Использование связных антенн для наблюдений радиоисточников в режиме РСДБ

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ АСТРОНОМИИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Использование связных антенн для наблюдений радиоисточников в режиме РСДБ

Специальность 01.03.02 -«Астрофизика и радиоастрономия»

Панин Михаил

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Институте прикладной астрономии Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор технических наук А.В.Ипатов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук М.Н.Кайдановский,

кандидат физико-математических наук Г.Н.Ильин

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Общая характеристика работы

Основные достижения астрономии за последние десятилетия стали возможными благодаря использованию новых наблюдательных технологий и, в первую очередь, методов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) для наблюдений небесных тел и космических аппаратов в широком диапазоне длин волн. Главное преимущество этого метода - это высокое угловое разрешение.

С помощью наблюдений методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами решаются задачи не только в традиционных разделах астрономии, но и в геодинамике, в прикладных науках, в исследовании и освоении космоса, в обороне страны. Трудно найти области, связанные с физическими процессами, протекающими на Земле, внутри Земли и в космосе, при изучении которых невозможно было бы эффективное использование радиоинтерферометрических методов.

Потенциальные возможности этих методов определяются конфигурацией РСДБ-сети и параметрами используемых антенн. В начале развития радиоинтерферометрии для выполнения наблюдательной программы с целью решения той или иной задачи, в РСДБ-сети объединялись действующие радиотелескопы. Однако, радиоастрономические обсерватории и пункты дальней космической связи, формирующие РСДБ-сети для проведения периодических сеансов наблюдений, сталкивались со значительными трудностями. Значительная часть трудностей могла быть разрешена созданием специализированных РСДБ-сетей.

В разных странах мира группами ученых были практически одновременно выдвинуты предложения о создании фазостабильных радиоинтерферометрических сетей. Несмотря на некоторые различия в технических решениях и деталях идеологии, национальные проекты представляли, по существу, весьма близкие взгляды радиоастрономов различных стран на будущее в высокоточном исследовании космического пространства методами РСДБ.

Обычный путь создания радиоинтерферометрической сети - это строительство трех или более наблюдательных пунктов, главным объектом которых являются однотипные антенны среднего диаметра (25-32м), предназначенные для наблюдений в радиоинтерферометрическом режиме.

Процесс создания пункта и строительства антенны достаточно долгий и многозатратный. Стоимость антенны с приемными и регистрирующими устройствами составляет многие десятки миллионов рублей. И это может служить препятствием для расширения РСДБ-сети, в первую очередь, для решения прикладных задач. Выходом из создавшегося положения может быть включение в сеть уже существующих антенн, работающих в том же частотном диапазоне, что и антенны сети. Примером такого подхода могут служить международные программы и службы, такие как, например, IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry), объединяющие национальные сети и отдельные радиотелескопы на всех континентах. Этому способствует унификация частот наблюдений и регистрирующей аппаратуры, появление мощной вычислительной техники и единых центров обработки наблюдений.

Предложенные в работе методы модернизации связных антенн позволяют ставить вопрос об использовании их для радиоинтерферометрических наблюдений. Показано, что модернизированные связные антенны диаметром 16 и 25 метров при наблюдениях на волнах 3,5 и 13см не будут уступать по своим параметрам, в том числе по чувствительности, антенным установкам, используемым в мировых РСДБ-сетях.

Изложенный в работе метод учета люфта в механической системе, как один из этапов модернизации 12-метровой связной антенны для целей РСДБ, может быть применен для других систем, имеющих люфт.

Актуальность темы диссертации

Российская национальная РСДБ-сеть КВАЗАР в настоящее время ограничена тремя радиотелескопами, которые достаточно рационально расположены на территории России: в Ленинградской области, в Карачаево-Черкессии на Северном Кавказе и в Бурятии около озера Байкал.

Однако, для привязки отдельных точек на поверхности Земли к местам расположения радиотелескопов радиоинтерферометрической сети потребуется использовать дополнительные средства и методы, в качестве которых могут выступить существующие антенны, построенные для других целей, например, антенны дальней космической связи или связные спутниковые антенны. Десятки связных спутниковых антенн с диаметром зеркал от 12 до 25 метров расположены на территории России от Чукотки до Ленинградской области и от Нарьян-Мара до Красноярска.

В свое время опыт построения больших радиоастрономических антенн в полной мере был использован при создании антенн дальней космической связи. Объединение интересов и средств радиоастрономов и исследователей космоса там, где это оказалось возможным, сыграло положительную роль в развитии обеих отраслей науки. В настоящее время сотрудничество и объединение усилий специалистов разных ведомств по расширению национальной радиоинтерферометрической сети для решения народно-хозяйственных и оборонных задач России может принести ещё больший положительный результат.

Цель работы

Цель настоящей работы заключалась в исследовании возможности использования неспециализированных антенных систем для наблюдений космических источников и космических аппаратов в составе РСДБ-сетей после модернизации этих систем. Для этого были поставлены следующие задачи:

Определение основных параметров антенных систем, имеющих значение при работе этих антенн в составе РСДБ-сетей.

Проведение модернизации антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-16, и анализ полученных радиотехнических характеристик этой антенны с целью определения возможности работы модернизированной антенны в составе РСДБ-сети.

Рассмотрение вариантов модернизации антенной установки, созданной на базе зеркальной системы РТ-25, расчеты радиотехнических параметров рассмотренных вариантов, анализ этих параметров с целью определения возможности работы модернизированной антенны в составе РСДБ-сети.

Разработка метода по управлению механической системой, имеющей люфт, и применение этого метода к связным антеннам и радиотелескопам с целью повышения точности их наведения.

Научная новизна работы

В процессе исследования возможности использования связных антенн для целей РСДБ путем их модернизации были получены следующие новые результаты:

Показано, что в результате модернизации связных антенн диаметром 16 и 25 м при условии оснащения их криогенной радиометрической приемной аппаратурой, эти антенны по своим параметрам могут успешно работать в составе РСДБ-сетей.

Разработан способ управления механической системой, имеющей люфт, позволяющий значительно повысить точность наведения антенны.

Получена формула, связывающая чувствительность радиотелескопа в виде параметра SEFD (System Equivalent Flux Density) с точностью наведения, определяемой положением диаграммы направленности.

Практическая ценность работы

Показано, что проведенная модернизация антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-16, путем модификации поверхностей отражательных элементов на основе предварительных расчетов, и выбранный вариант модернизации антенной установки, созданной на базе зеркальной системы РТ-25, включающий использование системы Грегори с модифицированными поверхностями зеркал вместо классической системы Кассегрена, а также расчет и создание новых модификаций рупоров для обеих антенных систем и использование более совершенной аппаратуры наведения и нового электропривода, могут служить достаточным основанием для рассмотрения вариантов включения этих антенн в РСДБ-сети с целью выполнения исследований радиоинтерферометрическими методами в интересах фундаментальной и прикладных наук, а также освоения космоса и обороны страны.

Разработанный способ управления механической системой, имеющей люфт, может значительно повысить точность наведения антенных установок старых модификаций без значительных материальных затрат.

Результаты, выносимые на защиту

Результаты модернизации антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-16, показавшие возможность эффективного использования для наблюдений в режиме РСДБ..

Вариант модернизации антенной установки с диаметром главного отражателя 25м путем построения зеркальной системы по типу Грегори и модификации отражающих поверхностей.

Способ управления механической системой, имеющей люфт, позволивший повысить точность наведения антенны.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались на Всероссийской астрономической конференции (Санкт-Петербург 2001), на Ученом совете и научных семинарах ИПА РАН, на технических советах ООО «Специальный монтаж средств связи».

Публикации и вклад автора

Основные результаты диссертации изложены в 6 работах [1-6], общим объемом 321 стр.

В работах [1-3] автор являлся главным конструктором ряда систем и одним из разработчиков требований, предъявляемых к системам антенно-приемных комплексов.

В работах [4,5] автору принадлежат: разработка способа управления механической системой, имеющей люфт; задание основных параметров системы для моделирования и объяснение полученных результатов; внедрение этого способа в систему наведения 12-метровой антенны.

В работе [6] автору принадлежит обоснование возможности использования модернизированных связных антенн в целях РСДБ и расчеты SEFD 16 и 25-метровых антенн при условии оснащения их криогенной радиометрической приемной аппаратурой на волны 3.5 и 13см.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Она содержит 125 страниц, 50 рисунков и 17 таблиц. Список литературы насчитывает 28 наименований.

Содержание работы

Во введении сформулирована цель работы, изложены основные полученные результаты и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации («Требования, предъявляемые к антеннам РСДБ-сети») рассмотрены требования, предъявляемые к антеннам РСДБ-сети по расположению, частотному диапазону, конструкции, чувствительности, точности наведения. Получена формула, связывающая коэффициент SEFD с точностью наведения антенны. Приведены в качестве примера чувствительности некоторых антенн, участвующих в РСДБ-наблюдениях по программам IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry).

При построении РСДБ-сети отдельную антенну можно рассматривать как элементарную ячейку. Расположение, размеры, другие параметры этих элементарных ячеек определяют все основные свойства конкретной сети и ее потенциальные возможности по определению положений и построению изображений космических источников.

РСДБ-сеть можно создать двумя путями:

Создать РСДБ-сеть из существующих антенн, принадлежащих разным организациям и построенных для разных целей. В определенное время, по договоренности эти антенны объединяются для наблюдений в интерферометрическом режиме.

Создать специализированную сеть для проведения измерений РСДБ-методом, специально спроектировав и построив антенны в заранее выбранных местах.

Очевидно, что второй путь с точки зрения организационной и с точки зрения научной, даст лучшие результаты. Именно по такому пути пошли, например, и в США, создавая систему VLBA, и в России, создавая систему КВАЗАР. При этом не исключается возможность в некоторых случаях к созданной таким образом сети присоединить другие инструменты или объединять разные сети. Одним из таких случаев может быть, например, привязка некоторых пунктов на поверхности Земли к координатной системе, построенной по наблюдениям космических источников постоянно действующей РСДБ-сетью.

По своим конструктивным особенностям присоединяемые антенны могут отличаться от однотипных антенн РСДБ-сети, но они должны удовлетворять основному условию, включения их в сеть - работать в том же частотном диапазоне. При этом их приемная аппаратура и антенно-фидерные тракты могут потребовать замены.

Антенны радиотелескопов, также как и большие антенные системы, используемые для целей космической связи, являются сложными сооружениями, эффективность которых, в первую очередь, определяется их фокусирующими свойствами, от которых зависит чувствительность, т.е. способностью собирать принимаемую энергию в точку расположения приемника сигналов.

Электродинамические требования, предъявляемые к антеннам, используемым в радиоинтерферометрических сетях, в принципе не отличаются от требований, предъявляемых к антенне любого радиотелескопа или связной антенне: максимальный коэффициент использования поверхности (КИП), т.е. максимальная эффективная площадь при заданных размерах антенны, и минимальная шумовая температура антенны в заданном диапазоне частот.

Второй по важности для полноповоротной антенной системы является система наведения. Система наведения должна обеспечивать слежение за источником с точностью не хуже, чем десятая доля ширины диаграммы направленности по уровню 3 дБ на минимальной длине волны.

То есть, чем короче длина волны, тем уже диаграмма направленности и, следовательно, тем точнее надо выставлять антенну в нужном направлении. Точность наведения определяется допустимым снижением эффективной площади.

Связь между параметром SEFD, характеризующим чувствительность радиотелескопа, и точностью наведения определяется по формуле:

,

где:

Тсис = Тша+ Тшпр

Тшпр - шумовая температура приемной системы

Тша - шумовая температура антенны

Аэфф - эффективная площадь антенны

F(Qc) - значение нормированной диаграммы направленности антенны при смещении её главного лепестка на величину Qc относительно точечного источника

k - постоянная Больцмана

В идеале, все радиотелескопы, работающие в РСДБ-сети, должны удовлетворять изложенным требованиям. Однако, как следует из приведенных в работе примеров, в международных РСДБ-экспериментах участвуют самые разнообразные антенны. Выбор их определяется только задачами каждой конкретной программы наблюдений.

При рассмотрении возможности использования антенн, специально не предназначенных для радиоастрономии вообще и для радиоинтерферометрии в частности, необходимо исследовать их радиотехнические параметры на тех частотах, на которых будут проводится наблюдения, и знать возможности системы наведения этих антенн по точному наведению на заданный участок неба и слежению за исследуемым объектом.

Во второй главе диссертации («Возможность использования для целей РСДБ модернизированной антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-16») рассмотрены основные направления модернизации антенной системы, созданной на базе рефлектора РТ-16, и возможности использования модернизированной антенны в РСДБ-наблюдениях.

Основной задачей модернизации антенны РТ-16 являлось повышение эффективности её работы, и, в первую очередь, повышение КИП.

Модернизация состояла в следующем:

Создание на базе рефлектора РТ-16 двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена с модифицированными главным зеркалом и контррефлектором.

Проектирование и создание антенно-фидерного тракта и использование современных малошумящих приемных устройств, позволяющих принимать сигналы на 5 частотах в диапазоне длин волн от 2,5 до 15 см.

Использование современной аппаратуры наведения.

Использованная методика расчета геометрии контррефлектора и коррекции профиля главного рефлектора антенны РТ-16 обеспечивает в геометрическом приближении преобразование заданной диаграммы направленности облучателя в заданное распределение поля по раскрыву рефлектора, близкое к равномерному, для обеспечения высокого коэффициента использования поверхности рефлектора.

При этом форма исходной диаграммы направленности облучателя выбирается такой, чтобы быть легко реализуемой во всех рабочих диапазонах частот и чтобы достигался компромисс между величинами переливаемой за пределы контррефлектора мощности облучателя и дифракционными потерями при рассеянии на кромке контррефлектора. Выбранная расчетная диаграмма направленности характеризуется уровнем облучения края контррефлектора минус 14 дБ. антенна радиоинтерферометрия рефлектор

Максимальное отклонение поверхности квазипараболоида от заданного параболоида не превышает 12мм. Это обстоятельство позволило создать квазипараболический профиль из параболического без изменения конструкции рефлектора.

Для оценки радиотехнической эффективности зеркальной системы требовалось оценить эффект затенения раскрыва рефлектора металлоконструкциями опорного узла и четвероноги. Этот эффект характеризуется коэффициентом Кзат., равным в данной конструкции 0,891.

Общими элементами конструкции антенны для работы в заданном диапазоне частот является облучатель и зеркальная система. Справедливость геометрической оптики в пределах зеркальной системы определяет частотную независимость многих ее характеристик, таких, как например, эффективная площадь, поэтому требование обеспечения работы зеркальной системы в пяти диапазонах частот не накладывает дополнительных трудностей. Обеспечение частотной независимости характеристик облучателя - существенно более сложная задача.

В качестве облучателя был выбран гладкий рупор с изломом образующей. Сильная частотная зависимость параметров излучения подобных рупоров была преодолена путем оптимизации геометрии облучателя.

Оптимизация геометрии рупора с изломами образующей сводилась к подбору диаметров и углов раскрыва составляющих простых конусов, а также к выбору места расположения рупора относительно вторичного фокуса зеркальной системы. При этом оценивались и сравнивались между собой параметры радиотехнической эффективности антенны во всех рабочих диапазонах частот.

В таблице приведены парциальные составляющие КИП многочастотного рупора в рабочих диапазонах частот, определяющие потери на переливание энергии за пределы контррефлектора (Ко), за пределы главного зеркала (Кпер), потери апертурного КИП (Ка), на кроссполяризацию (Ккрп), за счет дифракционного искажения апертурного распределения (Кдиф), затенения (Кзат) и отличия формы зеркал от теоретической (Кско), а также произведение этих коэффициентов (КУ).

Радиотехнические параметры модернизированной зеркальной антенны РТ-16 с многочастотным рупором в качестве облучателя (без учета тракта)

л, см	Ко	Ккрп	Кап	Кпер	Кдиф	Кзат	Кско	КУ	Та(90 о)	Шири-на ДН, угл.мин
15	0.8100	0.9680	0.8377	0.9828	0.9322	0.8910	0.9929	0.5324	21.0	35.4
7.5	0.8694	0.9814	0.9487	0.9730	0.9285	0.8910	0.9766	0.6363	24.2	19.2
4.5	0.9063	0.9760	0.9259	0.9915	0.9655	0.8910	0.9217	0.6438	20.1	9.6
2.7	0.9201	0.9720	0.8915	0.9974	0.9823	0.8910	0.8515	0.5927	20.1	6.6
2.5	0.9203	0.9716	0.8772	0.9981	0.9852	0.8910	0.8323	0.5720	20.4	6.2

Примечание: 1. у укладки щитов рефлектора - 0,8мм; у контррефлектора - 0,35мм. 2. Та(90 о) - шумовая температура антенны (К) в зените. 3. Шумовая температура рассчитана при 15оС и при влажности окружающего воздуха 70%,

Если, в качестве приемных устройств использовать приемники и тракты СВЧ на 3,5 и 13см, аналогичные установленным на радиотелескопах комплекса КВАЗАР и оптимизировать геометрию рупорного облучателя на эти волны, то приблизительные оценки чувствительности по параметру SEFD полученной антенной системы дают: на волне 3,5 см SEFD ~ 1200 Ян; на волне 13 см SEFD ~ 1100 Ян.

Полученные цифры показывают, что по чувствительности модернизированная антенная установка, созданная на базе рефлектора РТ-16, может быть не хуже антенн соответствующего размера, участвующих в РСДБ-наблюдательных программах.

Конструктивная часть антенной установки (АУ), созданной на базе рефлектора РТ-16, помимо главного зеркала, вторичной системы с контррефлектором и надзеркальной кабины содержит опорно-поворотное устройство с азимутально-угломестной системой координат. Механизмы наведения антенны по обеим координатам сходны. Каждый из них является двухскоростным, что обеспечивает скоростные режимы «Быстро» и «Медленно».

Для управления наведением антенны на источник предназначена аппаратура наведения, которая представляет собой вычислительно-управляющую систему, выдающую в замкнутом режиме аналоговый сигнал управления электроприводом.

Модернизация электропривода наведения антенной системы состояла в частичной замене электрооборудования на аппаратуру электропривода ЭПА-57ММ, предназначенного для антенн аналогичного назначения. Установленный электропривод позволяет быстро переводить антенну в исходное положение с последующим переключением в режим автоматического наведения на исследуемый объект.

Были предварительно проведены расчеты по определению параметров модернизируемого электропривода, в том числе пределы рабочих скоростей слежения, ошибки наведения, допустимые значения скорости ветра.

Электропривод в обоих скоростных диапазонах обеспечивает вращение антенны в секторе углов: по азимуту ± 330о, по углу места - 3о ч +105о.

Основной вывод, который был сделан из рассмотрения характеристик модернизированной антенной системы на базе рефлектора РТ-16 состоял в том, что по своим параметрам зеркальная система и электропривод антенны соответствуют требованиям, предъявляемым к соответствующим системам антенн РСДБ-сетей.

В третьей главе диссертации («Предложения по модернизации антенной установки, созданной на базе зеркальной системы РТ-25») рассмотрены варианты модернизации облучающей системы антенны РТ-25 и особенности принципиальной схемы электропривода для модернизируемой антенны, приведены результаты расчета оптимизированного рупорного облучателя.

Основное назначение антенной установки, созданной на базе зеркальной системы РТ-25 - прием сигналов спутниковых геостационарных и движущихся по эллиптическим траекториям систем связи, работающих в частотном диапазоне 4ч14 ГГц.

Зеркальная система рассматриваемой антенной установки построена по принципу Кассегрена с главным параболическим рефлектором диаметром 25м, фокусным расстоянием 7,5м, гиперболическим контррефлектором диаметром 2,7м и положением вторичного фокуса на расстоянии ~5м от вершины параболоида вдоль фокальной оси. Угол облучения главного рефлектора ~ 160о, контррефлектора ~ 62о. Конструкция рефлектора собрана из 32 секторов металлической фермы с установленными на ней алюминиевыми щитами, формирующими отражающую поверхность. Такая конструкция отражающей поверхности рефлектора позволяла в случае необходимости модифицировать форму поверхности с целью улучшения радиотехнических параметров.

Для повышения КИП антенны были рассмотрены варианты с модернизированными профилями двухзеркальных антенн, построенных по схеме Кассегрена и Грегори. При использовании существующей опорной системы для крепления контррефлектора схема Грегори оказалась более предпочтительной из-за меньшей площади затенения главного рефлектора. Предпочтению системы Грегори перед системой Кассегрена в нашем случае способствовало также то, что при одном и том же положении вторичного фокуса размеры рупорного облучателя оказываются меньшими, что также связано с положением раскрыва контррефлектора по высоте на фокальной оси. Это определило выбор системы Грегори. Из недостатков системы Грегори следует отметить некоторое увеличение веса контррефлектора по сравнению с системой Кассегрена.

Для расчета двухзеркальной антенны с модифицированными профилями зеркал в данном случае необходимо было задаться диаметром контррефлектора и расстоянием между плоскостью раскрыва контррефлектора и вторичным фокусом. Диаметр контррефлектора выбран 2,5м, немного меньше диаметра контррефлектора с немодифицированной поверхностью. Расстояние от вторичного фокуса до плоскости раскрыва контррефлектора выбрано равным 4,5м.

Необходимо было еще задаться расчетной формой диаграммы направленности облучателя и расчетным распределением амплитуды поля по раскрыву рефлектора. Распределение поля по раскрыву рефлектора выбиралось так, чтобы оно не очень сильно отличалось от равномерного (чтобы не уменьшить КИП), но, в то же время, чтобы был уменьшен уровень облучения кромок контррефлектора и рефлектора для уменьшения дифракционных потерь и уровня боковых лепестков. Было выбрано распределение амплитуды поля по экспоненциальному закону с уровнем на краю апертуры минус 3 дБ.

В качестве расчетной диаграммы направленности облучателя мы выбрали диаграмму направленности скалярного рупора, облучающего края контррефлектора по уровню минус 17 дБ и, для большей широкополосности, с достаточно большой квадратичной ошибкой в раскрыве рупора.

Выбранные параметры позволили однозначно рассчитать профили зеркал двухзеркальной антенны типа Грегори с профилем рефлектора, минимально отличающегося от заданного параболического рефлектора.

В качестве облучателя было решено использовать оптимизированный гладкий рупор с двумя изломами образующей.

При оценке снижения эффективности из-за отличия профилей зеркал от теоретических предполагалось, что суммарная среднеквадратичная погрешность профиля рефлектора относительно теоретического составляет 1мм при всех условиях эксплуатации, а среднеквадратичная погрешность профиля контррефлектора - 0,35мм.

В качестве альтернативного варианта облучателю на базе гладкого рупора с изломом образующей разработаны два ребристых облучателя с оптимизированными характеристиками. Один из облучателей предназначен для одновременной работы на 10см и на 3-3,5см, другой - в диапазоне 5см. Необходимость разработки двух облучателей обусловлена тем, что диапазонные свойства ребристой структуры внутренних стенок рупора (радиальные канавки) не обеспечивают поддержание основной гибридной моды НЕ11 одновременно во всех рабочих диапазонах частот.

Основной вывод, который был сделан из рассмотренных вариантов модернизации антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-25, состоял в том, что существенное повышение радиотехнической эффективности удается достигнуть при переходе к модифицированным профилям зеркал двухзеркальной антенны по типу Грегори. Это позволяет повысить КИП до уровня ~ 0,7 в диапазоне 10см, 0,65 - 5см, 0,59 - 3,5см и 0,58 - 3см с гладкостенным рупором и до уровня 0,72 в диапазоне 10см, 0,69 в диапазоне 5см и 0,57-0,58 в диапазонах 3,5см и 3см с ребристым рупором. КИП повышается из-за улучшения характера распределения поля по раскрыву рефлектора и дополнительного уменьшения затенения с той же опорной конструкцией.

Если в качестве приемной аппаратуры использовать сверхчувствительные приемники на волны 3,5 и 13см, используемые для РСДБ-наблюдений, то модернизированная антенная установка, созданная на базе зеркальной системы РТ-25, может иметь чувствительность, определяемую параметром SEFD, даже с гладкостенным рупором не хуже 700 Ян на волне 3,5см и 500 Ян на волне 13см. Правда, при этом использование волны 13см требует дополнительных расчетов по определению уровня переоблучения контррефлектора.

Аппаратура наведения антенного комплекса обеспечивает поиск объекта наблюдения и его автоматическое или ручное сопровождение. Указанные функции выполняются электроприводом во взаимодействии с опорно-поворотным устройством антенной установки и устройством управления и контроля.

В качестве основы практической реализации рассмотренной выше структурной схемы электропривода предлагается использовать унифицированный электропривод ЭПА-57ММ, также как в антенном комплексе на базе рефлектора РТ-16. Электропривод обеспечивает автоматическое ограничение углов поворота зеркальной системы в пределах 180о по АЗ и 0…90о по углу места.

Модернизация антенной установки, созданной на базе зеркальной системы РТ-25, также позволит использовать эту установку в РСДБ-наблюдениях при условии оснащения ее приемной сверхчувствительной аппаратурой на 3,5 и 13см и изготовления соответствующего рупорного облучателя.

Четвертая глава диссертации («Система наведения антенного комплекса») посвящена особенностям работы вычислительно-управляющей системы и устройства съема угловых координат модернизированных антенных комплексов РТ-16 и РТ-25.

Вычислительно-управляющая система обеспечивает совместную работу электропривода с опорно-поворотным устройством антенны в замкнутом режиме с устройством съема угловых координат и предназначена для управления наведением двухкоординатной (азимут, угол места) антенной системой при программном слежении за объектом, траектория которого задана координатами опорных точек.

Вычислительно-управляющая система выдает управляющий сигнал на электропривод, обеспечивающий перемещение антенны по программной интерполированной траектории, заданной опорными точками. Время между опорными точками - произвольное. Частота выдачи интерполированных целеуказаний - переменная, автоматически адаптирующаяся к быстродействию и загруженности ЭВМ. Вид интерполяции - скользящий кубический сплайн на шести точках.

Осуществляется регистрация на магнитном диске текущего времени, азимута, угла места, уровней принимаемых сигналов и других параметров сеанса.

Система получает с внешних устройств сигналы, которые объединяются в следующие группы:

сигналы с устройства съема угловых координат о действительном положении антенной системы;

сигналы о состоянии электроприводов;

сигнал системы единого времени (СЕВ).

Сигналы устройства съема угловых координат о действительном угловом положении антенной системы предназначены для осуществления обратной связи вычислительно-управляющей системы с антенной системой. Сигнал управления, пропорциональный рассогласованию между заданным и действительным положением привода, вычисляется с использованием сигналов устройства съема. Сигналы о состоянии электропривода предназначены для правильного логического взаимодействия управляющей системы с электроприводом антенной системы. Привязка внутреннего времени системы к импульсу СЕВ 1/60 Гц (1мин.) обеспечивает работу системы в московском или в местном времени. Точность привязки времени не хуже 0,01с.

Все выходные сигналы системы делятся на две группы:

сигналы управления аналоговым приводом

сигналы управления режимом программного наведения.

Вычислительно-управляющая система построена на основе универсальной вычислительной машины и универсального стандартного интерфейса и может решать весьма широкий класс вычислительных задач и задач управления в реальном масштабе времени. Специализация на задаче управления приводом заложена в разработанном пакете программ.

Стандартные вычислительные средства и стандартный интерфейс позволяют создать сравнительно дешевую в разработке и в тиражировании систему. Универсальность вычислительного средства позволяет кроме решения специальной задачи вычисления управляющего сигнала на привод антенны, решать и дополнительные задачи и выполнять значительное число сервисных функций.

Для контроля углового положения исполнительных осей опорно-поворотного устройства антенного комплекса в процессе наведения служит аппаратура измерения (съема) угловых координат (АСУК). Точность контроля углового положения осей обеспечивает надежность вхождения в связь, а также проведение некоторых технологических операций. При управлении от ЭВМ контроль углового положения необходим для таких режимов работы антенны, как, например, сканирующий поиск. Построение таких цифровых систем требует, кроме необходимой точности аппаратуры, еще и высокого ее углового разрешения (разрядности) и стабильности для организации прецизионного перемещения зеркальной системы. АСУК антенной системы, как правило, должна обладать рядом специальных характеристик для работы в составе автоматизированной системы наведения:

Сопряжение с ЭВМ, обеспечивающей обмен в режиме «запрос-ответ».

Визуальная индикация углового положения антенны при ручном управлении для оператора наведения при выполнении технологических операций.

Индикация исправности и готовности АСУК к работе.

Для надежного вхождения в связь отсчет углового положения исполнительных осей должен проводиться не хуже 0,5 0,5. Исходя из ширины самой узкой ДН для рефлектора РТ-25 на уровне 4 угл.мин., требуемая точность аппаратуры составляет 2 угл.мин. (СКО).

Было предложено несколько вариантов реализации угловых преобразователей данной точности, и был сделан вывод, что наиболее целесообразным является использование разработки на базе двухотсчетного синусно-конусного вращающегося трансформатора.

Рассмотренные системы дают представление о возможных вариантах построения системы наведения модернизируемых антенных систем при разработке проектов использования этих антенн в целях радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами.

В пятой главе («Управление механической системой, имеющей люфт») рассмотрена методика управления механической системой, имеющей люфт между двигателем и исполнительным механизмом, с целью уменьшения движения в области люфта.

При рассмотрении точности наведения антенной системы надо понимать, что за эту точность отвечает система наведения антенны в целом и все её механизмы в отдельности. В силу того, что большинство антенн больших радиотелескопов и антенн космической связи проектируют без укрытий, опорные конструкции и зеркала этих антенн должны быть максимально жесткими, и механизмы наведения должны иметь устройства выбора люфта в кинематических линиях силовых зубчатых передач. Люфт затрудняет выполнение условий устойчивости замкнутой следящей системы при обеспечении требований к быстродействию и динамической точности электропривода. Этот эффект особенно сказывается на малых скоростях наведения антенной системы в совокупности с трением покоя. Реализация безлюфтового наведения на больших антеннах (диаметром больше 25м) обычно достигается применением люфтовыбирающего устройства. Однако не везде эти устройства используются. Тем больший интерес вызывают особенности работы механической системы, имеющей люфт между двигателем и исполнительным механизмом.

Методика управления механической системой, имеющей люфт между двигателем и исполнительным механизмом, имеет ряд особенностей. Для пояснения этих особенностей в работе были использованы фазовые траектории системы. Фазовая траектория - это график зависимости скорости от положения. В качестве примера была рассмотрена система, имеющая параметры, близкие к параметрам азимутального привода сваязной антенны ТНА-57 с диаметром зеркала 12м. Исследования проводились на математической модели.

На рисунке в качестве примера показаны рассчитанная фазовая траектория для случая системы с коэффициентом трения К=0,4 и имеющей люфт. Движение внутри люфта отображается более толстой линией.



Фазовая траектория для системы с люфтом и коэффициентом трения К=0,4

Результаты моделирования показали, что для уменьшения движения в области люфта надо:

обеспечить апериодический характер процесса

не стремиться уменьшить ошибку сопровождения до нуля,

задать допустимую величину динамической ошибки сопровождения и поддерживать эту ошибку в допустимых пределах медленным изменением усиления в цепи обратной связи (крутизна управления будет функцией скорости объекта),

при изменении направления движения системы проходить области люфта при минимально возможном напряжении,

основной причиной начала движения в области люфта является торможение двигателем, поэтому если движение монотонно и требуемое по целеуказаниям замедление можно обеспечить трением в опорно-поворотной системе, требуется разработать алгоритм, при котором не происходит реверсирования управляющего напряжения на двигателях,

если движение немонотонно или замедление невозможно обеспечить только трением, то включение тормозящего напряжения производить плавно для уменьшения ударной динамической нагрузки в люфтовой передаче,

ввести критерий качества регулирования с целевой функцией минимизации износа. (Например, по числу реверсирования управляющего напряжения).

Для контроля величины люфта следует производить прямые измерения угла поворота ротора электродвигателей, однако эти измерения требуют произвести монтаж соответствующих датчиков и кабельных соединений.

Основные выводы, которые можно сделать из приведенного рассмотрения способов управления механической системой, имеющей люфт, состоят в следующем:

До последнего времени не было специальных рекомендаций по управлению люфтовыми передачами, поэтому существующее программное обеспечение вычислительных управляющих систем не рассчитано на минимизацию негативного воздействия люфта.

Необходимо измерить величину люфта всех антенн и коэффициенты вязкого трения при разных скоростях и температурах.

Следует дополнить систему управления средствами оперативного прямого или косвенного измерения величины люфта. Например, ввести в систему наведения и подключить к ПЭВМ датчики углов поворота электродвигателей приводов и датчики токов в двигателях.

Ещё до того, как появятся средства измерения люфтов, в системе наведения выполнить приведенные выше рекомендации для уменьшения движения в области люфта.

Разработанная методика уменьшения негативного воздействия люфта может быть использована в антеннах, в которых нет люфтовыбирающих механизмов, но на которых требуется улучшить точность наведения для использования этих антенн в разных целях, в том числе и для наблюдений на них космических радиоисточников в составе РСДБ-сетей.

В заключении подведены основные итоги.

Радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами, бурно развивающаяся в последние десятилетия, стала именно тем астрономическим методом, который приблизил чисто фундаментальную науку астрономию к решению широкого круга насущных задач человеческого общества. Дальнейшее развитие РСДБ-метода в России потребует в скором времени создание новых наблюдательных пунктов. И в целях экономии средств в качестве этих пунктов могут рассматриваться варианты использования уже существующих антенных установок, в том числе построенных для дальней и ближней космической связи.

Представленная работа посвящена рассмотрению такого варианта. Исследуется возможность использования модернизированной 16-ти метровой связной антенны для целей РСДБ. Модернизация этой антенны позволила улучшить ее радиотехнические характеристики и точность наведения. Именно на эти параметры следует обращать внимание при включении готовой антенны, находящейся в определенном месте, в РСДБ-сеть.

Рассмотрены варианты модернизации 25-ти метровой антенны. Главной целью этого рассмотрения также являлось получение радиотехнических параметров зеркальной системы этой антенны и системы наведения на уровне современных требований.

Сделанное в работе предложение оснастить модернизированные антенны приемной аппаратурой на волны 3,5 и 13см, спроектированной специально для российской РСДБ-сети КВАЗАР, попозволило получить теоретические оценки чувствительности этих модернизированных антенных систем с предполагаемой приемной системой в единицах SEFD. Чувствительность эта получилась не хуже чувствительности других антенн, используемых для наблюдений космических источников в составе международных РСДБ-сетей.

Приведенная в работе оригинальная методика, позволяющая нивелировать влияние люфта на точность наведения антенны, может быть использована в различных антенных комплексах, где нет люфтовыбирающих устройств. Действие этой методики опробовано на 12-метровой связной антенне, точность наведения которой, благодаря этому, существенно повысилась. Использование этой методики можно рассматривать как первый шаг в доведении параметров 12-метровых связных антенн до требований, предъявляемых к РСДБ-антеннам.

Итак, расположение десятков связных антенн разных диаметров по всей территории России, возможность модернизации их зеркальных систем и систем наведения может служить серьезным основанием для решения вопроса о подключении некоторых из них к программам российской РСДБ-сети КВАЗАР по наблюдениям радиоизлучения естественных источников и космических аппаратов.

В приложениях приведена методика оценки радиотехнической эффективности двухзеркальной антенны и программа имитации люфтовой механической передачи.

Список работ по теме диссертации:

1. Технические предложения. Комплексный ремонт и модернизация изделия 11 Н815 в в/ч 63553 (М.И.Панин - главный конструктор модернизации антенно-приемного комплекса), Москва, ОКБ МЭИ, 1994, 137стр.

2. Дараган Л.В., Иванов И.П., …, Панин М.И. и др. Комплекс антенно-приемный ТНА-210Ю. Инженерная записка. ЯГАИ.464318.007Д (М.И.Панин - главный конструктор разработки антенно-приемного комплекса), Москва, ОКБ МЭИ, 1997, 129 стр.

3. Панин М.И., Первинкин И.А., Саурин В.П. Вычислительно-управляющая система. Техническое описание. Э.467115ТО. (М.И.Панин - разработчик требований к ВУС), Москва, ОКБ МЭИ, 1997, 23 стр.

4. А.В.Ипатов, Крат О.И., Панин М.И., Саурин В.П. Метод учета люфтов в системе наведения радиотелескопов. Тезисы докладов. ВАК2001, СПб, стр. 78.

5. А.В.Ипатов, О.И.Крат, М.И.Панин, В.П.Саурин. Управление механической системой, имеющей люфт. Сообщения ИПА РАН № 169, СПб, 2004, 16стр.

6. М.И.Панин, А.В.Ипатов, О.И.Крат. Возможность использования связных антенн в программах РСДБ-наблюдений. Сообщения ИПА РАН, № 170, СПб, 2004, 15стр.

Размещено на Allbest.ru

...