Система автоматизации радиоастрономических наблюдений межпланетных мерцаний тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

-Л РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ^ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ % РЕВОЛЮЦИИ

4 ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н. ЛЕБЕДЕВА

Аетрокосмический Центр

На правах рукописи

СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ МЕЖПЛАНЕТНЫХ МЕРЦАНИЙ.

(01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Астрокосмическом Центре Физического института им.П.Н.Лебедева Российской Академии Наук

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук

ВласовВ.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Кузьмин А.Д. (ПрАО АКЦ ФИАН) доктор физико-математических наук. Чернов Г.П. (ИЗМИРАН)

Ведущая организация:

Институт Радиотехники и Электроники (ИРЭ) РАН.

Защита состоится «18 » мая 1998 года в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д.002.39.01 при

Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской Академии наук по адресу: 117924, Москва, Ленинский проспект 53, ФИАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН

Автореферат разослан 1998г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.002.39.01

кандидат физико-математических наук

Ю.А. Ковалев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Актуальность любой научно-технической работы по созданию экспериментальной базы и обеспечению необходимых условий проведения исследований непосредственно определяется актуальностью конкретных научных задач.

Предлагаемая система автоматизации предназначена для обеспечения радиоастрономических наблюдений межпланетных мерцаний космических радиоисточников. Межпланетные мерцания представляют собой амплитудную модуляцию радиоволн за счет дифракционных и интерференционных эффектов возникающих при прохождении радиоизлучения через неоднородную межпланетную плазму. При этом на Земле наблюдается дифракционная картина, движущаяся относительно наблюдателя со скоростью, примерно равной скорости солнечного ветра. Наблюдатель регистрирует мерцания - быстрые изменения интенсивности радиоисточника. Этот эффект мерцаний радиоисточников подобен видимому в ночном небе мерцанию звезд.

В научном плане наблюдения межпланетных мерцаний используются в двух направлениях. Первое направление нацелено на исследование солнечного ветра - околосолнечной и межпланетной плазмы. Второе применение наблюдений межпланетных мерцаний направлено на исследование самих мерцающих радиоисточников, используя знания о межпланетной плазме и о характеристиках вызываемых ею мерцаний наблюдаемых радиоисточников.

Исследования межпланетной плазмы посредством наблюдений межпланетных мерцаний в своем развитии претерпели несколько этапов. На первом этапе сразу после открытия эффектов мерцаний радиоизлучения космических источников очень малых угловых размеров было необходимо

изучить характеристики межпланетных мерцаний, реализовать их как метод исследования солнечного ветра и получить этим методом первую самую общую информацию о межпланетной среде. Объем наблюдательной информации на этом этапе исследований был относительно невелик и вполне выдерживал возможности ручной обработки данных наблюдений. К следующему этапу условно можно отнести период активного внедрения радиоастрономического метода мерцаний в исследования средних характеристик межпланетной плазмы: измерения величины и направления скорости солнечного ветра по многопунктовым наблюдениям межпланетных мерцаний; измерения временных спектров мерцаний и оценка по ним пространственных характеристик неоднородностей электронной плотности, ответственных за эффекты мерцаний; изучение временных и пространственных зависимостей средних характеристик солнечного ветра и т.д. При этом объем наблюдательной информации, накапливаемой на бумажной или магнитной ленте, возрос настолько, что для ее обработки все шире стала применяться вычислительная техника того периода. Следующий этап исследований, включающий в себя и настоящее время, связан с дальнейшим совершенствованием радиотелескопов и, прежде всего, повышением чувствительности и увеличением скорости перестановки диаграммы направленности. Это позволило перейти от изучения средних характеристик к детальным исследованиям межпланетной плазмы одновременно в пределах всей видимой области неба. Разработанный и реализованный на Пущинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН (ПРАО АКЦ ФИАН) метод картографирования индексов мерцаний посредством наблюдений межпланетных мерцаний сотен радиоисточников в день позволяет получать ежедневные радиоизображения межпланетной плазмы и тем самым изучать динамику солнечного ветра в пределах видимой

области внутренней гелиосферы. Одной из уникальных возможностей метода картографирования межпланетной плазмы является выявление распространяющихся от Солнца крупномасштабных возмущений и, в частности, межпланетных ударных волн генерируемых солнечными вспышками. В научном отношении такие исследования особенно актуальны для решения проблем солнечно земной физики. Возможность выявлять межпланетные ударные волны, следить за их распространением от Солнца; оценивать геометрию, скорость и направление движения фронта волн открывает путь практическому применению метода картографирования дам предсказания геофизических возмущений, вызванных активными процессами на Солнце. Очевидно, что эти исследования вообще немыслимы без автоматизации наблюдений на базе современной вычислительной техники, как в силу большого объема наблюдательной информации, так и большого объема операций управления процессом проведения наблюдений. Еще более жесткие требования в этом отношении возникают при проведении таких наблюдений в целях прогнозирования геофизических возмущений, в силу необходимости оперативного получения результатов наблюдений.

Второе направление наблюдений межпланетных мерцаний - применение их для исследования радиоисточников очень малых угловых размеров, составляющих доли угловых секунд. Для этого используется модель солнечного ветра, построенная по средним характеристикам величины и направления скорости солнечного ветра, а также по величине флуктуаций неоднородностей электронной плотности. То есть, используются те характеристики, которые исследуются в первом направлении. При этом можно исследовать как уже известные источники, так и ставить задачу обнаружения новых радиоисточников. Классический интерферометрический метод получения высокого углового разрешения связан с большими

материальными затратами и сложностью всех этапов наблюдений и обработки. Мерцания же, в принципе, связаны с "точечными" источниками, т.е. на неоднородностях межпланетной плазмы флуктуирует (мерцает) излучение радиристочников очень малых угловых размеров, порядка одной угловой секунды? и меньше. Причем, наблюдения межпланетных мерцаний наиболее эффективны именно в метровом диапазоне волк, где интерферометрический метод наблюдений встречает большие трудности.

Одна из актуальных задач - это обзор неба мерцающих источников. Дело в том, что обзоров неба протяженных источников очень много, а обзор неба мерцающих источников ранее сделан всего один и с чувствительностью приблизительно на порядок уступающей чувствительности антенны БСА (Большая Синфазная Антенна) ФИАН. Для обзора неба (на многолучевой диаграмме направленности БСА) необходимо иметь возможность одновременного съема информации по многим каналам в реальном режиме времени. Такой обзор мерцающих источников имеет вареные космологические приложения, которые связаны с подсчетом мерцающих источников, с поиском крупномасштабных неоднородностей Вселенной, с выяснением природы мерцающих источников и многие другие.

Целью работы и основными задачами исследования являются создание на основе современных ЭВМ типа IBM технической системы и математического обеспечения для автоматического управления процессом наблюдений межпланетных мерцаний; сбора и оперативной обработки наблюдательных данных, их накопления и последующей полной обработки результатов наблюдений.

Научная новизна работы. Впервые в СССР была выбрана идеология, отработана схема полной автоматизации антенно-аппаратурного комплекса радиотелескопов типа антенных решеток БСЛ и РВК-151 (радиоастрономическая антенна на 151 МГц из элементов «волновой канал») на основе ЭВМ с платформой Intel х86. Предложенная схема автоматизации была реализована в виде сйстсмы полной автоматизации наблюдений и обработки наблюдений межпланетных мерцаний источников, которая включает управление антенно-аппаратурным комплексом радиотелескопов БСА и РВТС-151, оперативную обработку текущей информации в режиме реального времени, накопление и хранение первичной информации.

Практическая ценность работы заключается в расширении наблюдательных возможностей радиотелескопов метровых волн БСА и РВК-151 за счет использования ЭВМ типа IBM PC. Разработанная идеология построения системы автоматизации может быть использована также на других радиотелескопах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

21-й Всесоюзной конференции по радиоастрономической аппаратуре (Ереван, 1989);

25-й радиоастрономической конференции (Пущипо, 1993);

26-й радиоастрономической конференции (Санкт-Петербург, 1995);

2-й открытой городской научной конференции молодых ученых (Пушино, 1997);

27-й радиоастрономической конференции (Санкт-Петербург, 1997);

а также на семинарах и научных сессиях ПРЛО АКЦ ФИАН, АКЦ ФИАН и опубликованы в 16 печатных работах. Результаты внедрены на радиотелескопах • БСА и РВК Путинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН и обеспечивают наблюдения межпланетных мерцаний с 1991г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 93 страницы, включая список литературы из 86 библиографических ссылок, 5 таблиц и 20 рисунков.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Выбор идеологии и отработка схемы полной автоматизации антенно-аппаратурного комплекса радиотелескопов типа антенных решеток (БСА и РВК-151) на основе ЭВМ с платформой Int.cix.o6.

2. Создание системы полной автоматизации всего процесса наблюдений межпланетных мерцаний космических радиоисточников, которая включает управление антенно-аппаратурным комплексом радиотелескопов БСА и РВК-151, оперативную обработку текущей информации в режиме реального времени, накопление и хранение первичной информации.

3. Создание программного обеспечения по управлению антенно-аппаратурным комплексом, сбору, хранению и оперативной обработке информации по наблюдениям мерцающих источников.

Содержание работы

Содержание диссертации изложено во введении, трех главах, заключении и приложении.

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы задачи диссертационной работы и приведено краткое её содержание.

Первая глава посвящена краткому обзору развития азт>матичированных систем управления (АСУ). В ней проведен обзор и анализ интерфейсов устройств связи с объектом (УСО) и аппаратных вычислительных средств на период постановки задачи. В последующих двух параграфах автор показывает развитие на текущий момент аппаратных вычислительных и программных средств АСУ. Раздел 1.6 посвящен проблеме выбора технических и программных средств системы автоматизации, соответствующих поставленной задаче. В следующем разделе 1.7 описываются этапы развития системы автоматизации от момента постановки задачи до текущего времени. В последнем разделе этой главы дан краткий обзор применения УСО в радиоастрономических системах за последние 5 лет.

В начале второй главы описывается антенно-аппаратурный комплекс для радиоастрономических исследований межпланетной плазмы. Далее приводится описание аппаратных и программных средств автоматизированной системы наблюдений межпланетных мерцаний на БСА и РВК-151, построенной на базе двух ЭВМ IBM PC, обеспечивающей полный автоматический режим наблюдений без вмешательства оператора. В параграфах 2.4 и 2.5 показан автоматический процесс проведения наблюдений. Вопросу контроля и диагностики системы на соответствие предъявляемым требованиям посвящен раздел 2.6. Далее в разделе 2.7 дан обзор некоторых результатов полученных па радиотелескопах БСА и РВК с

помощью системы автоматизации наблюдений межпланетных мерцаний. В последнем разделе данной главы автор показал дальнейшие шаги развития системы.

В третьей главе приводится описание аппаратных и программных средств автоматизированной станции обзора мерцающих источников на БСА, созданной на Одном компьютере IBM PC. Для управления антенной БСА используется центральный компьютер БСА. Параграф 3.4 посвящен контролю и диагностике станции обзора. В заключительном разделе 3.5 дан обзор некоторых' научных результатов полученных на станции обзора мерцающих источников.

В заключении дано изложение основных результатов проведенной работы и выводов, которые базируются на полученных результатах.

В приложении дано краткое описание адаптера РС-КАМАК, который широко используется в данной работе.

Публикации по теме диссертации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 16 печатных работах:

КАзаренков Ю.И., Извеков Б.К., Исаев Е.А., Костромин В.И., Лапаев К.А., Мазурин И .Г., Соин А.Г., Толкачев K.M. Многоканальный автоматизированный комплекс для наблюдений межпланетных мерцаний. XXI Всесоюзная конференция "Радиоастрономическая аппаратура Тез.докл., Ереван, АН АССР, 1989,с. 296.

2.Власов В.И., Кутузов С.М., Шишов В.И., Азаренков Ю.И., Исаев Е.А., Костромин В.И., Соломин Н.С. Антенная решетка из элементов "волновой канал" на 151 МГц. XXVI радиоастрономическая конференция . Тез. докл.,

f TT------— TJTTA 1 ппС л ООО

, J-JJJJ-1., JOi.

3.Илясов Ю П;> Опетко B.R.. Алексеев И.А., Лопотенко О.В.. Исаев Е.А.. Хечинашвили Г.Н. Комплекс ведения Пульсарной шкалы времени на РАС ФИАН. XXV радиоастрономическая конференция Л ез, докл., Пущино, L993, с. 252.

4.Исаев Е.А., Ховпун И.Н. Автоматизированная система наблюдений межпланетных мерцаний на антеннах БСА и РВК-151. XXVI радиоастрономическая конференция. Тез.докл., С.-Петербург, ИПА, 1995, с. 394.

5.Исаев Е.А., Лапаев К.А., Тюльбашев С.А. Автоматизированная станция обзора мерцающих источников. XXVI радиоастрономическая конференция. Тез. докл., С.-Петербург, ИПА, 1995,с. 386.

6.Исаев Е.А. Система автоматизации радиоастрономических наблюдений межпланетных мерцаний. Препринт 10, Москва, ФИАН, 1997.

7.Исаев Е.А. Автоматизация радиоастрономических наблюдений межпланетных мерцаний . II открытая городская научная конференция молодых ученых города Пущино. Тез.докл., Пущино, ПНЦ РАН, 1997, с. 267.

8.Исаев Е.А., Лапаев К.А., Тюльбашев С.А., Галат Е. В. Автоматизированный комплекс обзора мерцающих источников. Изв.ВУЗов «Радиофизика», 1997, t.XL, N5,с. 594.

9.Исаев Е.А. Автоматизированная система радиоастрономических наблюдений межпланетных мерцаний. Приборы и системы управления. N 7,с. 48.

10. Китаев В.В., Исаев Е.А., Логвиненко C.B., Лапаев К.А., Пугачев В.Д. Вычислительная сеть для фундаментальных исследований космоса. Приборы и системы управления. N 8,с. 26.

П.Исаев Е.А., Лапаев К.А. Автоматизированная система для исследования активных ядер галактик. Приборы и системы управления. N 9,с. 19.

12. Китаев В.В., Исаев Е.А., Логвиненко C.B., Натапов П.Г., Галат Е.В., Учватов A.B. Развитие локальной вычислительной сети Пущинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН и организация доступа в Интернет. XXVII радиоастрономическая конференция. Тез. докл., С.Петербург, ИПА, 1997,т. 3,с. 150.

13.Исаев Е.А. Автоматизация наблюдений межпланетных мерцаний. XXVII радиоастрономическая конференция. Тез. докл., С.-Петербург, ИПА, 1997,т. 3,с. 144.

14.Власов В.И., Исаев Е.А. Внутренняя гелиосфера в цикле солнечной активности. XXVII радиоастрономическая конференция. Тез. докл., С.Петербург, ИПА, 1997,т. 2,с. 68.

15.Артюх B.C., Тюльбашев С.А., Исаев Е.А. Особенность космологической эволюции квазаров. XXVII радиоастрономическая конференция. Тез. докл., С.-Петербург, ИПА, 1997,т. 1,с. 156.

16.Власов В.И., Кутузов С.М., Шишов В.И., Азаренков Ю.И., Исаев Е.А., Костромин В.И., Соломин Н.С. Радиоастрономическая антенна на 151 МГц из элементов "волновой канал", Препринт 47, Москва, ФИАЛ, 1997.

Личный вклад автора.

В работе 1 автор разрабатывал средства сопряжения многоканального радиометра с УСО в стандарте КАМАК.

В работах 2,4,5,8,11,15,16 основное авторское участие в создании аппаратуры и программного обеспечения систем автоматизации радиоастрономического эксперимента.

В работе 3 автор принимал участие в разработке аппаратуры в стандарте КАМАК.

В работах 10,12 автор принимал участие в создании локальной вычислительной сети ПРАО АКЦ ФИАН.

В работе 14 автором осуществлена разработка программного обеспечения для обработки наблюдений межпланетных мерцаний. Работы 6,7,9,13 выполнены автором самостоятельно.