Содержание
Введение ........................................................ 4
Обзор литературы............................................... 15
1. Радиометрические методы наблюдений космических аппаратов.......................................................... 15
2. Примеры применения метода РСДБ при наблюдениях космических аппаратов........................................... 27
Глава 1. Моделирование РСДБ- и допплеровских наблюдений космических аппаратов................................... 32
1.1. Наблюдения и обработка данных ........................ 32
1.2. Моделирование РСДБ-наблюдеиий космических аппаратов
в “ближнем поле” ...................................... 49
1.3. Моделирование допплеровских наблюдений космических аппаратов ..................................................... 59
1.4. Эффекты распространения и инструментальные эффекты . 71
1.5. Оценивание вектора состояния космического аппарата ... 87
1.6. Выводы по первой главе................................ 91
Глава 2. Результаты экспериментов по РСДБ-наблюдениям космического аппарата Venus Express......................... 92
2.1. Описание эксперимента ЕМ081 по наблюдению КА Venus Express ....................................................... 92
2.2. Обработка данных наблюдений и результаты ............. 95
2.3. Выводы по второй главе................................103
Глава 3. Результаты экспериментов но РСДБ- и допплеровским наблюдениям космических аппаратов ГЛОНАСС и
Радио А строп.............................................. 104
3.1. Описание экспериментов по наблюдению спутников ГЛОНАСС,
обработка данных и результаты......................... 105
2
3.2. Описание наблюдений КА РадиоАстроп. Обработка данных
и результаты........................................... 123
3.3. Выводы к третьей главе..................................125
Заключение..................................................... 127
Благодарности.................................................. 131
Литература..................................................... 132
3
Введение
Метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) на протяжении последних нескольких десятилетий с большим успехом применяется при наблюдениях космических аппаратов (КА) для целей как служебных (навигационных), так и научных. Данный метод налагает минимальные технические требования на бортовое оборудование КА и может применяться для наблюдений практически любого радио сигнала, передаваемого космическим аппаратом, при условии, что сигнал сильный и обладает достаточной фазовой стабильностью. Среди наиболее успешных кампаний по наблюдению КА, при которых использовался метод РСДБ, в первую очередь стоит упомянуть следующие: РСДБ-трекинг аэростатных зондов международного проекта “ВЕГА” в атмосфере Венеры в 1984-86 гг. [1], зонда Европейского Космического Агентства (European Space Agency - ESA) “Гюйгенс” во время его спуска на поверхность спутника Сатурна Титана в 2005 г. (2], наблюдения антеннами Европейской сети РСДБ (European VLBI Network - EVN) управляемого падения зонда ES A “Smart-1” на поверхность Луны в 2006 г. [3], РСДБ-наблюдения космического аппарата американского Национального аэро-коемического агентства NASA Mars Exploration Rover В во время заключительной фазы его перелёта к Марсу в 2004 г. [4], РСДБ-трекинг КА НАСА “Кассини” 2004-2011 гг. [5], а также недавние РСДБ-наблюдения телескопами сети EVN пролёта Фобоса КА ЕКА Mars Express (МЕХ) [б].
РСДБ-наблюдения КА, развиваются, в частности, в рамках международного проекта PRIDE (Planetary Radio Interferometer and Doppler Experiment) под руководством специалистов Объединенного Европейского Института РСДБ (JIVE - Joint Institute for VLBI in Europe, Нидерланды) [7, 8). С помощью измерений, полученных с применением РСДБ-техникп фазовой привязки, а также радиальных допплеровских измерений, проект PRIDE позволяет получать высокоточные оценки вектора состояния космическою аппарата. Это даёт возможность решать широкий круг научных задач и приложений, среди которых необходимо прежде всего упомянуть задачи планетологии (измерения приливных деформаций спутников пла-
4
нет, атмосферная динамика и климатология, а также сейсмология, тектоника; изучение внутренней структуры и состава планетных тел), высокоточную небесную механику планетных систем, гравиметрию и фундаментальную физику (например, тесты общей теории относительности и другие релятивистские эксперименты [9)). Кроме этого, допплеровские наблюдения космических аппаратов - единственный доступный в данный момент способ обнаружения гравитационных волн в диапазоне частот 10~5 — 1 Гц [10]. В качестве примера “побочных” научных продуктов PRIDE стоит назвать исследования межпланетных сцинцилляций [11]. С помощью PRIDE также можно осуществлять диагностику космических аппаратов и наземных принимающих станций (например, для обнаружения причин фазовых нестабильностей) и доставку непосредственно на Землю (например, с посадочных модулей без использования ретрансляции сигнала через спутник) ограниченного количества критических данный (см., например, [12]).
Актуальность работы
Практически любой космический аппарат, излучающий радио сигнал, может наблюдаться в рамках PRIDE. Среди текущих “пользователей” PRIDE - КА ЕКА “Венера Экспресс” (VEX) и “Марс Экспресс” (МЕХ), а также космический радиотелескоп Российской академии наук (РАН) Российского космического агентства (РКА) “РадиоАстрон” [13]. Особую важность РСДБ-наблюдения имеют для проекта “РадиоАстрон”, поскольку позволяют более чем на порядок величины улучшать точность навигационных измерений аппарата - фактора, от которою во многом зависит успех всей миссии.
Отдельно необходимо отмстить актуальную задачу точной привязки Земной системы координат (International Terrestrial Reference Frame - ITRF) к Небесной системе координат (International Celestial Reference Frame -ICRF), решить которую напрямую позволят лишь наблюдения спутников Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС) РСДБ-методами [14-16].
С очень большой вероятностью PRIDE-наблюдения будут использоваться в ближайшем будущем в различных проектах исследования Венеры (EVE [17]), ледяных Лун Юпитера (JUICE/Laplace [18, 19]), Луны (“Луна-
5
Глоб” и “Луна-Ресурс”), Меркурия (“BepiColombo”) и астероидов (“МагсоРо-1о”). Особо стоит указать чрезвычайно важную роль РСДБ-наблюдений космического телескопа ЕКА Gaia, запуск которого намечен на 2013 год. Вектор состояния с точностью, необходимой для успешного выполнения этого астрометрического проекта, будет рассчитываться, в частности, по данным оптических измерений, которые сильно зависят от погоды и невозможны при полной Луне (ожидаемая звёздная величина КА Gaia - ~ 17т или слабее).
Цель диссертационной работы состоит в создании и отладке в рамках проекта PRIDE надёжной системы проведения, обработки и анализа РСДБ-наблюдений космических аппаратов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
1. Разработка высокоточной модели задержки радио сигнала при РСДБ-наблюдениях космических аппаратов, учитывающей эффекты ближнего поля, эффекты теории относительности, геофизические II инструментальные эффекты, а также эффекты распространения (усовершенствование модели вычисления тропосферной задержки с применением метода трассировки лучей (ray-tracing) через трёхмерную модельную тропосферу).
2. Разработка формализма и создание на его основе алгоритма оценивания вектора состояния космического аппарата по данным РСДБ-наблюдений. Создание программного комплекса для решения этой задачи, включающего разработанную модель задержки.
3. Развитие и унификация программного обеспечения (ПО), используемого для обработки и анализа РСДБ-наблюдений космических аппаратов. В частности, встраивание созданной модели задержки в программный коррелятор SFXC (Software FX Correlator) Европейской сети РСДВ EVN, установленный в JIVE. Адаптация ПО под нужды оперативного анализа прокоррелированных данных.
4. Проведение, обработка и анализ РСДБ-наблюдений космических ап-
б
паратон “Венера Экспресс” (VEX) и “РадиоАстрон” а также спутников ГЛОНАСС.
Научная новизна
В рамках данной диссертационной работы разработана модель РСДБ-задержки сигнала космических аппаратов и на её основе создан специализированный программный комплекс. Научной группой, в составе которой работает диссертант, впервые проведены РСДВ-наблюдения КА “РадиоАстрон” и спутников ГЛОНАСС, продемонстрировавшие работоспособность и точность модели даже на таких близких расстояниях, как в случае этих аппаратов.
Практическая значимость
Алгоритмы и программное обеспечение, описываемые в диссертации, используются в настоящее время при обработке и анализе РСДБ-наблюде-ний КА в Объединённом Европейском Институте РСДБ (JIVE). Результаты, полученные в данной работе, позволят в ближайшем будущем решить широкий круг фундаментальных и прикладных задач, среди которых следует особо выделить следующие:
1. Кардинальное улучшение точности определения орбиты космического радиотелескопа РКА “РадиоАетрон”. От этого во многом зависит успех всего проекта в целом, так как получение интерференционных лепестков при совместных наблюдениях на наземно-космичсских базах возможно лишь при точном знании положения аппарата.
2. Прямая привязка Земной системы координат к Небесной системе координат путём регулярных РСДВ-наблюдений спутников ГНСС.
3. Определение вектора состояния космического телескопа астрометрического проекта ЕКА Gaia с необходимой для проекта точностью в периоды, когда невозможен предусмотренный в проекте штатный режим с применением оптических и допплеровских наблюдений.
4. Исследование верхней атмосферы Венеры по РИШЕ-наблюдсниям аэродинамического торможения КА VEX.
7
Помимо этот, результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы в таких будущих космических проектах, как “Луна-Глоб” и “Луна-Ресурс”, MarcoPolo, BcpiColombo, JUICE.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
1. Высокоточная модель задержки радио сигнала при РСДБ-наблюде-ииях космических аппаратов. Эффекты ближнего поля и эффекты теории относительности учитываются с помощью численного решения уравнений для времени распространения сигнала с применением подходов Моера и Копейкина. Геофизические и инструментальные эффекты рассчитываются в соответствии с рекомендациями Международной службы вращения Земли IERS Conventions 2010. Для учёта влияния ионосферы на задержку сигнала используются карты вертикального полного содержания электронов Международной службы ГНСС (IGS). Тропосферная часть задержки в модели вычисляется но разработанному высокоточному алгоритму, использующему метод трассировки лучей через численную модель тропосферы.
2. Формализм матриц Якоби - обобщение uv-проекций баз для случая РСДБ-наблюдений источников в ближнем ноле, позволяющий производить оценивание вектора состояния КА. Вычисление элементов матрицы осуществляется с использованием созданной модели задержки сигнала.
3. Программный комплекс для обработки и анализа РСДБ-наблюдений космических аппаратов, используемый, в частности, для оценивания вектора состояния КА па основе модели задержки сигнала КА и формализма матриц Якоби, разработанных в рамках данного диссертационного исследования. ПО встроено в программную среду одного из наиболее производительных и наиболее гибкого программного коррелятора SFXC в Объединённом Европейском институте РСДВ (JIVE).
4. Результаты РСДБ-наблюдений космических аппаратов “Венера Экспресс” (VEX) и “РадиоАстрон” а также спутников ГЛОНАСС, и ме-
8
/год вычисления их координат. Продемонстрирована высокая относительная точность (Ю"9-1(Г10) определения положения КА с использованием результатов данной работы.
Апробация работы и публикации. Результаты диссертации изложены в 4 печатных работах в рецензируемых журналах:
1. Duev, D.A., Molera Calv6s G., Pogrebenko S.V., Gurvits L.I., Cimo G., Bocanegra Bahamon, T. Spacecraft VLBI and Doppler tracking: algorithms and implementation. // Astronomy & Astrophysics - 2012, Vol. 541, id.A43. doi: 10.1051/0004-6361/201218885
2. Дуев, Д.А., Погребенко, C.B., Молера Калвес, Г. Модель тропосферной задержки сигнала при радиоастрономических наблюдениях. // Астрономический журнал - 2011 - Том 55, .V9 11, сс. 1008-1015.
3. Tornatore, V., Haas, R., Casey, S., Duev, D., Pogrebenko, S., Molera Calves, G. Direct VLBI Observations of Global Navigation Satellite System Signals. // International Association of Geodesy Symposia-2012 - Springer, (принято в печать)
4. Wilson С., Chassefi6re, E., Hinglais, E., and the EVE team (включая Duev, D.A.) The 2010 European Venus Explorer (EVE) mission proposal. // Experimental Astronomy - 2011 - 0922-6435, pp. 1-31. http://dx.doi.org/10.1007/sl0686-011-9259-9
Основные результаты диссертации также докладывались на многочисленных международных конференциях; тезисы большинства докладов опубликованы в соответствующих сборниках:
1. Gurvits, L.I., Pogrebenko, S.V., Cim6, G., Duev, D.A., Molera Calves, G., Bocanegra Bahamon, T.M. Planetary radio interferometry and doppler experiment (PRIDE): a multidisciplinary enhancement of space science missions. 39th COSPAR (Committee on Space Research) Scientific Assembly, 14-22 июля 2012, Майсур, Индия.
9
2. Cimo, G., Gurvits, L.I., Pogrebenko, S.V., Molera Calves, G., Duev, D.A., Bocanegra Bahamon, T. Planetary Radio Intcrferometry and Doppler Experiment for Near-Earth Asteroids mission MarcoPolo-R. // 9th International planetary probe workshop, 18-22 июня 2012, Тулуза, Франция.
3. Duev, D.A., Molera Calves, G., T. Bocanegra Bahamon. VLB1 and Doppler Tracking of Spacecraft. // poster at the 67th Dutch Astronomy Conference NAC-2012. 23-25 мая 2012, Амеланд, Нидерланды.
4. Duev, D.A. Towards the ultra-precise determination of spacecraft state vectors // 24 ноября 2011, ASTRON/JIVE Colloqium, Двиигелоо, Нидерланды.
5. Duev, D.A., Molera Calves G., Pogrebenko S.V., Gurvits L.I., Cimo G., Bocanegra Bahamon. T. Status of the Planetary Radio Interferom-etry and Doppler Experiment (PRIDE): Applications for the Phobos-Soil and Other Planetary Missions. // В материалах Второго московского симпозиума по Солнечной системе, 10-14 октября 2011, ИКИ РАН, Москва, Россия.
6. Duev, D.A. Near Field VLBI Experiments, // NOVA Fall School 2011, 3-7 октября 2011, Двиигелоо, Нидерланды.
7. Duev, D.A. VLBI observations of spacecraft with EVN radio telescopes. // YERAC-2011, Jodrell Bank Centre for Astrophysics, University of Manchester, Манчестер, Великобритания, 18-21 июля 2011.
8. Duev, D.A., Molera Calves G., Pogrebenko S.V., Gurvits L.I., Cimd G., Keimpema, A. Near Field VLBI observations of spacecraft. // ASTRON / JIVE AstroFest 2011, 29 июня 2011, Экслоо, Нидерланды.
9. Tornatore, V., Haas, R., Casey, S., Pogrebenko, S., Duev, D., Molera, G. Determination of GLONASS satellite positions with respect to natural radio sources by using the VLBI technique: preliminary results. // ETTC 2011, European Test and Telemetry Conference, Тулуза, Франция, 14-16 июня 2011.
10
10. Cimd, G., Gurvits, L.I., Pogrebenko, S.V., Molcra Calves, G., Duev, D.A., Bocanegra Bahamon, T. Planetary Radio Interferometry and Doppler Experiment (PRIDE). // GREAT-EST workshop, 6-9 июня 2011, Порту, Португалия.
11. Molera Calves, G., Pogrebenko, S.V., Cim6, G., Duev, D.A., Gurvits, L.I. VLBI tracking of the PIIOBOS SOIL mission. // 8th International planetary probe workshop, G-10 июня 2011, Портсмут, Вирджиния, США.
12. Duev, D.A., Molera Calves, G., Pogrebenko, S.V., Cimo, G., Gurvits, L.I., Keimpema, A., Quick, J.F.H., Haas, R., Kronschnabl, G., Smirnov, A.I. Near Field VLBI experiments with EVN radio telescopes. // URSI Benelux Forum 2011, б июня 2011, ESA/ESTEC, Нордвяйк, Нидерланды.
13. Keimpema, К.A., Duev, D.A., Pogrebenko, S.V., Molera Calves, G. Spacecraft tracking with the SFXC software correlator. // URSI Benelux Forum 2011, G июня, 2011, ESA/ESTEC, Нордвяйк, Нидерланды.
14. Дуев, Д.А. РСДБ-наблюдения спутников ГЛОНАСС. // Материалы Международного молодежного научного форума “ЛОМОНОСОВ-2011”
Отв. ред. А.И. Андреев, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, М.В. Чистякова. - 2011 - М.: МАКС Пресс.
15. Gurvits, L., Pogrebenko, S., Cimo, G., Duev, D., Fridman, P., Molera Calvds, G. Radio astronomy segments of prospective planetary science and exploration missions. // Geophysical Research Abstracts - 2011 -Vol. 13,
EGU2011-11076.
16. Duev, D. A. Tropospheric Signal Delay Model for Radio Astronomical Observations. // the 20th EVGA Meeting and 12th Analysis Workshop, Бонн, Германия, 29-31 марта 2011.
17. Tornatore, V., Haas. R., Duev, D., Pogrebenko, S., Casey, S., Molera Calves, G., Keimpema A. Single baseline GLONASS observations with
11
- Київ+380960830922