Построение спутниковой системы передачи данных для радиоинтерферометров со сверхдлинными базами

История развития радиоинтерферометрии началась с двухэлементного интерферометра, состоящего из двух радиотелескопов, соединенных линией связи. Кабельная или волноводная линия, связывающая антенны, служила, как правило, для подачи гетеродинных сигналов на преобразователи частот и передачи принятых и преобразованных сигналов от антенн на вход корреляционного приемника.

Самый большой радиоинтерферометр такого типа, который удалось осуществить в 1980 году, — это антенная решетка УЬА в США с максимальной базой порядка 36 км [1]. В том же 1980 году вступил в строй многоэлементный радиоинтерферометр в Англии. Максимальная база этого телескопа составила 134 км, а в качестве канала раздачи напряжения гетеродина и сбора принятых сигналов использовалась радиорелейная линия [2].

В своем стремлении увеличить базу радиоинтерферометра и, следовательно, повысить разрешающую способность интерферометра, радиоастрономы пришли к идее «независимой радиоинтерферометрии» [3−5]. В таком интерферометре линия связи между антеннами отсутствует, сигналы записываются независимо на магнитные ленты на каждом радиотелескопе, а записи в последующем совместно обрабатываются. При этом результаты наблюдений появляются по прошествии определенного времени, после того как все магнитные ленты будут свезены в одно место и совместно обработаны. Реализация этой идеи позволила увеличить базы радиоинтерферометра до размеров порядка диаметра Земли, а в последние годы подойти к практической реализации еще большего увеличения базы за счет выноса элементов интерферометра в космос. В настоящее время техника радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) приобрела необычайно широкое применение в самых различных областях фундаментальной и прикладной науки, а теория РСДБ тщательно разработана [6−8].

Главным недостатком интерферометра с независимой записью сигнала является невозможность получения результата в «реальном времени», а также ограниченное время когерентного накопления сигнала.

Для преодоления этих недостатков на следующем этапе развития РСДБ, была сделана попытка построить линию связи для интерферометра с базой в тысячи километров. Для построения такой линии был выбран спутниковый канал связи. В пионерском исследовании [9,10] были осуществлены наблюдения на двухэлементном интерферометре, одна из антенн которого находилась в Канаде (Алгонкуин), а другая вСША (Грин Бэнк), связь осуществлялась через спутник HERMES. В результате был получен интерферометрический отклик в «реальном времени». В работе [10] было сделано предложение использовать канал связи не только для передачи результатов наблюдений, но и для синхронизации часов и гетеродинов радиотелескопов. Однако в дальнейшем эти работы развития не получили.

Настоящая работа посвящена анализу новых возможностей, которые приобретает радиоинтерферометр со сверхдлинной базой, благодаря созданию специальных каналов связи между антеннами интерферометра и центром обработки, разработке таких каналов связи для радио-интерферометрической сети Российской академии наук КВАЗАР, разработке методов синхронизации удаленных атомных часов и экспериментальному исследованию каналов связи и методов синхронизации на созданной специализированной сети спутниковой связи.

Создание РСДБ реального времени и разработка точных и оперативных методов синхронизации важно для решения целого ряда фундаментальных и прикладных научных проблем, которые возникли в последние десятилетия на стыке таких наук как астрометрия, радиоастрономия, физика Земли и космическая геодезия. Дня иллюстрации сложности указанных проблем приведем несколько примеров.

При изучении Земли как сложной динамической системы в настоящее время невозможно получить качественно новую информацию без регулярного определения глобальных параметров ее вращения по отношению к инерциальной системе координат и постоянного мониторинга положений опорных пунктов, разнесенных на глобальные расстояния, с оперативностью в несколько часов. Требования оперативности обусловлены амплитудно-частотной характеристикой возмущений вращательного движения Земли и деформаций земной коры под действием таких геофизических факторов, как динамическое взаимодействие жидкого ядра и упругой мантии, внутренняя конвекция вещества, резонансы между свободными и вынужденными колебаниями, приливные деформации тела Земли и водной поверхности, влияния атмосферных течений и т. д.

Прикладная задача предсказания землетрясений по измерениям деформаций земной коры требует точности измерений лучше 1 см и высокой оперативности. Именно в связи с этой задачей создается PC ДБ система «реального времени» в Японии (Key Stone Project) [11,12] для оперативного обнаружения деформаций земной коры, являющихся предвестниками землетрясений.

Режим реального времени необходим при сопровождении космических аппаратов в Солнечной системе на конечных этапах рабочей траектории, например, при посадке аппарата на Марс. Он также необходим при работе космического интерферометра.

Современное понимание задач координатно-временного обеспечения (КВО) и методов их решения [13,14] предъявляет абсолютно новые требования к синхронизации удаленных атомных часов. Это связано в первую очередь с идеей колокации всех средств КВО на фундаментальных опорных пунктах КВО, при этом оказывается, что возможность независимым способом сличать часы с точностью порядка 0,1 не является кардинальной для реализации потенциальной точности всех этих средств.

• Актуальность выбранной темы определяется новыми научными задачами, которые могут быть решены благодаря созданию широкополосных линий связи, соединяющих элементы РСДБ и созданию метода синхронизации с высокой точностью.

• Задачи, решаемые РСДБ «реального времени» .

Можно выделить по крайней мере три области, в которых необходимо применение интерферометра реального времени, — это фундаментальное координатно-временное обеспечение, прикладное КВО и дальняя космическая навигация.

Задачей фундаментального КВО [13,14] является определение на высшем уровне точности небесных и земных опорных систем координат и времени, а также текущих параметров, их взаимного согласования и ориентации. Важнейшей особенностью современных систем КВО является их глобальный и комплексный характер. Только путем глобального применения разнообразных измерительных средств можно сейчас получить качественно новую информацию в области изучения динамической фигуры Земли, ее гравитационного поля, вращательного движения, внутреннего строения и т. д. Параметры этой сложной динамической системы непрерывно изменяются во времени. Общеземные геоцентрические системы координат неразрывно связаны с параметрами вращения Земли. Для целей современной фундаментальной науки настоятельно необходимо проведение тонких внутрисуточных измерений вариаций во вращательном движении и деформациях Земли. Поэтому ее требование к оперативности независимых определений параметров вращения Земли составляет несколько часов.

Значения ПВЗ для обеспечения космических программ и нужд обороны в ряде случаев необходимо получать с такой же оперативностью [37].

Важно отметить, что так называемый «динамический метод» определения ПВЗ, построенный на лазерных наблюдениях спутника ЛАГЕОС или на радиотехнических ОРЭ-измерених, в принципе, не обладает необходимой оперативностью. Параметры вращения Земли определяются этими методами из совместной обработки данных на глобальных сетях за длительный интервал времени 5−15 суток.

Еще одной задачей, требующей работы РСДБ в режиме реального времени, является космическая навигация. В последние годы в коорди-натно-временном обеспечении космических программ все шире применяется метод РСДБ, который в сочетании с радиотехническими методами измерений псевдодальности и скорости космических аппаратов позволяет рассчитывать на полную замену «баллистического» обеспечения космических полетов на их непрерывное сопровождение. Методами РСДБ возможно обеспечить такое сопровождение практически во всем пространстве солнечной системы. Для осуществления сопровождения космических аппаратов во время подлетов к планетам, например, при посадке аппарата на Марс, требуется работа РСДБ в реальном времени.

• Задачи синхронизации часов.

С созданием новых наземных и космических средств измерений происходит сближение координатных и временных определений. Например, в методе РСДБ для линейных, угловых и временных определений применяется одна и та же техника измерений временных задержек. Измерение временных интервалов лежит в основе современных определений дальности, а затем и угловых координат, в методе лазерной локации ИСЗ, Луны и в методе позиционирования с помощью спутниковых навигационных систем.

С физической точки зрения пространственные и временные координаты есть стороны единого процесса, связанного с передачей сигнала из одной точки четырехмерного пространства-времени в другую. Отсюда вытекает единство задачи относительных координатно-временных измерений методом регистрации моментов прихода одного и того же фронта электромагнитной волны на разнесенные в пространстве пункты наблюдений. При этом, если вытекающая из требований фундаментального КВО точность координатных измерений на поверхности Земли составляет 1−3 см, то требования к измерениям времени и синхронизации часов, удаленных на глобальные расстояния, должна составлять 0,1 не [13].

Рассмотрим практические примеры, иллюстрирующие потребности современных средств координатно-временных измерений к синхронизации часов.

• РСДБ наблюдения.

Известно, что в результате наблюдений на РСДБ сети внегалактических радиоисточников и решения на этапе вторичной обработки системы условных уравнений могут быть найдены координаты этих источников, измерены проекции всех баз сети и определены параметры синхронизации часов всех пунктов. Проводя регулярные наблюдения внегалактических радиоисточников, координаты которых известны с высокой точностью (до 0″ 0001), можно синхронизовать часы наблюдательных пунктов с точностью порядка 0.1 не и лучше. Возможность определять небесные и земные координаты и синхронизировать часы методом РСДБ, а также находить параметры связи между этими координатами, благодаря размещению на пунктах РСДБ разнообразных оптических и радиоизмерительных средств КВО, позволила создать современную координатно-временную систему отсчета, закрепленную сетью таких опорных пунктов. В связи с этим возникает проблема распространения фундаментальной системы отсчета на остальную территорию, которая также требует поиска средств независимой высокоточной синхронизации часов и будет рассмотрена ниже.

С точки зрения получения максимально точных конечных результатов РСДБ координатных измерений, возможность синхрони-зовывать часы пунктов с точностью 0,1 не, но физически независимым образом, имеет принципиальное значение. Это связано с тем, что при ограниченном числе баз и большом числе определяемых параметров возникают корреляционные связи, затрудняющие решение системы уравнений и, в конечном счете, снижающие точность измерений.

Модельные расчеты, выполненные рядом авторов [15,16], показывают, что при наличии независимой синхронизации часов пунктов РСДБ существенно повышается точность координатных определений.

• Распространение координатно-временной системы отсчета.

Задача распространения координатно-временной системы отсчета состоит в оперативном определении трехмерных координат и времени произвольного пункта непосредственно в системе отсчета. Эта задача может быть решена с помощью передвижного пункта РСДБ, работающего совместно с базовой сетью РСДБ. Передвижная РСДБ станция содержит все системы стационарной станции (атомные стандарты, систему магнитной записи, радиотелескоп с антенной диаметром порядка 6 метров) и в силу этого дорога и мало оперативна.

Другой способ решения задачи основан на использовании передвижного пункта РСДБ наблюдений навигационных ИСЗ и системы независимой синхронизаци часов. Теоретический анализ и модельные расчеты этого метода [15] показывают, что передать систему координат на определяемый пункт геометрическим способом (без знания точных эфемерид навигационных ИСЗ) можно только в том случае, если удастся передать туда и шкалу времени этой системы без потери точности.

• Распространение Государственной системы единого времени и эталонных частот.

Государственная система единого времени и эталонных частот базируется на Государственном эталоне в Москве и его копии в Иркутске. После ввода в строй РСДБ сети КВАЗАР система получит мощную поддержку в виде группового хранителя времени на пунктах комплекса КВАЗАР, синхронизированных между собой с точностью не хуже 0,1 не. Однако, эта поддержка будет действительно эффективной, если оба удаленных эталона и другие хранители можно будет синхронизировать между собой без потери внутренней точности. В настоящее время водородные стандарты имеют стабильность порядка 5−10″ 15 на суточном интервале. В ближайшее время может быть достигнута стабильность 1015. Тогда для сличения стандартов такой стабильности необходимо решить задачу синхронизации часов на глобальных расстояниях с точностью не хуже 0,1 не.

Второй задачей распространения единой шкалы времени является передача шкалы большому числу разнородных потребителей для решения их прикладных задач. При этом требуется передать шкалу времени с ограниченной, наперед заданной, точностью, но с минимальными затратами. Эта задача может быть решена с помощью спутникового канала связи с малыми земными станциями, так называемыми, VSAT (Very Smoll Aperture Terminal) системами. Последнее стало возможно в связи с совершенствованием спутниковых ретрансляторов и быстрым внедрением новых спутниковых систем.

• Задача синхронизации гетеродинов.

Известно, что существенным недостатком независимой интерферометрии является невозможность проведения фазовых измерений. Это связано с тем, что отклик интерферометра содержит случайные фазовые ошибки из-за нестабильности гетеродинов и флуктуаций электрической толщи тропосферы. Случайные фазовые набеги ограничивают время когерентного накопления, что ведет к снижению чувствительности радиоинтерферометра по потоку и ограничивает таким образом возможность наблюдения слабых источников. Стабильность частоты гетеродинов определяется стабильностью задающих стандартов частоты. Время когерентного накопления сигнала в РСДБ системах Т, определяемое нестабильностью стандарта, может быть оценено с помощью дисперсии Алана [17].

Т=1/соау (Т). (1).

Здесь со — частота гетеродина, а дисперсия Алана ау (7) определяет относительную нестабильность стандарта как функцию интервала времени.

Дисперсия Алана хорошо измерена для основных типов стандартов. На Рис. 1, приведены кривые дисперсии Алана для рубидиевого, цезиевого и водородного стандартов.

Из приведенных данных легко видеть, что при наблюдениях на частоте / =10 ГТц, в случае использования водородного стандарта, время когерентного накопления может быть больше, чем 105 с. Время когерентного накопления существенно ограничено. Синхронизация стандартов пунктов РСДБ может быть осуществлена через спутниковый канал связи при помощи так называемого двухтонового метода [18,19]. Благодаря синхронизации гетеродинов через спутниковый канал связи ау (Т) Ю-ю.

1(ГП ю-12 ю-13 ю-14 ю-15.

10″ 1 1 10 102 103 104 105 Т©.

Рис. 1. Дисперсия Алана для рубидиевого, цезиевого и водородного стандартов. можно заменить дорогостоящие водородные стандарты на пунктах РСДБ на более простые и дешевые. В сети РСДБ с синхронизацией гетеродинов через спутниковый канал достаточно иметь один водородный стандарт, а остальные пункты будут воспроизводить и частоту и фазу ведущего стандарта. При этом должны устраниться не только случайные фазовые ошибки, о которых говорилось выше, но и регулярные, связанные с неидентичностью номинальных значений частот стандартов. Это упрощает обработку наблюдений и управление сетью.

• Контроль и управление сетью.

Современные РСДБ сети состоят из большого числа (порядка десятка) наблюдательных пунктов, работающих постоянно на нескольких длинах волн. Каждый наблюдательный пункт представляет из себя сложный комплекс аппаратуры. Работа всей сети ведется автоматически по заранее подготовленной программе. Астрометричес-кие наблюдения проводятся в виде многочасовых сеансов, во время которых наблюдаются десятки исследуемых и опорных источников.

При большой сложности аппаратуры и массовости наблюдений важную роль приобретает возможность контроля и управления сетью из центра. Наличие дистанционного управления из центра повышает надежность работы всего РСДБ комплекса, существенно увеличивает оперативность его работы и при работе интерферометра в режиме «реального времени» позволяет немедленно повторять наблюдения в случае отсутствия корреляции из-за тех или иных ошибок во время наблюдений.

Актуальность исследуемой темы подтверждается также возросшим в последние годы интересом к решению проблемы создания РСДБ реального времени в различных странах мира и разными авторами. В работе [20] сегодняшний статус РСДБ определяется как единственный метод, который позволяет одновременно находить все параметры, определяющие ориентацию Земли: движение полюсов X, У, Всемирное время иТ1 и параметры нутации. При этом важно, что измерения опираются на инерциальную систему координат, а результаты слабо зависят от всякого рода гипотез.

Основными задачами, по мнению автора этой работы, требующими РСДБ реального времени являются:

— программы предупреждения землетрясений;

— мониторинг ПВЗ для космической навигации, геодезии и геофизики;

— поддержка опорной системы для других методов измерений реального времени.

Предложенная автором работы [20] концепция РСДБ реального времени сводится к превращению РСДБ сети в высокопроизводтельную автоматическую машину, постоянно наблюдающую и выдающую результаты первичной корреляции в центр анализа данных РСДБ для получения глобальных решений. Достигается это за счет полной автоматизации всех этапов работы (подготовка наблюдений- - наблюдения- - корреляционная обработка- - вторичная обработка).

Близкий взгляд развивается в работе [21]. Новые положительные свойства интерферометра реального времени, которые отмечены автором этой работы, это: — меньшее число ошибок в первичных данных, что позволяет повысить чувствительность либо уменьшить время наблюдений- - не требуются повторные наблюдения- - не требуется менять ленты, что позволяет полностью автоматизировать наблюдения. В работе дается анализ возможности использования существующих каналов связи для РСДБ реального времени от телефонных линий до технологии ATM (Asinchronous Transfer Mode) и предлагаются различные варианты работы РСДБ в квазиреальном времени.

Особую активность в развитии РСДБ реального времени проявляют японские исследователи [11,12,22−25,27]. В работе [23] суммируются основные результаты японских авторов. Мнение авторов этой работы относительно достоинств интерферометра реального времени близки к защищаемой точке зрения.

Достоинства сводятся к следующему:

— получение результата с задержкой порядка часа;

— большая надежность, так как появляется возможность полной автоматизации;

— более широкая полоса, чем при регистрации сигналов на магнитную ленту;

— более высокая чувствительность из-за меньшего числа ошибок в первичных данных;

— меньшая сложность аппаратуры за счет отсутствия аппаратуры записи и воспроизведения.

В Японии РСДБ реального времени в самое последнее время становится реальностью. Работы ведутся в рамках проекта Key Stone Project — (KSP), мониторинга деформаций земной коры с целью предупреждения о возникновении землетрясения [12]. Измерения ведутся с помощью четырехэлементного интерферометра, расположенного в активной сейсмической зоне вблизи Токио. В рамках этого проекта реализованы два режима работы — с магнитной записью и с передачей сигналов по оптоволоконному кабелю (расстояние порядка 100 км) в центр обработки. Все станции работают в автоматическом режиме под дистанционным контролем и управлением из центра. Полный анализ смещений земной коры, при работе в режиме реального времени, заканчивается через три часа после проведения наблюдений. В режиме с записью на магнитные ленты — через сутки. В обоих случаях достигается точность измерения баз 3 мм.

Сеть передачи данных построена на оптоволоконных линиях связи длиной порядка 100 км с использованием технологии ATM [27]. Система может работать на пяти скоростях передачи данных в канале связи: 16, 32, 64, 128 или 256 Мбит/с. Случайные для ATM технологии, задержки сигнала компенсируются во входном буфере коррелятора. Система автоматического дистанционного управления радиоинтер-ферометрической сети KSP [24] строится на базе каналов со скоростью 64 кбит/с.

Таким образом, создание специальных каналов широкополосной связи, соединяющих пункты РСДБ сети в единую фазостабильную решетку с центральным контролем и управлением, является актуальной научно-технической проблемой. Решение этой проблемы позволит определять параметры вращения Земли геометрическим методом с оперативностью в несколько часов, повысить точность РСДБ измерений за счет физически независимого метода синхронизации часов пунктов с точностью 0,1 не, увеличить чувствительность интерферометра за счет синхронизации гетеродинов пунктов и повысить надежность работы сети за счет центрального контроля и управления сетью. • Основной проблемой, которая ставится и решается в диссертации, является разработка и исследование сети широкополосных каналов передачи радиоинтерферометрических данных и разработка новых методов синхронизации удаленных атомных стандартов времени и частоты.

• В рамках выполнения диссертации решались следующие вопросы:

— обоснование основных требований к каналам передачи данных на основе анализа задач РСДБ и существующих систем передачи данных;

— разработка и обоснование оптимальной структуры сети передачи данных;

— разработка и исследование методов анализа потенциальной точности синхронизации и помехоустойчивости каналов передачи радиоастрономических данных;

— исследование путей повышения пропускной способности каналов передачи данных;

— разработка и создание экспериментальной системы передачи РСДБ данных по спутниковому каналу связи;

— разработка и исследование методов достижения максимально возможной точности синхронизации удаленных атомных часов.

• Научная новизна работы.

1. Научно обоснованы требования к системам передачи радиоастрономических данных (СПРАД) для РСДБ реального времени при координатных измерениях. Разработаны принципы построения СПРАД на базе использования спутниковых каналов связи. Показано, что многостанционный доступ к спутниковому ретранслятору с частотным разделением каналов имеет преимущества по сравнению с другими методами.

2. Разработана единая методика расчетов потенциальной точности синхронизации атомных часов через спутниковый канал связи и помехоустойчивости СПРАД. Разработана и создана СПРАД, обеспечивающая передачу шести потоков радиоинтерферометрических данных и шести каналов контроля и управления с суммарной скоростью передачи данных 30 Мбит/с.

3. Предложена и обоснована структура перспективной СПРАД, построенной на базе проектируемого ретранслятора, позволяющей увеличить пропускную способность до 650 Мбит/с.

4. Разработан новый метод и устройство для синхронизации удаленных атомных часов через спутниковый канал связи. Метод экспериментально исследован на базе 2100 км, получена точность синхронизации лучше 1 не. Разработана методика расчетов и измерений погрешностей синхронизации через спутниковый канал, позволившая определить систематическую ошибку синхронизации, вызванную задержками в аппаратуре с точностью ±13 не, задержку в атмосфере с точностью ±0,3 не, релятивистскую поправку с точностью 0,1 не.

• Практическая и научная значимость работы состоит в следующем:

1. Разработанная единая методика анализа потенциальной точности синхронизации часов через спутниковый канал связи и помехоустойчивости СПРАД служит основой для расчетов и анализа аналогичных систем. Методика была применена при проектировании специализированной системы передачи данных по спутниковому каналу для целей проекта космического телескопа «Спектр-УФ», информационной сети астрономических организаций России «Астронет», сети синхронизации удаленных атомных стандартов — проект «Дуплекс-С» .

2. Разработанные технические требования, принципы построения элементов системы, предложенные новые технические решения и созданные макеты аппаратуры легли в основу опытно-конструкторских работ по созданию нового поколения передатчиков «Квазар-СП2», приемников «Квазар-ПМ2» для земных спутниковых станций и комплекса аппаратуры передачи данных «Квазар-СД» .

3. Разработанная система передачи радиоастрономических данных, позволяет передавать данные в центр обработки от шести наблюдательных РСДБ пунктов со скоростью 5 Мбит/с от каждого пункта, либо от трех РСДБ пунктов со скоростью 10 Мбит/с от каждого и образует каналы контроля и управления между центром и шестью пунктами, что обеспечивает возможность реализации РСДБ сети реального времени.

4. Разработаны и экспериментально исследованы методы и аппаратура синхронизации удаленных атомных стандартов через спутниковый канал связи, которые позволили синхронизовать атомные часы на расстоянии в 2100 километров с точностью лучше 1 не.

• На защиту выносятся.

1. Принципы построения системы передачи радиоинтерферомет-рических данных, структура такой системы и методы анализа потенциальной точности синхронизации и помехоустойчивости, позволившие создать спутниковую систему передачи данных с суммарной скоростью 30 Мбит/с.

2. Обоснование структуры и параметров перспективной спутниковой системы передачи данных, позволяющей увеличить пропускную способность СПРАД до 650 Мбит/с.

3. Новый метод синхронизации удаленных атомных часов через спутниковый канал связи, позволяющий синхронизовать часы на расстояниях в десятки тысяч километров с точностью порядка 0,1 не и оперативностью десятки секунд.

4. Методика расчетов и измерений погрешностей синхронизации через спутниковый канал связи, позволяющая определить: систематические погрешности, связанные с задержками в аппаратуре, с точностью ±13 непогрешность, связанную с распространением сигнала, с точностью ±0,3 нерелятивистскую погрешность с точностью 0,1 не.

5. Результаты экспериментальных исследований системы передачи данных и методов синхронизации, подтвердившие правильность принципов построения, методов расчетов и основных технических решений СПРАД.

• Апробация работы.

Результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах и научно-технических советах ИПА РАН, CAO РАН, ИКИ РАН, Крымской астрофизической обсерватории ГКНТ Украины, Государственного университета им. М.А.Бонч-Бруеви-ча, НТО АН СССР, НИИ Радио МС РФ, ВНИИ Телевидения МПСС СССРна XXI (Ереван, 1989 год), XXV (Пущино, 1993 год) и XXVI (Санкт-Петербург, 1995 год) Всесоюзных радиоастрономических конференцияхна XXII конференции YERAC (Харьков, 1989 г.) — на международном симпозиуме Soviet-West Germany workshop TJIOHACC — GPS" (Санкт-Петербург, 1990 г.) — на международном симпозиуме «Спутниковая связь. Реальность и перспективы» (Одесса, 1990 г.) — на международной конференции «Метрологическое обеспечение частотно-временных измерений при испытаниях и эксплуатации техники» (Москва, 1991 г.) — на международном симпозиуме Spetialists Meeting on Microwawe Radiometry and Remote Sensing (Mjlland, Швеция, 1992 г.) — на международной конференции I International Russian Conference on Satellite Communications «RUSSAT-93» (Санкт-Петербург, 1993 г.) — на международной конференции «Спутниковые системы связи и вещания» (Одесса, 1993 г.) — на конференции «Современные проблемы астрометрии и геодинамики» (Санкт-Петербург, 1996 г.) — на международном симпозиуме Technical Workshop for APT and APSG (Кашима, Япония, 1996 г.).

Результаты проведенных автором научных исследований реализованы при проведении следующих работ:

1. В Институте прикладной астрономии РАН при разработке и реализации проекта сети КВАЗАР, при проведении исследований по проектам «Дуплекс-С» и «Астронет» .

2. В в/ч 8 340 при разработке оперативных средств КВО и оперативных методов синхронизации шкал времени для нужд Министерства обороны России — НИР «Риастра», ОКР «Сигма» .

3. В научно-исследовательском институте Радио Министерства связи России при разработке и производстве передатчиков и приемников — ОКР «Квазар-СП2» и «Квазар-ПМ2» .

4. В ИКИ РАН при разработке проекта «Спектр-УФ» .

Акты по реализации результатов диссертации приведены в Приложении 1.

• Структура, объем и краткое содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации 286 страниц. Диссертация содержит 55 рисунков, 39 таблиц, 2 фото и список литературы из 139 названий.

Выводы.

1. Проведенные серии экспериментов по передаче шкал времени показали правильность предложенного метода синхронизации и основных технических решений, заложенных при разработке макета системы сличения сети КВАЗАР.

2. С помощью разработанной аппаратуры произведены измерения псеводальности геостационарного ретранслятора. Среднеквадратическая ошибка измерения радиального положения ИСЗ составила 30 см.

3. Экспериментально для двух атомных часов, разнесенных на 2100 километров, достигнута случайная ошибка синхронизации 1 не. и систематическая ошибка порядка 13 не. Важно отметить, что в большинстве зарубежных работ по синхронизации шкал времени по спутниковому каналу связи приводится только величина случайной ошибки. В тех работах, где измерялись систематические ошибки методом «нулевой базы» величина этой ошибки оценивается как 100 не, что в восемь раз хуже достигнутого результата.

Таким образом, можно утверждать, что разработанный метод измерений и макет аппаратуры прошел успешные испытания и может служить основой для создания специализированной системы сличения большей точности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В проведенном автором исследовании решена проблема создания специализированной сети передачи данных РСДБ и синхронизации удаленных атомных стандартов времени с целью повышения оперативности и точности измерения координат космических и земных объектов методами РСДБ.

Подведем итоги проведенных исследований:

1. На основании анализа фундаментальных и прикладных задач, при решении которых требуется высокая оперативность получения результата, сформулированы основные требования к системе передачи данных РСДБ по каналам связи. Ясно, что основным требованием к каналу передачи данных является достижение максимальной скорости, которая определяет полосу регистрации РСДБ. С другой стороны эта скорость ограничивается техническими и экономическими возможностями. Показано, что для ряда оперативных задач можно работать с сильно ограниченной полосой по ярким источникам. Поэтому предлагаемая в работе система строится так, чтобы на первом этапе достигалась ограниченная полоса и было обеспечено расширение полосы на последующих этапах.

2. Проведен анализ возможности использования существующих сетей связи для передачи РСДБ данных. Показано, что для решения задач РСДБ необходимо создавать специализированную систему передачи радиоастрономических данных (СПРАД) на базе использования спутниковых каналов с многостанционным доступом. При этом предложено строить систему так, чтобы было возможно на отдельных базах использовать другие каналы (волоконнооптические, радиорелейные), а емкость спутниковых каналов перераспределять между оставшимися наблюдательными пунктами РСДБ сети.

3. Сформулирован критерий оптимальности СПРАД — получение заданной скорости передачи информации при минимальном энергетическом потенциале периферийных станций. На базе предложенного критерия оптимальности проделан анализ методов многостанционного доступа, показано преимущество доступа с частотным разделением, при котором максимально используется энергетика каждой станции. Предложена структура первой очереди системы, позволяющая наращивать суммарный поток передаваемой информации на следующих этапах развития системы. Сделан выбор методов модуляции и кодирования, обеспечивающих требуемую достоверность передачи разных видов информации.

4. Разработана единая методика анализа потенциальной точности синхронизации по спутниковому каналу и помехоустойчивости СПРАД. Проведены энергетических расчеты радиолиний СПРАД. В расчетах спутниковых линий учтены нестабильность положения космического ретранслятора, ошибки наведения земных антенн, деполяризация сигнала, шумы атмосферы, космического пространства, излучение Земли, помехи, возникающие при нелинейных преобразованиях сигнала в ретрансляторе. Особое внимание уделено учету поглощения сигнала в атмосфере.

Обоснован выбор космического ретранслятора для построения первой очереди системы. Решена задача оптимизации зон обслуживания космического ретранслятора.

5. На базе проведенных исследований разработаны два варианта построения перспективной СПРАД. Первый вариант базируется на использовании серийного космического ретранслятора нового поколения. Показано, что в этом варианте достигается суммарная скорость передачи информации 400 Мбит/с. Во втором варианте предложена модернизация указанного ретранслятора для целей СПРАД, позволяющая повысить скорость до 650 Мбит/с. В обоих вариантах результат достигается без существенных изменений наземной аппаратуры.

6. Разработаны и обоснованы технические требования на антенные системы, передатчики, приемники и модемную аппаратуру. Созданы и испытаны макеты аппаратуры и промышленные образцы. На базе этих образцов развернута первая очередь СПРАД, состоящая из трех земных станций и космического ретранслятора Горизонт. Эта система обеспечивает передачу радиоастрономической информации, сигналов контроля и управления и телефонной связи с суммарной скоростью 30 Мбит/с. СПРАД первого этапа экспериментально исследована. Многочисленные эксперименты подтвердили правильность разработанных принципов построения, методов расчетов и основных технических решений.

7. Разработан новый метод синхронизации удаленных на тысячи километров атомных часов через спутниковый канал связи, который в отличии от известных ранее методов позволяет получить точность синхронизации лучше 1 не при оперативности в несколько секунд. Проведен анализ и обоснование структуры сигнала синхронизации. Проведен анализ и предложены методы расчетов и измерения различного рода погрешностей синхронизации.

Впервые в мире проведены прямые измерения задержек сигнала в аппаратуре спутниковой связи. Применение этих методов позволило снизить систематическую ошибку синхронизации примерно в 8 раз по отношению к лучшим зарубежным результатам.

8. Разработан макет аппаратуры синхронизации, построенный на базе СПРАД. Макет и метод синхронизации экспериментально исследованы. На базе в 2100 км получена случайная ошибка синхронизации сг= 0,6 не при суммарной систематической ошибке 13,5 не.

Совокупность полученных результатов позволила решить актуальную научно-техническую проблему создания сети широкополосных каналов связи для реализации РСДБ реального времени и новых методов синхронизации удаленных атомных часов с субнаносекундной точностью.