольких угловых секунд следует установить на позицию вторую антенну и работать в режиме интерферометра. В этом случае в составе приемной аппаратуры станции необходимо иметь корреляционный приемник и блоки системы фазовой калибровки канализирующих трактов антенн. Одним из основных элементов комплекса является ЭВМ. Сложным вопросом эксплуатации перевозимой интерферометрической системы является создание фазостабильных линий связи двух антенн с аппаратным помещением. В зависимости от схемы фазовой калибровки и схемы организации передачи сигналов гетеродина и ПЧ требуется проложить 1.4 нитки кабелей длиной несколько сотен метров и по возможности обеспечить их температурную стабильность. Недостаточно качественное исполнение кабельных трасс приведет к необходимости частой калибровки электрических длин кабелей, а следовательно, к увеличению времени измерений или увеличению погрешности результата.

Расстояние между антеннами должно быть порядка 100.800 м, чтобы обеспечить уверенную работу геодезических инструментов по закрепленным на антеннах реперам, положение которых точно привязано к точке пересечения осей вращения. База интерферометра должна иметь существенную компоненту север—юг для возможности применения различных методов измерения её параметров (п.3.7.1а). Превышение h§ одной антенны над другой определяется теодолитом (погрешность ~ несколько угловых секунд), общая длина базы В — светодальномером (погрешность ~ несколько миллиметров). Z-компонента базы вычисляется как Z = В sin /г^ или Z » В-hs, поскольку перепад высот на небольших расстояниях обычно невелик; при В ~ 100 м, h§ ~ 5° и Ah ~ 5" абсолютная погрешность AZ = В Ah + hs АВ составит 3 .4 мм. Примерно с такой же погрешностью по внеземным источникам за время в пределах одних суток могут быть определены компоненты базы L, М, N. Широта места вычисляется по одному из соотношений (3.10): cpg = arcsin

ZL + Мл/М2 +L2 -Z2 M2+L2

3.35)

ТТ Л • Ш ,т, ZL + MX

Для оценки ошибок измерения запишем <р = arcsin ¥, где ¥ =-, поскольку

М1 +N2

X = л[м2 + L2-Z2 . Предельная абсолютная погрешность определения широты будет пропорциональна .)—-гЛLAZ + MAX + ZAM+tjAL),

VI-4f2 (M2+L2 J где коэффициенты 77 есть функции (L, М, X, Z) по величине <max (М, L) = В. Для грубых оценок можно принять

1 max(AZ,AM,AZ) s sll-^2 шаX(M,L) откуда видно, что радиоастрономическим способом нельзя измерить широту при М, L « 0, то есть интерферометром с ориентацией базы восток-запад (а также cpg « 90°). Долгота места, определяемая по соотношениям (3.34), имеет предельную абсолютную погрешность

N + M

N2 +М2 тах(А^!, А <р2 ) + шах шах(До) или грубо-----, то есть величина погрешности того же порядка, что и для широты В места при значительной компоненте базы север-юг.

Поскольку Солнце в качестве калибратора использоваться не может из-за больших угловых размеров и наличия локальных источников на диске, для калибровки базы в указанном диапазоне можно использовать дискретные источники Кассиопея-А, Лебедь-А и Телец-А, но только в том случае, если точно известна их структура на рабочей длине волны, а значит, может быть рассчитана фазовая ошибка, обусловленная неточностью источника, в зависимости от часового угла. При базах ~ 100 м Лебедь-А и Телец-А в большинстве случаев могут использоваться для калибровки параметров системы.

Основными калибраторами являются радиоисточники с малыми угловыми размерами, достаточно равномерно заполняющие небесную сферу; сведения о наиболее мощных из них систематизированы в работе [43].

Оценим время накопления Гн сигнала от радиоисточника, приняв флуктуационный порог чувствительности приемника АГтл = 0,5К. При эффективной площади антенны к AT о"эфф ~ 20 м2 чувствительность системы по потоку (ASV « 5-, к — постоянная эффл/''н

Больцмана) при Тн = Is , будет ~ 200 ед. Из соотношений (3.32)-(3.36) ошибку в фазе сигнала, обусловленную неточностью задания долготы места, можно выразить как е <тах(М At,N At) или максимальная оценка е~ В At. Для баз ~ 100 м, чтобы достигнуть погрешности измерения координат 5", погрешность измерения разности фаз е должна быть <10° (длина волны 10 см). Дисперсия фазы, вычисляемой как arctg(^,), где S, С — выходные сигналы Sin- и Cos-канагюв интерферометра, пропорциональна отношению сигнал/шум, которое можно представить как |• При 10° отношение сигнал/шум должно быть ~ 5. В этом случае примерное время накопления сигнала Тн оценивается по соотношению 71 \2 V sv j в табл. 3.2 указаны Тн для радиоисточников с различивши потоками Sv. Реально процесс накопления разбивается на отдельные замеры по 15.20 минут. Калибровочные источники из выбранной группы (3.5 объектов с близкими а) наблюдаются последовательно между калибровками аппаратуры. Моменты измерений по каждому источнику выбираются симметрично относительно момента кульминации источника. Для повышения точности измерений необходимо как можно больше замеров при больших часовых углах (~ 40°-90°), отсюда время единичного сеанса наблюдений обычно превышает 12 час.

Заключение

В представленной работе решена крупная научная проблема разработки методов измерений параметров радиоастрономических инструментов, позволяющих существенно увеличить точность, чувствительность и быстродействие измерений, и разработки и создания новых аппаратурных комплексов и устройств для исследований в области радиоастрономии и радиоинтерферометрии, вносящих значительный вклад в научно-технический прогресс.

В работе получены следующие основные результаты.

1. Завершена техническая и методическая разработка метода калибровки антенн с помощью «черных» дисков для произвольного расположения калибровочного эталона без ограничений на рабочий диапазон частот.

Разработан и создан двухтемпературный чернотельный эталон с нагревом «черных» дисков в термокамерах. Апробированы методики измерений средней температуры излучателя с погрешностью 0,1°^0,3°С. Достигнута погрешность калибровки 0,3-^1,5%, что в 3-^-5 раз точнее измерений по традиционной методике.

Разработана и экспериментально апробирована методика измерения разности температур двух излучателей калибровочного эталона при радиоастрономических абсолютных измерениях.

Возобновлены высокоточные абсолютные измерения плотностей потоков излучения ряда радиоисточников в сантиметровом диапазоне длин волн.

2. Разработан и апробирован метод учета неоднородности фонового излучения за источником при радиоастрономических измерениях плотностей потоков радиоизлучения дискретных источников. Методика измерений и обработки данных позволяет стандартизовать процедуру наблюдений и выбора опорных областей с интегральным фоновым излучением, равным фону за исследуемым источником.

3. Разработан радиоастрономический метод определения точности наведения антенны на источник излучения в серии наблюдений. Апробированы методики наблюдений и обработки данных, достигнута погрешность определения величины поправки на спад интенсивности измеряемого сигнала менее 1%.

4. Развит многочастотный радиоастрономический метод определения точности изготовления поверхности зеркал крупных зеркальных антенн по излучению эталонированных источников. Апробированы способы измерений и методики обработки данных при достижении погрешности измерения среднеквадратичного отклонения поверхности зеркала антенны от идеальной около 5%.

5. Разработан и апробирован принцип создания и конструкция двухчастотного дипольного облучателя зеркальных антенн, основанного на поляризационной развязке каналов.

6. Предложено устройство для измерения ДН зеркальных антенн корреляционным методом с использованием второго опорного облучателя.

7. Разработан и апробирован способ определения по одному радиоисточнику параметров базы радиоинтерферометров с двух- и одноканальными приемниками.

8. Предложен и теоретически разработан способ одновременного измерения местоположения объекта и его ориентации радиоинтерферометрическим комплексом, установленным на объекте, при использовании сигналов ИСЗ глобальных спутниковых навигационных систем.

9. Развиты и апробированы принципы применения радиоастрономических интерферометров для решения координатных, траекторных и навигационных задач.

10. Развит и апробирован принцип применения радиоинтерферометров для мониторинга состояния среды распространения радиоволн. На радиоинтерферометре метрового диапазона при анализе фазы принимаемого от внешнего радиоисточника сигнала обнаружены быстропериодические (15-3Осек) вариации полного электронного содержания ионосферы.

11. Разработаны и апробированы элементы радиоинтерферометрической приемной аппаратуры, позволяющие повысить эффективность использования радиоинтерферометров для решения фундаментальных научных и прикладных задач.

12. Разработаны, развиты и апробированы методы применения радиоинтерферометров в прикладных целях (для когерентного суммирования сигналов разнесенных антенн, определения координат мобильных интерферометрических комплексов, для высокоточного определения расстояний между реперными точками на поверхности Земли).

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Завершение технической и методической разработки метода калибровки антенн с помощью «черных» дисков без ограничений на рабочий диапазон частот. Разработка, создание и апробация двухтемпературного чернотельного эталона с нагревом «черных» дисков в термокамерах. Достижение погрешности калибровки антенн 0,3+1,5%.

2. Разработка и апробация метода учета неоднородности фонового излучения за источником при радиоастрономических измерениях плотностей потоков радиоизлучения дискретных источников, позволяющего стандартизовать процедуру наблюдений и выбора опорных областей с интегральным фоновым излучением, равным фону за исследуемым источником.

3. Разработка радиоастрономических методов и устройств для определения параметров антенных систем (точности наведения антенны на источник излучения в серии наблюдений, точности изготовления поверхности зеркальных антенн, характеристик бокового излучения и фазовых диаграмм направленности).

4. Разработка и апробация способа определения по одному радиоисточнику параметров базы радиоинтерферометров с двух- и одноканальными приемниками.

5. Разработка способа одновременного измерения местоположения объекта и его ориентации радиоинтерферометрическим комплексом, установленным на объекте, при использовании сигналов ИСЗ глобальных спутниковых навигационных систем.

6. Развитие и апробация принципов применения радиоастрономических интерферометров для решения координатных, траекторных и навигационных задач, для мониторинга состояния среды распространения радиоволн с целью повышения эффективности функционирования глобальных спутниковых навигационных систем.

1. Краус Д.Д. Радиоастрономия (подред. В.В.Железнякова). - М.: Сов.радио, 1973.

2. Христиансен У., Хегбом И. Радиотелескопы. М.: Мир, 1972, - 232 с.

3. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. -М.: Наука, 1973.-416 с.

4. Галактическая и внегалактическая радиоастрономия / ред. Верскер Г.А. и Келлерман К.И. М.: Мир, 1976. - 620 с.

5. Сканирующие антенные системы СВЧ. М.: Сов. радио, 1966.

6. Томпсон А.Р., Моран Дж., Свенсон Дж. Интерферометрия и синтез в радиоастрономии. М.: Физматлит, 2003.

7. Развитие радиоастрономии в СССР / ред. Саломонович А.Е. М.: Наука, 1988.

8. Советские радиотелескопы и радиоастрономия Солнца / ред. Саломонович А.Е., Смольков Г.Я. М., Наука, 1990.

9. Методы измерения характеристик антенн СВЧ / ред. Н.М. Цейтлина. М.: Радио и связь, 1985.

10. Кисляков А.Г., Разин В.А., Цейтлин Н.М. Введение в радиоастрономию. -Н. Новгород, ННГУ, 1996.

11. Троицкий B.C., Цейтлин Н.М. // Изв. вузов. Радиофизика. 1961. - Т.4, №3. -С. 393.

12. Плечков В.М., Разин В.А. // Труды пятого совещания по вопросам космогонии, 9-12 марта 1955 г. М.: Изд. АН СССР, 1956. - С.430-435.

13. Открытие №26. Явление линейной поляризации космического радиоизлучения. /Разин В.А. (Конюшая Ю.П. Открытия советских ученых. Ч. 1. Физ-техн. науки. -МГУ, 1988,- С.94-95).

14. Цейтлин Н. М. Антенная техника и радиоастрономия. М.: Сов. радио, 1976.

15. Очерки истории радиоастрономии в СССР. // Сб. научных трудов. Киев: Наукова думка, 1985. - раздел 2.

16. Статьи автора в рецензируемых журналах

17. Об использовании двухэлементного интерферометра с фиксированной базой для получения ножевой диаграммы направленности. / Дугин Н.А., Турчин В.И., Цейтлин Н.М., Шаронов Г.А. // Радиотехника и электроника. 1971. - Т. 16, №6. -С.918-926.

18. Дугин Н.А., Турчин В.И., Шаронов Г.А. О диаграмме направленности синтезированных кольцевых антенных решеток. // Радиотехника и электроника. -1971. Т. 16, №7. С.1152-1157.

19. Результаты измерения полного вертикального поглощения в атмосфере на волне 6 мм / Дмитренко Д. А., Дмитренко JI. В., Дугин Н. А., Лебский Ю. В., Сизьмина Л. К., Фогель A. JI.// Изв. вузов. Радиофизика. 1973. - Т. 16, №12. -С. 1816-1822.

20. Исследование кросс-поляризационных характеристик антенны с помощью голографии на СВЧ. / Варганов В.А, Дмитренко Д.А., Дмитренко Л.В., Дугин Н.А. и др.// Изв. вузов. Радиофизика. 1973. - Т. 16, №1. - С. 158-160.

21. Дугин Н. А., Дмитренко Д. А. К вопросу о распределении поля в районе фокуса параболоида при расположении источника в зоне Френеля // Изв. вузов. Радиофизика. 1976. - Т.19, № 7. - С. 1031-1046.

22. Байтовый радиотелескоп НИРФИ. / Мосалов И.В., Бахарев Н.В., Дугин Н.А., Цейтлин Н.М. // Изв. вузов. Радиофизика. 1979. - Т. 22, № 11. - С. 1293-1300.

23. Система апертурного синтеза НИРФИ дециметрового диапазона / Беагон В. С., Дугин Н. А., Романычев А. А., Семенова Л. Р., Турчин В. И., Цейтлин Н. М. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1983.-Т. 26, № 11. С. 1420-1427.

24. Абсолютные измерения плотностей потоков мощных дискретных источников на частоте 575 МГц. / Востоков А.В., Дугин Н.А., Миллер М.Е., Сырейщиков В.П. // Изв. вузов. Радиофизика. 1987. - Т. 30, № 7. - С. 917-919.

25. Дугин Н.А., Миллер М.Е. Двухчастотный вибраторный облучатель. // Радиотехника и электроника. 1990, Т.35, вып.6. - С.1313-1314.

26. Дугин Н. А., Ковальчук О. М., Шнырова Е. Ю. Метод определения интенсивности внеземных радиоисточников при неоднородном окружающем фоне. // Изв. вузов. Радиофизика. 1995. - Т. 38, № 11. - С. 1158-1167.

27. Радиоинтерферометрические наблюдения солнечных всплесков в дециметровом диапазоне с миллисекундным временным разрешением. / Алексеев В. А., Дугин

28. Н. А., Липатов Б. Н., Мельников В. Ф., Снегирев С. Д., Тихомиров Ю. В. /У Изв. вузов. Радиофизика. 1997. - Т. 40, № 9. - С. 1063-1072.

29. Исследования неоднородной ионосферы радиоинтерферометрами метрового и дециметрового диапазонов. / Добрушский Л. А., Дугин Н. А., Кузнецова И. П., Разин В.А., Смышляева Г.Г. // Космонавтика и ракетостроение. ЦНИИМАШ 2002 - С.108-115.

30. Дугин Н. А., Разин В.А., Смышляева Г.Г. О прикладных исследованиях с малобазовыми радиоинтерферометрами. // Космонавтика и ракетостроение. -ЦНИИМАШ-2002. -С.116-124.

31. Дугин Н.А. О технике и методике прецизионных измерений интенсивности внеземных источников радиоизлучения. // Изв. вузов. Радиофизика. 2002. - Т.45, №2. - С.144-150.

32. Дугин Н. А., Нечаева М. Б. О возможности быстрого определения параметров радиоинтерферометра. // Изв. вузов. Радиофизика. -2002. Т.45, №3. - С. 199-206.

33. Романычев А.А., Дугин Н.А. Схема формирования синфазных сигналов в радиоинтерферометре со сверхвысокой промежуточной частотой. // Радиотехника и электроника. 2004. - Т.49, № 1. - С.123-127.

34. Дугин Н.А., Кузнецова И.П., Разин В.А., Г.Г.Смышляева. О возможности применения двухэлементного радиоинтерферометра для траекторных измерений. // Космонавтика и ракетостроение. ЦНИИМАШ. -2005. - №4 (41). - С.147-160.

35. Дугин Н.А., Троицкий Н.Р. Определение точности наведения антенны радиоастрономическим методом. // Изв. вузов. Радиофизика, 2006.- Т. 49, №1. -С.1-8.

36. Авторские свидетельства и патенты

37. АС СССР № 1084706 от 08.12.1983. Устройство для измерения диаграммы направленности зеркальной антенны. / Дугин Н.А., Короткое B.C. БИ № 13 от 07.04.84.-С.151.

38. АС СССР № 1406675 от 01.03.1988г. Устройство для перемещения излучателя./ Цейтлин Н.М., Дмитренко Д.А., Бахарев Н.В., Дугин Н.А. БИ № 24 от 30.06.88.

39. Патент A SU № 1827030 от 13.10.92. Двухтемпературный эталон шумового радиоизлучения./ Бахарев Н. В., Дугин Н. А., Корелов В. Т. БИ № 25 от 07.07.93.

40. Патент A SU №1827032 от 13.10.1992. Способ определения поправки к часовому углу внеземного источника радиоизлучения. /Дугин Н.А. БИ № 25 от 07.07.93.1. Кандидатская диссертация

41. Дугин Н. А. Разработка и исследование двухэлементной системы апертурного синтеза: Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Горький, 1983. - 207 с.

42. Дугин Н. А. Разработка и исследование двухэлементной системы апертурного синтеза: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Горький, 1983. -24 с.1. Препринты

43. Дугин Н. А., Каткина Е. Ю., Миллер М. Е., Бубукина В. Н. Измерение интенсивности излучения дискретных радиоисточников при неоднородном окружающем фоне. -Препринт НИРФИ № 239. Горький: НИРФИ, 1987.

44. Кузнецова Н. А., Дугин Н. А. Каталог радиоисточников для антенных и интерферометрических измерений. Горький: НИРФИ, 1988.

45. Дугин Н. А., Дмитренко Л. В., Корелов В. Т. Двухтемпературный эталон шумового радиоизлучения. Препринт НИРФИ № 341. - Нижний Новгород: НИРФИ, 1992. -14 с.

46. Интерферометрические наблюдения солнечных вспышек с высоким временным разрешением. / Алексеев А. А., Дугин Н. А., Липатов Б. Н., Мельников В. Ф. и др. -Препринт НИРФИ № 407. Нижний Новгород: НИРФИ, 1995. - 29 с.

47. Дугин Н.А., Разин В.А. Малобазовые радиоинтерферометры НИРФИ. Препринт НИРФИ № 479. - Н.Новгород, 2003. - 48 с.

48. Статьи в трудах конференций

49. Добрушский Л. А., Дугин Н. А., Разин В. А., Смышляева Г. Г. К вопросу об учете влияния ионосферы на навигационые измерения // Труды конференции «Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики». С.-Пб., 1996. -С. 282-288.

50. Investigation of fast-varying of ionospheric TEC by phase-measuring methods. / Dobrushsky L.A., Dugin N.A., Kuznetsova I.P., Razin V.A., Smyshlyaeva G.G. // The III-rd Russian- Chinese Space Weather Conf. 18-22 My 2002. Irkutsk, 2002. - P.37-39.

51. Dugin N.A., Kuznetsova I.P., Razin V.A. Flux density absolute measurements of supernova remnants using two-temperature blackbody calibration standard. // GMIC'100, 8-14 aug. 2004. Odessa, Ukraine, 2004.

52. Рецензируемые методические пособия для студентов ВУЗов.

53. Докучаев В.П., Дугин Н.А., Разин В.А. Радиоинтерферометр. Спец. практикум по радиофизике и электронике. Часть II. Радиоастрономия и распространение радиоволн. Н. Новгород: ИПФ РАН, 2001. - 20 с.

54. Дугин Н.А., Разин В.А. Фазовая калибровка радиоинтерферометра. Спец. практикум по радиофизике и электронике. Часть II. Радиоастрономия и распространение радиоволн. Н. Новгород: ИПФ РАН, 2001. 42 с.

55. Дугин Н.А., Мясников Е.Н. Исследование параметров антенно-фидерных систем и коаксиальных СВЧ устройств. Методическое пособие для лабораторных работ. -Препринт НИРФИ № 491. Н. Новгород, 2004. - 48 с.

56. Дугин Н.А., Мясников Е.Н. Исследование параметров антенно-фидерных систем и волноводных СВЧ устройств. Методическое пособие для лабораторных работ. Препринт НИРФИ № 492. Н. Новгород, 2004. - 44 с.

57. Тезисы докладов на конференциях

58. Дугин Н.А., Миллер М.Е., Семенова Л.Р. К вопросу об учете неравномерности космического фона вблизи мощных дискретных источников в дециметровом диапазоне волн. // Тезисы докл. XVIII Всесоюз.конф. «Радиотелескопы и интерферометры». Иркутск, 1986. -С.76.

59. Дугин Н.А., Дмитренко Л.В. Абсолютные измерения плотности потоков ряда внеземных радиоисточников в диапазоне 6-30 см. // Тезисы докл. XVIII Всесоюз. конф. «Радиотелескопы и интерферометры». Иркутск, 1986. - С.79.

60. Дугин Н.А., Миллер М.Е. Двухчастотный вибраторный облучатель. // 1-ая республ. конф. «Математические методы анализа и оптимизации зеркальных антенн различного назначения». Тезисы докладов. —Свердловск, 1989. С. 105.

61. Дугин Н. А., Дмитренко Л. В., Орлова О. О., Рассадовский В. А. Абсолютные измерения потоков радиоисточников и собственного излучения атмосферы в линии 1,35 см. // XXI Всесоюзная радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов.1. Ереван, 1989. -С.343.

62. Dugin N. A. Application of two-temperature black body standard for absolute measurements of microwave radio emission intensity.// 2-я конф. ISEM-93, Тезисы доклада. Пекин, 1993.

63. Дугин Н. А., Добрушский JI. А., Кузнецова И. П., Вьюгин В. Д. Трехантенная система апертурного синтеза метрового диапазона // Тезисы докладов XXVI Радиоастрономической конференции. —С.-Петербург, 1995. С.365.

64. Беагон В. С., Дугин Н. А. Суммирование площадей разнесенных антенн с помощью техники фазостабильной радиоинтерферометрии. // XXVI Радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. — С.-Пб., 1995. С.331-332.

65. Дугин Н. А., Ковальчук О. М., Семенова Л. Р. База данных для радиоастрономических методов антенных и интерферометрических измерений. // XXVI Радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. С.-Пб., 1995. -С.255-256.

66. Дугин Н. А. Определение поправки к часовому углу точечного радиоисточника фазостабильным радиоинтерферометром. // XXVI Радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. — С.-Пб., 1995. С.333.

67. Дугин Н.А. Разин В.А., Смышляева Г.Г., Теплых А.И. Поляризационно-интерферометрические исследования радиоизлучения избранных областей Галактики. // XXYII Радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. С-Пб, 1997.-С.124.

68. Romanychev A. A., Dugin N. A. Formation of phase-coherent signales at interferometric antennas sites using very high intermediate frequency // IEEE AP-S/URSI Simp. -Canada, Montreal, 1997. № 46.08.

69. Dugin N. A. Determination of an Hour Angle Correction of a Point Radio Source by a Radio Interferometer with Connected Elements // IEEE AP-S Inter. Simp, and URSI Radio Sci. Meeting. — Canada, Montreal, 1997/ № 46.07.

70. Дугин H.A., Нечаева М.Б. Способ калибровки радиоинтерферометра. // Труды четвертой научной конференции по радиофизике, ННГУ, 5 мая 2000 г. под ред.

71. A.В.Якимова. Нижний Новгород: TAJIAM, 2000. - с.95.

72. О возможности обеспечения высокоточного однопроходного определения координат КА на основе использования радиоинтерферометрической технологии. / Дугин Н. А., Разин В. А., Старостин В. Н., Грачев В. Г., Смышляева Г. Г., Прохоров

73. B. А. Н Конференция «Астрометрия, геодинамика и небесная механика на пороге XXI века». Тезисы докладов. — С.-Пб, 2000. С. 386-387.

74. Дугин Н.А., Разин В.А., Смышляева Г.Г. О принципах построения интерферометрических аппаратурных комплексов для высокоточных навигационных определений. // Научно-техн. конф. ФГУП "РНИИКП", 23-26 мая 2003 г. Тезисы докл. Москва, 2003. - С.26.

75. E-LFVN: Низкочастотная РСДБ-сеть квазиреального времени с передачей данных через Интернет. / Молотов И.Е., Туккари Дж., Зиновьев А.Н., Дементьев А.Ф.,

76. Dugin N.A., Kuznetsova I.P., Razin V.A. Flux density absolute measurements of Supernova remnants using two-temperature blackbody calibration standard. // GMIC'100, 8-14 aug. 2004. Odessa, Ukraine.

77. Исследование возможностей организации новых каналов связи и координатных измерений КА с помощью радиотелескопов ТНА-200 и ТНА-400 г. Уссурийска. / науч. рук. Белов Ю.И. Шифр "Регата-У", рег.№ 01.90.0044549,- Н. Новгород, 1990.

78. Создание специализированных многоэлементных радиотелескопов метрового и дециметрового диапазонов с высоким разрешением. / научный рук. Разин В.А. -Шифр "Апертура", рег.№ 01.92.0003754. Н. Новгород 1992.

79. Разработка новых методов регистрации радиоизлучения космических источников, /научный рук. Дугин Н.А. Шифр "Регистрация", рег.№ 01.93.0004068. -Н. Новгород, 1993.

80. Аникина В.В, Дмитренко Д.А., Иванникова JI.K. // Радиотехника и электроника. -1973. Т.18, №3. - С.631.

81. Дмитренко Д.А., Стрежнева К.М. // Изв.вузов. Радиофизика. 1967. - Т. 10, № 2. -С.165.

82. Дмитренко Д.А., Цейтлин Н.М., Виноградова Л.В., Гитерман Х.Ф. // Изв. вузов. Радиофизика. 1970. -Т.13, №6 - С. 823.

83. Виноградова Л.В., Дмитренко Д.А., Цейтлин Н.М. // Изв. вузов. Радиофизика. -1971. -Т.14, №1. -С. 157.

84. Цейтлин Н.М., Дмитренко Л.В., Снегирева В.В. О переменности излучения Тельца А. //Изв. вузов. Радиофизика. 1980. - Т.23, №8. - С. 996.

85. Виняйкин Е.Н., Разин В.А., Хрулев В.В. Вековое уменьшение плотности потока радиоизлучения Кассиопеи А на частоте 2924 МГц. // Письма в АЖ. 1980. - Т.6, №10.-С. 620.

86. Станкевич К.С. // Радиотехника и электроника. 1966. - Т. 14, №3. С.528.

87. Станкевич К.С., Иванов В.П., Пелюшенко С.А., Торхов В.А., Иванникова А.И. // Изв. вузов. Радиофизика. 1973. - Т. 16, №5. - С.786-798.

88. Дмитренко Д.А., Аникина В.В. // Изв. вузов. Радиофизика. -1973. Т.16, №2.-С. 262.

89. Baars J.W.M. Feasibility of in-orbit testing of inflatable antennas with celestial sources. // ESA STM-243, Max Plank Inst. For Radioastronomy. Bonn, 1990.

90. Кисляков А. Г. // Радиотехника и электроника. -1968. Т. 13, № 7. - С. 1161.

91. С.П. Гагарин, Б.Г. Кутуза. Влияние флуктуаций радиотеплового излучения атмосферы на чувствительность радиотелескопа. // Изв. вузов. Радиофизика. 1976. Т.19, №11. -С.1636-1643.

92. М.Н. Кайдановский, А.А. Стоцкий. Экспериментальные характеристики флуктуаций радиоизлучения облачной атмосферы на сантиметровых волнах. // Изв. вузов. Радиофизика. 1979. - Т.22, №4. - С. 407-412.

93. Haddok F.T., Mayer С.Н., SloanakerR.M. //Nature. 1954. - Y.174. - P. 176.

94. Кайдановский H.Jl., Кардашев H.C., Шкловский И.С. // Доклады АН СССР. 1955. -Т.104.-С. 517.

95. Haddok F.T., McCullough Т.Р. // Symp №4, IAU. Cambridge, 1957.

96. Broten M.W., Medd M.J. // AJ. 1959. - Y.64, №8. - P. 324.

97. Sloanaker R.M., Nichols J.N. // AJ. -1960. V.65. - P. 109.

98. Broten M.W., Medd M.J. //AJ. 1960. -V.132. P. 279.

99. Карачун A.M., Кузьмин Ф.Д., Саломонович A.E. // АЖ. -1961. T.38. - С. 83.

100. Станкевич K.C. // АЖ. 1962. - Т.39, №4. - С. 610.

101. Лазаревский B.C., Станкевич К.С., Троицкий B.C.//АЖ, 1963.-Т.40,№1.-С. 12 .

102. Ласточкин В.П., Планкин Э.С., Станкевич К.С. // Изв. вузов. Радиофизика. 1963. -Т.6, №3. - С. 631.

103. Хрулев В.В. Результаты измерения интенсивности радиоизлучения дискретных источников Кассиопея А и Лебедь А на волне 10,26 см. // Изв. вузов. Радиофизика. -1963. Т. 6, №2.

104. Baare J.W.M., Mezger P.G., Wendker Н. // AJ. 1964. -V.69, №8. - P. 531.

105. Ласточкин В.П., Сорин Ю.М., Станкевич К.С. // АЖ. 1964. - Т.41, №4. - С. 770.

106. Medd W.J., RamanaK.W.V. // AJ. 1965. - V.70. - P. 327; У.142, №1. -P. 383.

107. Allen R.J., Barret A.H. // AJ. -1966. У.71, №9. - P. 843.

108. Dent W.A., Haddock F.T. The extention of non-terminal radio-source spectra to 8000 Mc/s. // AstronJ. 1966. - V.144, №2. - P.568-586.

109. Haroules G.G., Brown W.E. // AJ. 1967. - V.149. - P. 711.

110. Станкевич К.С. Прецизионные измерения спектра дискретного источника Кассиопея А в сантиметровом диапазоне. // Астрономический журнал. 1962. -Т.39, №4. -С. 610.

111. Medd W.J. Absolute flux density measurements at centimeter wavelengths. // Astron. J. -1972.-V. 171. -P.41-50.

112. Иванов В.П., Станкевич К.С. Радиоастрономическая абсолютная шкала потоков. Изв. вузов. Радиофизика. 1986. - Т.29, №1. - С. 3.

113. Барабанов А.П., Иванов В.П., Станкевич К.С., Столяров С.П. // АЖ. -1986. Т.63, в.5. - С. 926.

114. Барабанов А.П., Иванов В.П., Малышев В.П., Станкевич К.С., Столяров С.П. // АЖ. 1987,-Т.64, В.2.-С. 280.

115. Иванов В.П., Станкевич К.С., Столяров С.П. Вековые и нестационарные изменения в радиоспектре Крабовидной туманности. // Астрономический журнал. 1994. -Т.71, №5. - С. 737-747.

116. Станкевич К.С., Иванов В.П., Столяров С.П. 50 лет наблюдений дискретного источника Кассиопея А. // Письма в Астрономический журнал. 1999. - Т. 25, №8. -С. 581-590.

117. Троицкий B.C., Станкевич К.С., Цейтлин Н.М., Кротиков В.Д., Бондарь Л.Н., Стрежнева К.М., Рахлин В.Л., Иванов В.П., Пелюшенко С.А., Зубов М.М., Самойлов Р.А., Титов Г.К., Порфирьев В.А., Чекалев С.П. // Астрон.ж. 1971. -Т.48, №6. - С. 1150.

118. Виняйкин Е.Н., Разин В.А., Федоров В.Т. // Письма в АЖ. 1979. - Т. 5, №9. - С. 450.

119. Vinyajkin E.N. The Secular Decrease of the Crab Nebula at 927 and 151.5 MHz. // ASP Conf. Series, Paduja. 2005. - V.342. - P.435-437.

120. Ласточкин В.П., Порфирьев В.А, Станкевич К.С., Троицкий B.C., Холодилов Н.Н., Цейтлин Н.М. // Изв. вузов. Радиофизика. 1963. - Т.6, №3. - С.629.

121. Бубукина В.Н., Федянцев Б.К., Хрулев В.В. К вопросу о выборе опорных областей при измерениях параметров малых антенн по радиоизлучению Кассиопеи-А. -Препринт НИРФИ №152. Горький, 1981. -22 с.

122. Haslam С.С.Т., Salter С.J., Stoffel Н., Wilson W.E. // Astron. Astroph. Suppl. 1982. -V. 47, № 1. - P.1-42.

123. Белянский П.В., Сергеев Б.Г. Управление наземными антеннами и радиотелескопами. -М: Сов.радио, 1980.

124. W.J.Welch, D.D.Thornton, R.Lohman. Observations of Jupiter, Saturn and Mercury at 1.53 centimeters. //MNRAS.- 1966. N.3. P. 799-809.

125. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. М.: Сов. радио,1974.

126. Айзенберг Г.З., Ямпольскшй В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Ч. 1. М.: Связь, 1977.

127. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. //М.: Высш. шк., 1988. С. 379-381.

128. Skwirzynski J.K., Thackray J.S. // The Marconi Rev. 1959. - V. 22, № 133. - P. 77.

129. Бахарев H.B., Глазман B.H., Мосалов И.В. Параболический рефлектор. Препринт НИРФИ №63. - Горький, 1974. - 10 с.

130. АС СССР № 402970 от 16.11.1971. Параболический рефлектор. /Бахарев Н.В., Глазман В.Н., Козицын Д.М., Мосалов И.В. БИ №42, 1973. - С.174.

131. Бахрах Л.Д., Могильникова К.И. // Изв. вузов. Радиофизика. 1964. - Т. 7, № 4. -С. 585.

132. Smith P. Measurement of the complete far-field pattern of large antennas by radio sources. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1966. - V.AP-14, №1. - P. 6-16.

133. Hartsuijker A.P., Baars J.W.M., et al. Interferometric measurements at 1415 MHz of radiation pattern of paraboloidal antenna at Dwingeloo radio observatory. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1972. - V.AP-20. - P. 166-176.

134. Калинин А.В., Беагон B.C., Киеляков Г.А., Мальцев В.П. Разработка радиоастрономического корреляционного метода измерения характеристик зеркальных антенн. // Изв. вузов. Радиофизика. 2002. - Т.45, №4. - С. 279-288.

135. Wade С.М. //Astroph. J. 1970. - V. 162. - P. 381-390.

136. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений. М.: Гос. изд. физ.-мат. лит., 1960.

137. Edwards C.D. Goldstone Intracomplex Connected Element Interferometry. // TDA Prog. Report. 1990.-V. 42-101. - P. 1.

138. A demonstration of real-time connected element interferometry for spacecraft navigation. / Edwards C.D., Rogstad D., Fort D., White L., Iijima B. // AAS 91-517, JPL. California, 1991.

139. Губанов B.C., Финкелынтейн A.M., Фридман П.А. Введение в радиоастрометрию.-М: Наука, 1983.

140. Алексеев В.А., Гатэлюк Э.Д., Липатов Б.Н. Сверхдлиннобазовая радиоинтерферометрия: определение координат искусственных космических объектов (основы метода). Препринт НИРФИ № 244. - Горький, 1987. - 36 с.

141. Шмельков И.Ф., Суловьев М.Н., Самойленко В.Н. Однопунктовый высокоточный радиоинтерферометр для определения угловых координат КА в реальном масштабе времени. //Радиотехнические тетради. ОКБ МЭИ. 1991. -№1. - С.11-17.

142. Cannon W.H., Langley R.B., Petrachenko W.T., Kouba J. Geodesy and Astrometry by Transatlantic Long Base Line Interferometry. // JGR. -1979. V.84, № Bl. - P. 229-236.

143. Ong K.M., MacDoran P.F. ets. A demonstration of a Transportable Radio Interferometric Surveying System With 3-cm Accuracy on a 307-m Base Line. // JGR. 1976. - V.81, №.20.-P. 3587-3593.

144. Шануров Г.А. Об использовании радиоинтерферометрии с независимыми стандартами частоты при создании геодезических сетей. // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -1978. №6. - С. 21-26.

145. J.Amagai, H.Kiushi, N.Kawaguchi. Short Baseline Experiments Using the Highly Transportable VLBI Station. // IEEE Trans. Instr &Mears. 1989. - V.38, №2. - P. 671675.

146. Millimeter Accuracy of Geodesic VLBI Measurements Achived on a 54-km Baseline. / N. Kawaguchi, N.Kurihara, J.Amagai, F.Takahashi, Y.Yoshimura. // IEEE Trans. Instr & Mears. 1989. - V.38, №2. - P.668-671.

147. Brown D.W. etc. Interagency telemetry arraying for Voyager-Neptune encounter. // TDA Progress Rep. aug.15, 1990. V. 42-102. - P. 91-113.

148. Глобальная спутниковая радионавигационная система (ГЛОНАСС) /ред. В.Н. Харисов, А.И. Перов, В.А. Болдин. М: ИПРЖР, 1998.

149. Thurman S.W. Information Content of a Single Pass of Phase-Delay Data from a Short Baseline Connected Element Interferometry. // TDA Prog. Report. 1990. - V. 42-101. -P. 26.

150. Сетевые спутниковые радионавигационные системы /ред. B.C. Шебшаевич. М: Радио и связь, 1993.

151. Корреляционно-фазовый пеленгатор "Ритм". Технические параметры. ОКБ МЭИ, 2002.

152. M.A.Garrett, е-VLBI: a Wide-field Imaging Instrument with Milliarcsecond Resolution & microJy Sensitivity. // arXiv:astro-ph/0409021. 1 Sep 2004. V.l.

153. Parsley, S. et al. //TVS 2004 General Meeting Processings, edited by N.R.Vandenberg and K.D.Baver, NASA/CP-2004-212255.

154. Witney, A.R. New Technologies for VLBI. / ed. Y.C.Minh. // ASP Conference Series.2003,-V. 306.-P. 123.

155. Thomasson P. // Quart J.Roy.Astron.Soc. 1986. - V. 27, N3. - P. 413-431.

156. Использование системы NAVSTAR для определения угловой ориентации объектов. /Абросимов В.Н., Алексеева В.И., Гребенко Ю.А., Лукин В.И., Мищенко И.Н., Новиков И.А. // Зарубежная радиоэлектроника. 1989. - №1. - С. 46.

157. Перьков А.Е. Синтез и анализ алгоритмов определения пространственной ориентации объекта по сигналам навигационных спутников. // Радиотехника. -2000. №7, «Радиосистемы», вып.46. - С. 86-95.

158. Кокорин В.И., Фатеев Ю.Л. Применение радионавигационой аппаратуры ГЛОНАСС/GPS для определения пространственной ориентации объектов. // 4-я

159. Российская научно-техническая конф. «Современное состояние, проблемы навигации и океанографии"». Труды. С.-Пб., 2001. - Т.1. - С. 223-227.

160. Напьер П. Дж., Томпсон А. Р., Экере Р. Д. Большая антенная решетка: конструкция и характеристики современного радиотелескопа апертурного синтеза // ТИИЭР. -1983.-Т. 71, №11.-С. 78-111.185. ТИИЭР.- 1973. -Т. 61, №9.

161. Алексеев В.А., Кротиков В.Д. // Изв. вузов. Радиофизика. 1969. - Т. 12, №5. -С. 651-654.

162. Озолинын Г.А. Фазостабильная система передачи частоты гетеродина для радиоинтерферометра с высокой разрешающей способностью. // Аппаратура и методы обработки радиоастрономических наблюдений. Рига, 1972. - С. 23-31.

163. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. -М: Связь, 1971. Т.2.

164. Гершман Б.Н. Динамика ионосферной плазмы. М.: Наука, 1974. - 204 с.

165. Эмпирические модели среднеширотной ионосферы. / Фаткулин М.Н., Зеленова Т.И., Козлов В.К. и др. -М.: Наука, 1981. -204 с.

166. Spoelstra Т.А.Т., Kelder Н. Effects produced by the ionosphere on radio interferometry. //Radio Sci. 1984. - V. 19, N3. - P. 779-788.

167. Афраймович Э.Л. Интерферометрические методы радиозондирования ионосферы. -М: Наука, 1982.

168. Афраймович Э.Л. и др. // Изв. вузов. Радиофизика. 1978.- Т.21. - С.338.

169. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. Моделирование измерений полного электронного содержания на GPS радиоинтерферометре. // Солнечно-земная физика. -2004,- вып. 4. С. 71-78.

170. Ионосферные эффекты солнечного затмения 9 марта 1997 г. по данным GPS-радиоинтерферометра в Иркутске. / Афраймович Э.Л., К.С. Паламарчук, Н.П.

171. Перевалова, В.В. Чернухов, А.В. Лухнев, В.Т. Залуцкий. // Спутниковые системы связи и навигации. Труды международной научно-технической конференции. Изд-во Красноярского государственного технического университета, 1997. - С. 111-119.

172. Morimoto М. // Electr. Letters. 1965. - V.l, №7. - P. 192.

173. Большаков В.Д., Деймлих Ф., Голубев А.К., Васильев В.П. Радиогеодезические и электрооптические измерения. М: Наука, 1985.

174. Брейсуэлл Р.Н. и др. Станфордский пятиэлементный радиотелескоп. // ТИИЭР. -1973. Т.61, №9. - С. 103-114.

175. Kuhr Н., Witzel A., Pauliny-Toth I.I.K., Nauber U. A Catalogue of Extragalactic Radio Sources Having Flux Densities Greater than 1 Jy at 5 GHz. Preprint № 99. - Max-Planck-Institut fur Radioastronomie, 1981.

176. Pacholczyk A.G. A Handbook of Radio Sources. Part One. Pachart Publishing House, Tucson, 1978.

177. Kuhr H., Nauber U., Pauliny-Toth I.I.K. and Witzel A. A Catalogue of Radio Sources. -Preprint № 55. Max-Planck-Institut fur Radioastronomie, 1981.

178. Bridle A.H., Davis M.M., Fomalont E.B., Lequeux J. // Astron.J.-1972. V.77. -P.405-443.

179. Eichendorf W., Reinhardt M. //Acta Cosmologica. 1980. - DLXX, Z.9. - P.7-48.

180. Smith H.E., Spinrad H., Smith E.O. //Publ.Astron.Soc.Pacif. -1976.-V.88, № 525,-P.621-646.

181. Baars J.W.M., Genzel R., Pauliny-Toth I.I.K., Witzel A. // Astronom.Astrophys. -1977. -V.61. P. 99.