Российский фонд
фундаментальных
исследований

Физический факультет
МГУ им. М.В.Ломоносова
 

Труды Института прикладной астрономии РАН № 58. СПб.: ИПА РАН. 2021

 

Быков В.Ю. «Модернизированное устройство съёма угловых координат РТ-32» Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 3-10 (2021)

Устройство съёма угловых координат (УСУК) обеспечивает съём данных об угловом положении радиотелескопа с первичных датчиков угла. УСУК входит в состав системы наведения антенной системы радиотелескопа РТ-32 и во многом определяет её точностные характеристики. Действующее УСУК главного зеркала было установлено более 10 лет назад, УСУК вторичного зеркала (контррефлектора) (УСУК КР) – более 17 лет назад. УСУК имеет следующие основные характеристики, определяющие точность измерения угловых координат: разрешение измерения угловой координаты главного зеркала 20 бит, контррефлектора – 14 бит; амплитуда характеристики нелинейности индуктосинов – (20–40)″ частота обновления координат – 35 Гц. Указанные параметры удовлетворяют требованиям по точности при наблюдениях на основных рабочих длинах волн радиотелескопа РТ-32, однако для успешных наблюдений на более коротких длинах волн требуется улучшение указанных параметров. Необходимо увеличить разрешение измерения координат для обоих зеркал, уменьшить амплитуду характеристики нелинейности индуктосина и увеличить частоту измерения координат. В последние годы проведены исследования особенностей работы УСУК. Выявлены недостатки схемотехнических решений, ограничивающие реализацию потенциальной точности измерения координат с помощью штатных датчиков угла радиотелескопа РТ-32, и проработаны пути их устранения. Полученные результаты позволили провести глубокую модернизацию аппаратно-программных средств УСУК и УСУК КР. В результате модернизации УСУК и УСУК КР достигнуты следующие основные характеристики: разрешение измерения угловой координаты увеличено до 24 бит для основного зеркала и до 16 бит для вторичного; уменьшена амплитуда характеристики нелинейности индуктосинов до (7–10)″; частота измерения координат увеличена до 125 Гц. Модернизированные УСУК и УСУК КР установлены на все радиотелескопы РТ-32 РСДБ-комплекса «Квазар-КВО».

Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 3-10 (2021) | Рубрика: 18

 

Бурмистров Е.В., Елантьев И.А., Кононаева С.А., Муркин А.О. «Метод натурных измерений профиля интенсивности излучения в зоне космического аппарата для спутникового лазерного дальномера наземного базирования» Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 11-16 (2021)

Поводом для настоящей работы послужила идея д.т.н. Васильева В. П., высказанная в частной беседе, о проведении эксперимента по локации космического аппарата в пролетном режиме: опорно-поворотное устройство неподвижно, выставлено в упреждающую точку траектории, лоцируемый объект проходит диаграмму направленности излучения в процессе сеанса лазерной дальнометрии. Система наведения, лишенная углового шума, обеспечит соответствие плотности ответов в центре диаграммы излучения энергетическому расчету. Задача решена осреднением статистики, накапливаемой в серии последовательных пролетов. Основная цель работы – реализация пролетного режима локации на серийном изделии. Экспериментальная часть работы проводилась на станциях «Сажень-ТМ», при этом первые статистически значимые сеансы накоплены в обсерватории «Светлое». Методика формирования программы движения состояла в интерполяции угловых целеуказаний и масштабирования времени; прогноз дальности оставался без изменений. Интервал обнаружения полезного дальномерного сигнала от КА ГЛОНАСС составил 10 с, что соответствует времени 5 последовательных пролетов. Соотношение сигнал/шум при этом снизилось пропорционально доле пролетных участков от общего времени проводки (8–15%), что не мешало уверенному детектированию сигнала в дневном режиме локации. Тут использовано обстоятельство, что на этапе проектирования системы «Сажень-ТМ» заложено соотношение сигнал/шум исходя из необходимости получения несмещенных оценок дальности, что существенно выше порогового значения сигнал/шум, требуемого для детектирования сигнала и в этом параметре есть запас. Реализация идеи пролетного режима привела к созданию инструмента – метода натурных измерений распределения интенсивности излучения по сечению лазерного пучка в зоне орбиты космического аппарата пропорционально темпу отраженных сигналов, регистрируемых в одноэлектронном режиме локации при прохождении космическим аппаратом зоны излучения. Искомый профиль интенсивности излучения есть результат построения плотности распределения моментов дальномерных событий по их реализации в серии центральных пролетов с приведением размерности аргумента к угловым координатам пропорционально угловой скорости космического аппарата вдоль проводки.

Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 11-16 (2021) | Рубрика: 18

 

Гренков С.А., Крохалев А.В., Федотов Л.В. «Экспериментальные исследования сверхширокополосного аналого-цифрового преобразователя для радиоастрономической аппаратуры» Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 17-23 (2021)

Современные системы приема и преобразования радиоастрономических сигналов на радиотелескопах развиваются в сторону расширения рабочей полосы частот и максимального использования цифровых методов обработки сигналов. Использование в таких системах сверхширокополосных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) позволяет отказаться от большей части аналоговых устройств в сигнальном тракте радиотелескопа, исключив их известные недостатки. Прямое цифровое преобразование сигналов в диапазонах частот L, C, S и Х, которые часто используются в радиоастрономических наблюдениях, а также в диапазоне 2–14 ГГц в соответствии с концепцией VGOS, требует АЦП с рабочей частотой дискретизации сигналов порядка 20 ГГц и выше. Одним из коммерчески доступных АЦП, способных работать с такой тактовой частотой, является микросхема HMCAD5831 фирмы Hittite Microwave. Поиск путей использования таких АЦП для создания цифровых радиоастрономических систем требует экспериментального исследования характеристик указанной микросхемы с учетом специфики преобразования широкополосных радиоастрономических сигналов. Рассмотрены параметры, структура и особенности работы указанной микросхемы. Для исследования сверхширокополосного АЦП была разработана и изготовлена экспериментальная установка на основе отладочной платы с HMCAD5831 и платы цифровой обработки сигналов на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) ХС7К325Т. Дано описание методики исследования основных характеристик сверхширокополосного АЦП: характеристики преобразования сигнала, амплитудно-частотной характеристики, дифференциальной нелинейности преобразования. Приведены результаты измерения указанных характеристик, а также спектры гармонического и широкополосного шумового сигналов после их преобразования в исследуемом АЦП. Показано, что существенное значение для обеспечения корректной работы сверхширокополосного АЦП имеют точность установки и стабильность опорных напряжений, а также взаимная синхронизация портов, на которые поступают выходные данные АЦП. С этим связаны основные трудности использования микросхемы HMCAD5831 в радиоастрономической аппаратуре. Исследования показали, что АЦП HMCAD5831LP9BE обеспечивает стабильное и точное преобразование широкополосных сигналов в 3-разрядные коды с тактовой частотой дискретизации до 16 ГГц. Увеличение тактовой частоты до 20 ГГц и более требует специального проектирования, а также тщательного и высокоточного изготовления печатной платы для микросхемы АЦП и всех сопутствующих устройств. АЦП этого класса можно использовать в радиоастрономии. Как гармонические, так и шумовые сигналы могут быть успешно оцифрованы, введены в ПЛИС и методами многопотоковой обработки данных преобразованы в нужную форму, что вполне возможно на базе ресурсов современных ПЛИС. Основной трудностью при этом будет недостаточная доступность микросхем сверхвысокочастотных АЦП даже в коммерческом исполнении в условиях торговых санкций.

Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 17-23 (2021) | Рубрика: 18

 

Данилова Т.В., Архипова М.А., Маслова М.А. «Система автономной навигации для малых космических аппаратов в составе кластера» Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 24-29 (2021)

Цель исследования – разработка астрономической системы автономной навигации для малых космических аппаратов, которые входят в состав орбитальной группировки, называемой кластером, при условии наличия в кластере аппарата-лидера, оценки орбиты которого известны с высокой точностью. Функционирование системы основано на визировании в оптико-электронном приборе аппарата-лидера. Основные решаемые задачи: формирование комплекса измерителей (оптико-электронных приборов), разработка навигационной вектор-функции и соответствующей градиентной матрицы, определение условий функционирования системы, при которых точность формируемых навигационных определений достигает уровня точности визируемого аппарата-лидера. Основные методы исследования – метод наименьших квадратов и имитационное моделирование. В процессе создания имитационной модели функционирования системы автономной навигации решаются следующие вопросы: во-первых, обеспечивается решение навигационной задачи с итерационной обработкой результатов измерений по методу наименьших квадратов и формированием множества показателей точности навигационных определений; во-вторых, разрабатываются оригинальные алгоритмы, определяющие метод навигации, к которым прежде всего относится формирование векторов измеренных и расчетных значений навигационных параметров и соответствующей градиентной матрицы. С применением разработанной имитационной модели исследованы два вида кластеров низкоорбитных космических аппаратов, для каждого из которых сформировано множество условий, обеспечивающих апостериорную точность сформированного навигационного поля на уровне погрешностей оценок орбиты аппарата-лидера. Приведенные результаты показали высокие точностные характеристики рассматриваемой системы навигации, а следовательно, и возможность ее применения в бортовых комплексах управления малыми космическими аппаратами в составе кластера.

Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 24-29 (2021) | Рубрика: 18

 

Зорин М.С., Кумейко А.С., Кен В.О. «Vision – программное обеспечение для визуализации результатов корреляционной обработки РСДБ-данных» Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 30-35 (2021)

После проведения корреляционной обработки РСДБ-данных возникает необходимость анализа полученных результатов. При этом форму корреляционного отклика, его основные параметры и спектральные характеристики сигнального тракта удобно представлять в графическом виде. На сегодняшний день существуют программы постпроцессорной обработки, с помощью которых можно осуществлять вычисление параметров корреляционного отклика, однако они не дают наглядного представления о внешнем виде отклика и стабильности его параметров в течение времени наблюдения. После использования таких программ пользователю требуется дополнительно производить визуализацию результатов и, в случае необходимости, оценку флуктуаций параметров. Целью данной работы являлось создание многофункционального программного обеспечения (ПО), позволяющего создавать удобные графические отчеты по результатам корреляционной обработки РСДБ-наблюдений на корреляторе RASFX. В процессе достижения этой цели при разработке ПО на языке Python использовался аппарат математического анализа для осуществления вычислений параметров корреляционного отклика и их последующей визуализации. Результатом работы является разработанное авторами ПО Vision, предназначенное для создания отчетов по результатам обработки РСДБ-наблюдений на корреляторе RASFX. Vision осуществляет чтение выходных данных коррелятора RASFX, вычисление параметров корреляционного отклика: задержки в корреляционном окне, частоты интерференции, отношения сигнал-шум и оценку флуктуаций параметров отклика внутри отдельных сканов сеансов наблюдений. Итог работы Vision – построение изображений и графиков измеренных характеристик и представление их в виде PDF-отчета по сеансу наблюдений. Отчеты включают в себя все построенные графики и вычисленные значения для каждого частотного канала всех сканов сеанса наблюдений. Также в Vision реализована возможность создания отчетов по результатам синтеза частотных каналов. Создаваемые отчеты могут использоваться для анализа результатов корреляционной обработки РСДБ-данных по всему сеансу наблюдений или для представления конкретных интересующих результатов по отдельным сканам.

Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 30-35 (2021) | Рубрика: 18

 

Кобяков Р.С., Новожилов Р.Н., Писарев И.А., Жеглов А.В., Медведев С.Ю. «Некоторые методы повышения точности компенсации фазовой нестабильности при передаче сигналов частоты и времени» Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 36-40 (2021)

Нестабильность частоты выходных сигналов водородных стандартов частоты и времени (СЧВ) на суточном интервале времени измерений имеет величину порядка 2·10–16. При передаче потребителю эти сигналы приобретают дополнительные фазовые возмущения, величина которых зависит от температурных коэффициентов изменения фазы, входящих в систему передачи оптических и коаксиальных кабелей, лазерных и фотодиодов, распределительных усилителей сигналов и т. д. Вклад электронных составляющих системы передачи в итоговую фазовую нестабильность достигает 50 пс/°C. Чтобы сохранить нестабильность частоты сигнала на приёмном конце линии передачи, близкой к нестабильности частоты выходных сигналов СЧВ, необходимо, чтобы вносимые этой системой передачи вариации фазовой задержки не превышали 1 пс. В статье рассмотрены описанные в литературе пути снижения вносимой фазовой нестабильности переданного потребителю сигнала СЧВ: снижение температурных коэффициентов изменения фазы, термостатирование, компенсация. Описаны их ограничения. Точность и скорость термостатирования ограничивается габаритами устройств. Точность компенсации фазовой нестабильности ограничивается элементами системы передачи, не охваченными петлёй компенсации. Для преодоления этих ограничений предлагается модем, разработанный авторами. В модеме добавлен и апробован новый алгоритм стабилизации температуры измерительных каналов компенсатора. Стабилизация температуры измерительных каналов достигается за несколько секунд с точностью 0.1°. Интерфейс модема позволяет включить в петлю компенсации внешний изолирующий усилитель. Представлена схема такого подключения. В условиях обогрева и охлаждения с размахом 20° корпусов передающего модема и внешнего усилителя, расположенного на стороне принимающего модема, нестабильность частоты, вносимая системой передачи с внешним усилителем на интервале времени измерений 10000 c, достигла величины менее: – 3.4·10–16 при включении внешнего усилителя вне петли компенсации; – 3.2·10–17 при включении внешнего усилителя внутри петли компенсации. При этом в разработанном модеме фронт импульсного сигнала 1 PPS на приёмном конце линии привязан к сигналу 100 МГц, поэтому компенсация нестабильности частоты сигнала 100 МГц позволяет также поддерживать синхронизацию импульсных сигналов между входом передающего и выходом принимающего модема.

Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 36-40 (2021) | Рубрика: 18

 

Корнев А.Ф., Балмашнов Р.В., Коваль В.В. «Пикосекундные Nd:YAG лазеры с субджоулевым уровнем энергии для лунной лазерной дальнометрии» Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 41-50 (2021)

Представлено сравнение двух схем мощных пикосекундных лазерных усилителей с субджоулевым уровнем выходной энергии, работающих на частоте следования импульсов 200 Гц, которые могут быть использованы в лунной лазерной дальнометрии: (1) однокаскадная шестипроходовая на активном элементе Nd:YAG ∅15×140 и (2) двухкаскадная двухпроходовая на двух активных элементах Nd:YAG ∅15×140 мм и ∅10×140 мм. В работе приведены основные экспериментальные результаты испытаний и сравнение схем. Выходная энергия импульсов излучения 1064 нм в схемах (1) и (2) составила 0.53 Дж и 0.92 Дж, длительность импульсов – 81 пс и 71 пс соответственно. Выходная энергия схемы (2) была ограничена эффектом мелкомасштабной самофокусировки. Выходное излучение в каждой схеме было преобразовано во вторую гармонику с помощью кристалла LBO. Эффективность генерации второй гармоники в схемах (1) и (2) составила 54 и 79% соответственно. Энергия излучения на длине волны 532 нм составила 286 мДж и 730 мДж в схемах (1) и (2) соответственно. Выходная энергия схемы (2) была ограничена эффектом мелкомасштабной самофокусировки. Обе разработанные схемы обладают высокой стабильностью формы импульса, высокой выходной энергией и высокой частотой следования импульсов. Однокаскадная схема (1) имеет меньшую себестоимость за счет использования одного каскада усиления, но является более сложной. Энергия импульса на выходе усилителя (1) достаточна для использования его в лунной лазерной дальнометрии. Схема (2) устойчива к разъюстировкам, в ней проще компенсировать термически наведенное двулучепреломление и нестационарные искажения волнового фронта. Схема (2) позволяет получить более высокую равномерность распределения интенсивности излучения в ближнем поле и меньшую расходимость излучения. Значения выходной энергии на длинах волн 1064 нм и 532 нм, которые получены в схеме (2), являются рекордными для данного класса лазеров.

Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 41-50 (2021) | Рубрика: 18

 

Миронова С.М., Курдубов С.Л., Гаязов И.С. «Построение ряда всемирного времени из комбинирования результатов обработки часовых сессий РСДБ-наблюдений по программе IVS Intensive» Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 51-56 (2021)

Построен комбинированный ряд оценок всемирного времени с использованием результатов обработки часовых сеансов РСДБ-наблюдений по программе IVS Intensive за 2015–2020 гг. Для построения комбинированного ряда были собраны результаты обработки РСДБ наблюдений в формате SINEX файлов, полученные различными центрами анализа. Ряд SINEX файлов центра анализа ИПА РАН был получен с помощью программы QUASAR. SINEX файлы различных центров анализа были скомбинированы с использованием программы SINCOM на уровне нормальных уравнений. Выполнено сравнение комбинированного ряда всемирного времени и рядов рассматриваемых центров анализа (индивидуальных рядов) с эталонными рядами Международной службы вращения Земли и систем отсчета (IERS). В качестве эталонных реализаций использовались долгосрочный ряд C04 IERS, и оперативный ряд «finals», создаваемый срочной службой IERS в центре анализа USNO. На рассматриваемом интервале комбинированный ряд хорошо согласуется с опорными рядами C04 и «finals»: среднеквадратические отклонения от опорных рядов C04 и «finals» равны 23 и 19 мкс соответственно.

Труды Института прикладной астрономии РАН № 58, с. 51-56 (2021) | Рубрика: 18