Приборы и техника эксперимента, 2022, № 6, стр. 111-124

ВВЕДЕНИЕ

Важной задачей координатно-временного и навигационного обеспечения Российской Федерации являются траекторные измерения космических аппаратов (КА) в дальнем и ближнем космосе, которые предполагают проведение интенсивных позиционных оптических, радиотехнических, светолокационных наблюдений сетью наземных станций или автономную навигацию с помощью бортовых приемников глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) [1]. Наиболее перспективным средством навигации КА являются автономные бортовые приемники ГНСС, однако наземные наблюдательные средства, несомненно, еще долгое время будут оставаться необходимым дополнением к спутниковой навигации для низко- и среднеорбитальных КА и практически безальтернативным инструментом для навигации КА в дальнем космосе.

В настоящее время российский радиоинтерферометрический со сверхдлинными базами (РСДБ) комплекс “Квазар-КВО” [2] обладает всеми возможностями для проведения высокоточных наземных радиотехнических наблюдений КА в дальнем космосе и светолокационных наблюдений низко- и среднеорбитальных искусственных спутников Земли (ИСЗ).

В состав комплекса “Квазар-КВО” входят три 32-метровых и три 13-метровых радиотелескопа, которые могут быть использованы для РСДБ, псевдодальномерных и доплеровских наблюдений КА. Все антенные системы комплекса размещены в пунктах колокации РСДБ, светолокационных средств измерений (ГЛОНАСС/GPS и DORIS), что позволяет осуществлять привязку измерений КА к земной системе координат c максимально возможной точностью. Актуальность применения комплекса “Квазар-КВО” для наблюдений КА в ближнем и дальнем космосе обусловлена следующими факторами:

• возможностью проведения измерений практически по любым радиосигналам КА: от широкополосных до монохроматических, в L-, S-, X- и Ka-диапазонах;

• гибкой системой первичной обработки, основанной на использовании аппаратных и программных корреляторов ИПА РАН [3, 4];

• высокой, вплоть до субсантиметровой, точностью измерений временных задержек приема сигналов станциями РСДБ-сети;

• возможностью использования приемников ГНСС и радиометров водяного пара для компенсации атмосферных задержек [5];

• опытом РСДБ-наблюдений КА навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Beidou, КА серии Космос, КА РадиоАстрон, Mars Express [6];

• возможностью проведения высокоточных дифференциальных РСДБ-наблюдений КА и квазаров;

• возможностью использования комплекса для отработки методики траекторных РСДБ-наблюдений КА.

В данной статье описан опыт применения средств комплекса “Квазар-КВО” для организации оперативных РСДБ-измерений КА, первоначальная информация о котором ограничивается его элементами орбиты и примерным диапазоном радиоизлучения.

ШИРИНА ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ РАДИОТЕЛЕСКОПОВ КОМПЛЕКСА “КВАЗАР-КВО” И ДОПУСТИМЫЕ ОШИБКИ ЭФЕМЕРИД КА

Возможность точного наведения радиотелескопа зависит от точности эфемерид КА и ширины диаграммы направленности антенны. Известное выражение для ширины диаграммы направленности по половине мощности для параболической антенны имеет вид

где θ, рад – ширина диаграммы направленности по половине мощности; λ, м – длина волны; D, м – диаметр антенны.

В табл. 1 приведены оценки ширины диаграммы направленности радиотелескопов РТ-13 и РТ-32 на различных длинах волн.

На рис. 1 приведены оценки допустимой ошибки эфемерид КА в зависимости от высоты его орбиты для соответствующих длин волн и типов радиотелескопов. Видно, что допустимая ошибка эфемерид при использовании радиотелескопов комплекса “Квазар-КВО” варьируется от долей (для низкоорбитальных ИСЗ) до тысяч километров (для высокоорбитальных КА).

Выполнение требований к точности эфемерид при использовании радиотелескопов комплекса “Квазар-КВО” для наблюдений КА обычно достигается использованием актуальных элементов орбиты.

НАБЛЮДАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА

Начиная с июля 2020 года была проведена серия РСДБ-наблюдений КА с использованием 32- и 13-метровых радиотелескопов обсерваторий Светлое, Зеленчукская, Бадары РСДБ-комплекса “Квазар-КВО”. Названия экспериментов, даты проведения, длительности и комментарии приведены в табл. 2. Краткие обозначения радиотелескопов, используемые в тексте и в таблице следующие: Sv – РТ-32, Светлое; Sw – РТ-13, Светлое; Zc – РТ-32, Зеленчукская; Zv – РТ-13, Зеленчукская; Bd – РТ-32, Бадары; Bv – РТ-13, Бадары. Правая и левая круговые поляризации обозначаются RCP и LCP, соответственно. Различные космические аппараты в таблице обозначены как КА₁, КА₂ и КА₃.

Для эфемеридных расчетов использовались достаточно грубые векторы начальных положений и скоростей КА. Эти векторы служили начальными данными для численного интегрирования уравнений движения КА с помощью программного комплекса ЭРА [7], по результатам которого составлялась программа наблюдений для системы управления MarkIV Field System [8]. Отметим, что в некоторых случаях интервал прогноза составлял больше одного месяца, а в одном случае мы имели дело с некорректными начальными данными. Эти эксперименты были обработаны на программных корреляторах RASFX [3, 4] и DiFX [9], результаты этой обработки будут приведены в следующих разделах.

ОБРАБОТКА ДАННЫХ СЕАНСА RU0852

В наблюдениях участвовали только радиотелескопы РТ-13 Bv, Zv, Sw. Были использованы следующие настройки оборудования: генератор пикосекундных импульсов выключен; регистрировались полосы частот шириной 512 МГц от 2163.9 до 2675.9 МГц в правой и левой круговых поляризациях. Всего было записано 6 сканов по 30 мин.

Последующий анализ спектра принятых радиосигналов позволил установить, что нами использовались некорректные начальные данные о векторе положения КА и его скорости, что позволило наблюдать КА в течение только части запланированного времени. Однако возможности комплекса “Квазар-КВО” позволили не только выделить сигнал наблюденного КА, но и проанализировать структуру его радиосигнала, а затем и получить доплеровские измерения этого КА.

Анализ полученных в сеансе RU0852 автокорреляционных спектров от отдельных радиотелескопов позволил обнаружить характерный линейчатый спектр, состоящий из пяти пиков шириной 260 кГц между крайними пиками и 130 кГц между вторым и четвертым пиками. Установлены следующие частоты для каждого пика: 2254.68, 2254.74, 2254.81, 2254.87, 2254.94 МГц.

На рис. 2 приведен автокорреляционный спектр сигналов в правой круговой поляризации со станций Zv и Bv, вырезана часть спектра с шириной полосы 4 МГц и шагом по частоте 976.5625 Гц (4096 точек на спектре). Длительность интервала усреднения при этом составляла 1 с. Полученный автокорреляционный спектр сильно отличается от ожидаемого спектра, который должен был быть похожим на спектр навигационных спутников ГЛОНАСС.

На рис. 3 приведен автокорреляционный спектр сигналов в правой круговой поляризации со станций Zv и Bv, вырезана часть спектра с шириной полосы 1 МГц и шагом по частоте около 61 Гц (16384 точек на спектре). Длительность интервала усреднения составляла 150 мкс.

Спектры радиосигналов, зарегистрированных двумя станциями, смещены друг относительно друга в результате доплеровского смещения. Регистрация одинаковых структур на инструментах, удаленных друг от друга на 4400 км, позволила допустить, что наблюдается один и тот же космический объект искусственного происхождения. Для подтверждения этого предположения была проведена корреляционная обработка данных, полученных станциями Zv и Bv. Данные о движении КА в виде положений и скоростей в зависимости от времени использовались для расчета априорной модели интерферометрической задержки.

Корреляционная обработка производилась не во всей полосе 512 МГц, а на пяти выделенных участках шириной 32 кГц и с шагом по частоте 1 кГц со спектральными линиями по центру. Время накопления было установлено равным 1 мс. Сначала имеющийся 30-минутный скан был разделен на интервалы длиной 5 с, затем каждый такой интервал был обработан отдельно. Таким образом, на выходе с коррелятора были получены отсчеты взаимных корреляционных спектров: 32 точки по частоте и 5000 точек по времени. Выбранные параметры позволяют получить корреляционные окна по задержке и по скорости изменения задержки (частоте интерференции) – 640 мкс и 443.5 нс/с, соответственно.

В силу того что для наблюдений использовались некорректные эфемериды, модель задержки пришлось корректировать. Для этого в нее вводились квадратичные поправки. Стандартные средства коррекции модели задержки в корреляторе DiFX ограничены возможностью корректировки сдвига и хода часов станций. Это работает с объектами звездного типа, но не подходит для быстродвижущихся КА. Для работы с такими объектами было разработано программное обеспечение, которое работает по следующему алгоритму:

• на первой итерации корреляционной обработки находятся поправки часов для каждой станции, обычно с использованием наблюдений яркого радиоисточника; после того как корреляционный отклик выставляется в нулевую задержку в корреляционном окне, происходит переход к работе с сигналом КА;

• в зависимости от величины амплитуды сигнала записанный скан разбивается на небольшие отрезки времени – интервалы, которые обрабатываются по отдельности, с тем чтобы, с одной стороны, обеспечить достаточное отношение сигнал/шум (ОСШ), а с другой – не допустить размывания корреляционного отклика из-за некорректной модели задержки; подобрав такие значения времени накопления коррелятора и длительности интервалов, программа переходит к коррекции модели;

• далее обрабатываются полные данные наблюдений, причем не обязательно делать обработку всех измерений – для скорости можно выбрать всего несколько точек в начале, в середине и в конце; после этого программой постпроцессорной обработки вычисляются значения задержки и скорости изменения задержки для каждого интервала; по этим значениям вычисляются коэффициенты корректирующего полинома, поправки вводятся в задание коррелятора, и процесс повторяется.

На рис. 4 приведены примеры кросскорреляционных откликов для одного из 5-секундных интервалов усреднения. Зависимость кросскорреляционной функции от временной задержки для спектральных компонент на частотах 2254.68, 2254.81 и 2254.94 МГц имеет форму провала (рис. 4а, 4в, 4д соответственно), для компонент на частотах 2254.74 и 2254.87 МГц – форму горба (рис. 4б, 4г соответственно). Программы постпроцессорной обработки, которые мы используем, не позволяют вычислить по таким данным задержку сигнала, но дают возможность получить частоту интерференции.

На рис. 5 приведены графики скорости изменения задержки для центральной линии по 5-секундным интервалам с трендом (рис. 5б) и с удаленным трендом (рис. 5в). Кроме того, на рис. 5а приведено отношение сигнал/шум. Полезный сигнал обнаружен в течение чуть более 20 мин первого скана, затем он пропадает полностью. Пропадание сигнала может быть связано с выходом наблюдаемого КА из диаграммы направленности антенны РТ-13 вследствие неточных целеуказаний. Согласно рис. 5а, 5в, точность измерения частоты интерференции сильно зависит от ОСШ. При значениях ОСШ около 100 и более точность измерения частоты интерференции достигает нескольких пикосекунд в секунду, а при уменьшении ОСШ до 10 составляет несколько десятков пикосекунд в секунду.

Сигнал КА, наблюдаемого в сеансе RU0852, не позволяет измерять с высокой точностью интерферометрическую задержку. Однако измерения частоты интерференции в режиме РСДБ или доплеровское смещение и интегральная фаза, наблюдаемые в режиме одиночного телескопа, дают возможность проводить траекторные измерения КА с достаточной точностью.

ОБРАБОТКА ДАННЫХ СЕАНСА RU0859

1 декабря 2020 года был проведен 20-минутный тестовый сеанс с участием радиотелескопа РТ-32 Sv в обсерватории Светлое и с тремя радиотелескопами РТ-13 Bv, Zv, Sw. Настройки оборудования радиотелескопов РТ-13 были следующие: генератор пикосекундных импульсов выключен, регистрация полосы частот шириной 512 МГц (от 2163.8 до 2675.8 МГц) в правой и левой круговых поляризациях. Настройки оборудования радиотелескопа РТ-32 были такими: генератор пикосекундных импульсов выключен, регистрация по четыре полосы частот шириной 32 МГц (начало полос: 2251.99, 2267.99, 2283.99, 2299.99 МГц) в правой и левой круговых поляризациях. Всего было записано 2 скана: длительностью 1 мин наблюдений квазаров и 15-минутный скан наблюдения КА. Целеуказания были рассчитаны с использованием корректного вектора начального положения и скорости целевого КА. Обработка данных выполнялась корреляторами RASFX и DiFX с целью сравнения полученных результатов.

На рис. 6 приведены автокорреляционные спектры, полученные по наблюдениям радиотелескопов РТ-13, при времени усреднения 430 мкс и шаге по частоте около 488 Гц. Анализ автокорреляционных спектров от отдельных радиотелескопов позволил обнаружить характерный колоколообразный спектр в правой и левой круговых поляризациях с шириной “колокола” 44 МГц.

Коррелятором DiFX проводилась совместная обработка наблюдений радиотелескопов РТ-13 и РТ-32 только для левой круговой поляризации, поскольку амплитуда сигнала в левой круговой поляризации выше, чем в правой. Вычислялись отсчеты взаимных корреляционных спектров по центральной части “колокола” шириной 16.384 МГц с периодом накопления 2 мс и спектральным разрешением 2 кГц (8192 отсчета в спектре), что позволяло находить корреляционный отклик в корреляционном окне шириной 500 мкс по задержке и 500 Гц по частоте интерференции (соответственно 0.22 мкс/с по скорости изменения задержки).

Поскольку исходные целеуказания были довольно точными, частота интерференции оказалась небольшой, что позволило объединить периоды накопления в секундные интервалы и на каждом из них вычислить задержку и частоту интерференции. Далее модель интерферометрической задержки была итеративно скорректирована полиномами второй степени.

После нескольких итераций проведена окончательная обработка с периодом накопления 2 мс и спектральным разрешением 16 кГц (1024 отсчета в спектре), выходные данные усреднялись на секундных интервалах.

На рис. 7, 8 приведены графики амплитуды взаимной корреляционной функции, остаточной интерферометрической задержки и остаточной скорости изменения задержки по секундным интервалам. Сильный полезный сигнал обнаружен на всем протяжении 15-минутного скана. Точности измерения задержки (среднеквадратическое отклонение) и частоты интерференции для каждой базы приведены в табл. 3.

С целью отработки методики и сравнения результатов проводилась также независимая обработка данных наблюдений сеанса RU0859 коррелятором RASFX. Обрабатывалась вся полоса излучения КА, “колокол” шириной 44 МГц. Коррелятором вычислялись взаимные корреляционные спектры с разрешением 31.25 кГц с периодом накопления 40 мс. Полученные коррелятором RASFX авто- и взаимные корреляционные спектры аналогичны спектрам, полученным коррелятором DiFX (см. рис. 6). Далее также шло объединение данных на секундных интервалах, для каждого интервала были получены значения групповой задержки и ОСШ. Дальнейшие итерации проводились только с использованием данных левой поляризации, в которой ОСШ выше.

Затем была проведена вторая итерация обработки данных. По полученным в ходе первой итерации значениям РСДБ-задержек были уточнены исходные эфемеридные данные. Была проведена переработка данных. Для вычисления точности определения задержек полученные невязки были аппроксимированы полиномом второго порядка. Результаты – амплитуды корреляционных откликов и невязки задержек за вычетом аппроксимирующего полинома – представлены на рис. 9.

Точности определения задержек составили 13.2 пс для базы Bv–Sw, 52.7 пс для базы Bv–Zv и 43.2 пс для базы Sw–Zv.

Сигнал КА, наблюдаемого в сеансе RU0859, позволяет измерять с высокой точностью частоту интерференции и интерферометрическую задержку. В режиме одиночного телескопа при наличии генератора кода потенциально возможны измерения псевдодальности, доплеровского смещения и интегральной фазы, что дает возможность проводить траекторные измерения КА с точностью, аналогичной траекторным измерениям навигационных спутников ГЛОНАСС.

ОБРАБОТКА  ДАННЫХ СЕАНСА RU0860

2 декабря 2020 года был проведен 35-минутный тестовый сеанс с участием радиотелескопов РТ-32 Bd, Zc, Sv и РТ-13 Zv, Sw. Настройки оборудования для радиотелескопов РТ-13 были следующие: генератор пикосекундных импульсов выключен, регистрация полосы частот шириной 512 МГц (от 2163.8 до 2675.8 МГц) в правой и левой круговых поляризациях. Настройки оборудования радиотелескопов РТ-32 были такими: генератор пикосекундных импульсов выключен, регистрация по четыре полосы частот шириной 32 МГц (для Sv начало полос 2251.99, 2267.99, 2283.99, 2299.99 МГц; для Bd, Zc – 2257.99, 2273.99, 2289.99, 2305.99 МГц) в правой и левой круговых поляризациях. Записаны 2 скана по одной минуте для наблюдений квазаров и 30-минутный скан наблюдений КА.

На рис. 10 приведены автокорреляционные спектры КА, полученные на радиотелескопах РТ-13 при времени усреднения 43 мкс и шаге по частоте 488 Гц. Анализ автокорреляционных спектров радиотелескопов позволил обнаружить характерный колоколообразный спектр в правой и левой поляризациях.

Обработка данных сеанса RU0860 на корреляторе DiFX проводилась аналогично обработке сеанса RU0859. Поскольку амплитуда сигнала в левой круговой поляризации выше, чем в правой, а ширина полосы РТ-13 позволяет провести обработку колоколообразного сигнала КА целиком, дальнейшая работа осуществлялась с данными РТ-13 левой круговой поляризации. Вычислялись отсчеты взаимных корреляционных спектров по центральной части “колокола” шириной 40.96 МГц с периодом накопления 2 мс и спектральным разрешением 20 кГц (2048 отсчетов в спектре), на выходе коррелятора данные усреднялись на односекундных интервалах времени. В процессе корреляционной обработки модель интерферометрической задержки была итеративно скорректирована полиномами второй степени. После нескольких итераций проведена окончательная обработка. На рис. 11 приведены графики амплитуды, остаточной интерферометрической задержки и остаточной скорости изменения задержки по секундным интервалам. Сильный полезный сигнал обнаружен на всем протяжении 30-минутного скана. Точности измерения задержки (среднеквадратическое отклонение) и частоты интерференции для каждой базы приведены в табл. 4.

Аналогично сеансу RU0859, данные сеанса RU0860 были обработаны коррелятором RASFX с определением задержки на секундных интервалах. Амплитуды корреляционных откликов и невязки задержек, полученные по результатам обработки сессии наблюдений RU0860 коррелятором RASFX, представлены на рис. 12.

Точности определения задержек составили 20.4 пс для базы Bv-Sw, 34.9 пс для базы Bv-Zv, 58.6 пс для базы Sw-Zv.

МНОГОЧАСОВОЙ СЕАНС RU0861

15 декабря 2020 года был проведен первый многочасовой сеанс наблюдений КА для отработки следующих методик: поиска наиболее близких к целевому КА квазаров; квазиодновременных наблюдений КА и квазаров; компенсации атмосферных задержек и ошибок часов станций РСДБ-комплекса “Квазар-КВО” в полученных РСДБ-измерениях. Наблюдения целевого КА 40-минутными отрезками времени чередовались с наблюдениями внегалактических источников по стандартной геодезической программе в течение 20 мин. Данные по внегалактическим источникам были обработаны на корреляторе и находятся в процессе анализа, ведется подготовка к обработке данных КА.

В настоящее время обработка и анализ данных сессии RU0861 продолжаются.

ВЫВОДЫ И ПЛАНЫ

Показаны потенциальные возможности РСДБ-комплекса “Квазар-КВО” для оперативных траекторных измерений КА с различными типами излучаемых радиосигналов. Продемонстрированы возможности корреляторов ИПА РАН для анализа и обработки наблюдений КА. Оценены точности РСДБ-измерений для КА, излучающих сигналы с различными типами модуляции, спектры которых аналогичны спектрам сигналов навигационных ИСЗ GPS, ГЛОНАСС или представляют собой линейчатый набор монохромных сигналов.

Начата работа по компенсации атмосферных задержек и ошибок часов станций с использованием квазиодновременных наблюдений квазаров. C этой целью проведен сеанс RU0861 и будут проводиться многочасовые сеансы наблюдений целевого КА.

В дальнейшем планируется обработка полученных из наблюдений данных с целью уточнения орбиты целевого КА.