Павлов С.Р., Бондаренко Ю.С., Маршалов Д.А. «Методика радиолокационного картирования Луны» Труды Института прикладной астрономии РАН № 67, с. 3-7 (2023)

Радиолокация является одним из наиболее эффективных методов наземного дистанционного исследования Луны, который позволяет получать изображения ее поверхности с пространственным разрешением, не достижимым для наземных средств измерений на других длинах волн. Этот метод заключается в освещении Луны радиолокационным сигналом, приеме отраженного сигнала (эхо-сигнала) и анализе его характеристик. При этом разрешающая способность радиолокационной системы не зависит от земной атмосферы и расстояния до цели, а задаётся характеристиками излучаемого сигнала. Радиолокационное изображение формируется в системе координат, связывающей доплеровский сдвиг по частоте с задержкой прихода эхо-сигнала, возникающих в результате движения передающей и приемной антенных систем относительно цели. Для практического использования получаемых таким образом изображений необходимо осуществить привязку радиолокационных изображений к селенографическим координатам. В данной работе предложен численный метод преобразования временной задержки и частоты эхо-сигнала к селенографической широте и долготе. Значения широты и долготы в любой точке радиолокационного изображения вычисляются на сетке узлов интерполяцией плоскостями, которые строятся по трем соседним узлам, образующим треугольники. Триангуляция сетки узлов выполняется с помощью метода Делоне таким образом, чтобы отклонение интерполируемых значений в пределах треугольников было минимальным. Методика была применена к радиолокационному изображению района кратера Тихо на длине волны 4.2 см. Полученная в результате радиолокационная карта охватывает область на поверхности Луны протяженностью ∼30° по долготе и 25° по широте, что соответствует размерам 600×600 км со средним пространственным разрешением в 120 м. В работе выполнена оценка точности полученной карты и проведено ее сравнение с оптическим изображением. Радиолокационные карты высокого разрешения лунной поверхности, полученные с использованием предложенного в работе метода, могут быть полезны для изучения геологической истории Луны, разведки и добычи полезных ископаемых, выбора безопасных посадочных площадок, особенно в связи с возросшим на сегодняшний день интересом многих стран к освоению Луны.

Самодуров В.А., Дагкесаманский Р.Д., Позаненко А.С., Долгушев А.В., Исаев Е.А., Орешко В.В. «Выявление радиоизлучения каскадных ливней космических лучей высоких энергий в многолетних непрерывных наблюдениях на радиотелескопе метровых волн БСА ФИАН» Труды Института прикладной астрономии РАН № 67, с. 8-13 (2023)

Одной из интереснейших задач астрофизики является исследование источников и механизмов образования космических лучей высоких и сверхвысоких энергий. Предполагается, что первичные космические лучи в энергетическом диапазоне 10¹⁶–10¹⁹ эВ порождаются как галактическими, так и (на более высоких энергиях) внегалактическими источниками. Один из способов регистрации космических лучей высокой энергии – фиксация излучения, порождаемого ШАЛ (Широкими Атмосферными Ливнями) от проникновения частиц космических лучей в атмосферу Земли. Максимум излучения от ШАЛ приходится на частоты от 100 до 110 МГц, на которых работает БСА ФИАН. В работе изложены методика и результаты анализа сотен тысяч импульсных сигналов с нулевой дисперсионной задержкой сразу во многих лучах диаграммы БСА для 2012–2020 гг. Для разных зон неба проанализированы интервалы наблюдений длительностью от одного года до 8 лет. Показано, что не реже, чем раз в несколько минут мы регистрируем события, проявляющие себя во многих лучах БСА ФИАН как сильный всплеск длительностью не более 12.5 мс (это наиболее короткий временной масштаб наших данных). Анализ показал, что весьма существенная часть этих данных (до десятков процентов от всего массива), по-видимому, генерируется именно ШАЛ. Распределение числа событий, судя по первым результатам анализа, находится в анти-корреляции с уровнем фона Галактики, что может давать косвенные указания в основном на внегалактическую природу космических частиц, порождающих ШАЛ. Проведен анализ сигналов и разделение их на различные фракции («дневную» и «ночную»). Они могут быть порождены разными сортами начальных космических частиц. Например, в верхних слоях атмосферы могут заканчивать свой путь высокоэнергичные фотоны (пик статистики – днем), а в нижних – классические тяжелые космические лучи (протоны, другие ядра атомов).

Гренков С.А., Федотов Л.В. «Синхронизация и стабильность задержки сигналов в многофункциональной цифровой системе радиотелескопа» Труды Института прикладной астрономии РАН № 67, с. 14-23 (2023)

При проведении радиоинтерферометрических наблюдений в сигнальном тракте радиотелескопа необходимо учитывать аппаратную задержку. Стабильность этой задержки и возможные ошибки синхронизации сигналов играют существенную роль в обеспечении точности РСДБ-измерений. Одним из основных элементов сигнального тракта радиотелескопа является система преобразования сигналов. В настоящее время все радиотелескопы комплекса «Квазар-КВО» оснащаются новыми цифровыми многофункциональными системами преобразования сигналов, которые имеют расширенную (до 2 ГГц) рабочую полосу частот входных сигналов и соответственно – высокую скорость аналого-цифрового преобразования (4 Гбит/с). Задержка и синхронизация сигналов в такой системе требуют специального исследования. В работе изучено влияние стабильности аппаратной задержки сигнала на точность радиоинтерферометрических измерений, обоснованы требования к указанной стабильности. Подробно рассмотрена синхронизация сигналов в многофункциональной цифровой системе, приведены соответствующие временные диаграммы, показаны особенности и преимущества технических решений по синхронизации сигналов. Описана методика и приведены результаты экспериментальных исследований задержки и фазовой стабильности сигналов в многофункциональной цифровой системе преобразования. При этом использованы как предусмотренные в системе возможности анализа сигналов, так и внешние стандартные измерительные приборы. Исследования показали, что в отличие от использовавшихся ранее систем преобразования сигналов в новой многофункциональной системе процесс аналого-цифрового преобразования синхронизован с метками времени. Это позволяет исключить ошибки при синхронизации отсчетов входного сигнала внутри каждой секунды. Вносимая сигнальным трактом многофункциональной системы фазовая нестабильность на порядок меньше расчетной погрешности определения задержки сигнала при РСДБ-наблюдениях с использованием широкополосных каналов и практически не может влиять на результаты наблюдений. Величина задержки сигнала при его обработке в канале многофункциональной системы варьируется в широких пределах в зависимости от режима наблюдений и решаемых системой задач. Однако она остается вполне определенной и неизменной в течение сеанса наблюдений.

Вахрушева У.С., Драгайло Л.П., Чигвинцев А.А. «Опыт практического использования радиометра водяного пара в Восточно-Сибирском филиале ФГУП «ВНИИФТРИ»» Труды Института прикладной астрономии РАН № 67, с. 24-28 (2023)

Для решения задач прецизионной навигации и других прикладных задач (например, трансляции меток точного времени по трансатмосферному каналу связи, решение задач радиоастрономии, обработка и анализ сигналов радиолокационных средств космического базирования и пр.) погрешность измерений, вызванная тропосферной задержкой, может оказаться весьма существенным негативным фактором. На территории Восточно-Сибирского филиала развернут и успешно эксплуатируется модернизированный метрологический комплекс оценки энергетических характеристик сигналов навигационных спутников, прежде всего спутников системы ГЛОНАСС. В состав указанного комплекса функционально входит радиометр водяного пара, позволяющий в том числе оценивать ослабление навигационного сигнала в тропосфере. Для получения необходимой точности работы радиометра водяного пара необходимо выполнять калибровку его высокочастотного тракта методом «вертикальных разрезов» атмосферы. В процессе эксплуатации радиометра водяного пара выяснено, что особенности его географического положения (возвышение над городом), а также близость к большим водным массам Иркутской гидроэлектростанции накладывают ограничения на азимут проведения калибровки. В процессе эксплуатации проводится непрерывное сравнение значений влажностной тропосферной задержки, измеряемой радиометром водяного пара, и значений, полученных в результате обработки глобальных ГНСС-данных. Полученные таким образом невязки позволяют проводить оперативный мониторинг состояния радиометра водяного пара и качества измерений.

Богданов П.П., Феоктистов А.Ю. «Результаты анализа передачи времени через ГНСС» Труды Института прикладной астрономии РАН № 67, с. 29-34 (2023)

Рассмотрены принципы формирования системных шкал времени глобальных навигационных спутниковых систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou и региональных навигационных спутниковых систем QZSS, NavIC, а также передачи системных шкал времени и шкалы координированного времени UTC потребителям, представлены результаты анализа передачи времени через ГНСС в 2022 г. Результаты получены на основе обработки данных информационной системы данных о динамике земной коры, отделения времени Международного бюро весов и мер и измерительных средств на пунктах Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли и в Национальном центре службы времени Китая. Полученные результаты показывают следующее: – в системе GPS расхождение системной шкалы времени относительно UTC поддерживалось в пределах ±5 нс, погрешность передачи системной шкалы времени и UTC потребителям также не превышала 5 нс; – расхождение системной шкалы времени ГЛОНАСС относительно UTC не превышало ±4 нс, за исключением отдельных интервалов. В то же время, в системе ГЛОНАСС по-прежнему сохранялась систематическая погрешность передачи системной шкалы времени и UTC потребителям ∼20 нс на интервале до 12.02.2022 и 35–40 нс после 12.02.2022; – расхождение системной шкалы времени Galileo относительно UTC поддерживалось в пределах ±5 нс; – в системе BeiDou расхождение системной шкалы времени относительно опорной шкалы времени поддерживалось в пределах ±10 нс. Однако значения расхождения системной шкалы времени BeiDou и UTC, передаваемые потребителям, находились в диапазоне от 15 нс до 30 нс; – в региональных навигационных спутниковых системах QZSS (Япония) и NavIC (Индия) расхождение системных шкал времени и UTC поддерживалось в пределах ±10 нс.

Жеглов А.В., Кобяков Р.С., Новожилов Р.Н., Медведев С.Ю. «Повышение дальности передачи сигналов частоты и времени модемами VCH-608» Труды Института прикладной астрономии РАН № 67, с. 35-43 (2023)

Рассмотрены особенности передачи сигналов частоты и времени в зависимости от протяжённости и элементного состава волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП) с учётом вносимых потерь и потерь, обусловленных отражением. Исследования проведены на базе двух модификаций волоконно-оптических модемов: VCH-608 и VCH-608.02. В модификации VCH-608 для организации дуплексной связи используется циркулятор. Модемы этой модификации связываются по одному волокну. Для передачи сигналов 100 МГц и 1 PPS необходимо использовать две длины волны 1310 нм и 1550 нм. Однако доступных оптических усилителей, одновременно работающих на этих двух длинах волн, нет. В модификации VCH-608.02 для организации дуплексной связи используется четыре волокна единого кабельного модуля. Это позволяет передавать сигналы 100 МГц и 1 PPS на одной и той же длине волны, а также упрощает использование в ВОЛП оптических усилителей и компенсаторов хроматической дисперсии. Проведено макетирование вариантов передачи сигналов частоты и времени парами сопряжённых модемов и их каскадами. Рассмотрены ограничения на оптический бюджет ВОЛП, связанные с эффектами хроматической дисперсии и вынужденного рассеяния Мандельштама–Бриллюэна. Дана методика оценки вносимой нестабильности при каскадировании ВОЛП. Экспериментально исследована работа ВОЛП с двумя каскадами. Показана возможность одновременной передачи сигналов 100 МГц и 1 PPS качества активного водородного стандарта частоты парой сопряжённых модемов через ВОЛП с оптическим бюджетом до 25 дБ на длине волны 1310 нм, что в пересчёте на номинальную длину ВОЛП соответствует 60 км, и с оптическим бюджетом до 29 дБ на длине волны 1550 нм, что в пересчёте на номинальную длину ВОЛП соответствует более 110 км, без использования оптических усилителей. При использовании двух последовательно соединённых каскадов (то есть участков типа: передающий модем – ВОЛП – принимающий модем, где выходные радиочастотные сигналы принимающего модема первого каскада поступают на радиочастотные входы передающего модема второго каскада) достижимая, но минимальная длина ВОЛП удваивается.

Беляев А.А., Воронцов В.Г., Горелов С.Д., Демидов Н А., Князев Д.Г., Поляков В.А., Тимофеев Ю.В. «Перспективный активный водородный стандарт частоты VCH-2021» Труды Института прикладной астрономии РАН № 67, с. 44-50 (2023)

Рассмотрены результаты инициативной разработки перспективного активного водородного стандарта частоты VCH-2021, основой которого служит квантовый водородный генератор с двойной сортировкой атомов водорода по квантовым состояниям. Проанализированы основные вклады в нестабильность частоты активных водородных стандартов частоты: влияние тепловых шумов резонатора и приемника. Поскольку нестабильность частоты на средних и длительных интервалах времени измерения в основном определяется тепловыми шумами резонатора, для уменьшения их вклада предложен метод двойной сортировки атомов водорода по квантовым состояниям. Рассмотрены основные конструктивные особенности системы двойной сортировки атомов и результаты расчётов количества атомов, ежесекундно попадающих в накопительную колбу. Обосновывается выбор конструкции инвертирующей области. На данный момент известны два метода создания области инверсии: метод быстрого изменения направления магнитного поля и метод адиабатического быстрого прохождения. Основным преимуществом метода адиабатического быстрого прохождения с точки зрения применения в серийно-выпускаемых приборах является отсутствие необходимости в тщательной экранировке области инверсии. Величина постоянной составляющей магнитного поля в этом методе составляет единицы Гс, в то время как для корректной работы метода быстрого изменения направления магнитного поля величина остаточных внешних магнитных полей не должна превышать 1 мкГс. Приведено описание основных электронных узлов VCH-2021. В приборе применена система цифровой фазовой автоподстройки частоты кварцевого генератора и система цифровой автоматической настройки резонатора. Это позволило уменьшить температурный коэффициент фазы выходных сигналов активных водородных стандартов частоты на уровне 2пс/°С; упростить регулировку; повысить точность, воспроизводимость, стабильность, компактность. Разработан модуль управления системой двойной сортировки атомов, обеспечивающий подачу постоянного тока и генерацию частоты зеемановских переходов, необходимые для работы инвертирующей области по методу адиабатического быстрого прохождения.

Карутин С.Н., Кузенков А Н. «Научно-технические проблемы развития системы ГЛОНАСС в современных условиях» Труды Института прикладной астрономии РАН № 67, с. 51-54 (2023)

Рассмотрены вопросы использования услуг системы ГЛОНАСС для решения задач социально-экономического развития и научных исследований в современных условиях. Приведены текущие и перспективные требования потребителей к навигационным услугам. На основе анализа текущего состояния системы ГЛОНАСС и перспектив развития зарубежных глобальных навигационных спутниковых систем предложена стратегия развития национальной навигационной системы. Предложена классификация пространственных и непространственных методов повышения помехоустойчивости навигационной аппаратуры потребителя. Представлены прогноз развития рынка помехоустойчивой аппаратуры и общая стратегия развития ГЛОНАСС на период до 2030 г.