Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ С БОРТА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Предлагаемый способ относится к области космических физико-технических исследований и может быть использован для прогноза сейсмической активности Земли.

Известны способы определения места землетрясения с борта космического аппарата (патенты РФ №№2.045.086, 2.172.968, 2.205.431, 2.263.334; патент США; 4.884.030; Чмырев В.М. и др. Электрические поля и гидромагнитные волны в ионосфере над очагом землетрясения. Геомагнетизм и аэрономия, 1986, т. 26, №6, с. 1020-1022 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ определения места землетрясения с борта космического аппарата» (патент РФ №2.263.334, G01V 9/00, 2004), который и выбран в качестве прототипа.

Известный способ обеспечивает регистрацию низкочастотного электромагнитного излучения. По превышению интенсивности излучения долевого уровня судят о местоположении эпицентра землетрясения. В момент превышения интенсивности низкочастотного излучения фонового уровня дополнительно сканируют с борта космического аппарата участки подстилающей земной поверхности в рентгеновском диапазоне спектра. Уточняют местоположение эпицентра землетрясения посредством определения направления на эпицентр ожидаемого землетрясения в азимутальной и угломестной плоскостях.

Однако потенциальные возможности известного способа используются не в полной мере. Использование третьей измерительной базы, расположенной в гипотенузной плоскости, позволяет определить угол ориентации Ψ на эпицентр ожидаемого землетрясения. Измерив три угла: азимут α, угол места β и угол ориентации Ψ и использовав корреляционную обработку принимаемых низкочастотных излучений, можно точно и однозначно определить местоположение эпицентра ожидаемого землетрясения.

Технической задачей изобретения является точное и однозначное определение местоположения эпицентра ожидаемого землетрясения с борта космического аппарата путем использования трех измерительных баз, расположенных в азимутальной угломестной и гипотенузной плоскостях соответственно, и корреляционной обработки принимаемых низкочастотных излучений.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу определения места землетрясения с борта космического аппарата, включающего регистрацию низкочастотного электромагнитного излучения и суждение по превышению интенсивностью излучения фонового уровня о местоположении эпицентра землетрясения, при этом в момент превышения интенсивностью низкочастотного излучения фонового уровня дополнительно сканируют с борта космического аппарата участки подстилающей земной поверхности в рентгеновском диапазоне спектра и по наличию и размерам участка земной поверхности, характеризующегося интенсивностью рентгеновского излучения с энергией 2-25 КэВ, превышающей фоновое значение не менее чем на 20 стандартных отклонений, уточняют местоположение эпицентра землетрясения, низкочастотное электромагнитное излучение принимают на три антенны, размещенные на космическом аппарате в виде геометрического прямого угла, в вершине которого помещают антенну первого приемного канала, общую для антенн второго и третьего приемных каналов, размещенных в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно, преобразуют принимаемое низкочастотное излучение по частоте с использованием двух гетеродинов, частоты которых разносят на удвоенное значение промежуточной частоты

f_Г2-f_Г1=2f_up

и выбирают симметричными относительно несущей частоты f_c низкочастотного излучения

f_c-f_Г1-f_Г2-f_c=f_up

выделяют в трех приемных каналах напряжения промежуточной частоты, перемножают между собой напряжения гетеродинов, напряжения промежуточной частоты первого и второго, первого и третьего приемных каналов, выделяют узкополосные напряжения на частоте, равной разности частот гетеродинов, осуществляют корреляционную обработку напряжений промежуточной частоты первого и второго, первого и третьего приемных «каналов, сравнивают напряжения, пропорциональные полученным корреляционным функциям, с пороговыми напряжениями и в случае их превышения измеряют разности фаз между полученными узкополосными напряжениями на частоте, равной разности частот гетеродинов, по значению которых определяют направления на эпицентр ожидаемого землетрясения, в которых определяют направления на эпицентр ожидаемого землетрясения в азимутальной и угломестной плоскостях, причем частоту f_Г1 первого гетеродина используют для преобразования по частоте низкочастотного излучения, принимаемого по первому каналу, а частоту f_Г2 второго гетеродина используют для преобразования по частоте низкочастотных излучений, принимаемых по второму и третьему каналам,

отличается от ближайшего аналога тем, что используют третью измерительную базу, образованную второй и третьей приемными антеннами и расположенную в гипотенузной плоскости, тремя измерительными базами образуют прямоугольный треугольник, перемножают между собой напряжения промежуточной частоты второго и третьего приемных каналов, выделяют узкополосное напряжение на частоте, равной разности частот гетеродинов, осуществляют корреляционную обработку напряжений промежуточной частоты второго и третьего приемных каналов, сравнивают напряжения, пропорциональные полученным корреляционным функциям, с пороговыми напряжениями и в случае их превышения измеряют разность фаз между полученными узкополосными напряжениями на частоте, равной разности частот гетеродинов, по значению которой определяют направление на эпицентр ожидаемого землетрясения в гипотенузной плоскости, по измеренным значениям азимута α, угла места β и угла ориентации Ψ точно и однозначно определяют место эпицентра ожидаемого землетрясения.

Предлагаемый способ включает регистрацию ОНЧ-излучения аппаратурой КА. Для повышения точности определения эпицентра ожидаемого землетрясения измеряют разности фаз в азимутальной, угломестной и гипотенузной плоскостях (фиг. 6):

,

,

,

где d₁, d₂, d₃ - измерительные базы; λ - длина волны; α, β, Ψ - азимут, угол места и угол ориентации эпицентра ожидаемого землетрясения.

Однако фазовому методу пеленгации эпицентра землетрясения свойственно противоречие между требованиями повышения точности и устранения неоднозначности фазовых измерений. Действительно, согласно вышеприведенным формулам для повышения точности пеленгации эпицентра ожидаемого землетрясения необходимо увеличить относительные размеры баз d₁/λ, d₂/λ и d₃/λ, превосходят значения 2π, т.е. наступает неоднозначность отчета угловых координат α, β и Ψ. Для устранения указанной неоднозначности используют корреляционную обработку принимаемых по трем каналам низкочастотных электромагнитных излучений. При этом для преобразования по частоте принимаемых низкочастотных электромагнитных излучений используют два гетеродина, частоты f_Г1 и f_Г2 которых разносят на удвоенное значение промежуточной частоты

f_Г2-f_Г1=2f_up

и выбирают симметричными относительно несущей частоты f_c низкочастотного излучения (фиг. 5)

f_c-f_Г1=f_Г2-f_c=f_up.

Это обстоятельство приводит к удвоению числа дополнительных каналов приема, но создает благоприятные условия для их подавления корреляционной обработкой принимаемых низкочастотных излучений.

В предлагаемом способе, так же как и в прототипе, дополнительно сканируют с борта КА в рентгеновском диапазоне спектра участки подстилающей земной поверхности, регистрируют в верхней атмосфере образование фотонов при взаимодействии с атмосферой потоков электронов, высыпающихся из внутреннего радиационного пояса под воздействием ОНЧ-излучения, и по наличию и размерам участка подстилающей земной поверхности, характеризующегося интенсивностью рентгеновского излучения с E=2-25 КэВ, превышающей фоновое значение не менее чем на 20 стандартных отклонений, уточняют местоположение эпицентра ожидаемого землетрясения.

Новые отличительные операции предлагаемого способа обеспечивают тонкую и однозначную пеленгацию эпицентра ожидаемого землетрясения и повышение помехоустойчивости приемника ОНЧ-излучения.

Достигается это следующим образом.

Распространяясь от Земли и достигая L-оболочек, ОНЧ-излучение эффективно рассеивает электроны с энергиями порядка 30 КэВ - 1 МэВ, которые, попадая сверху из радиационного пояса, поглощаются атмосферой на высотах 70-100 км. Энергетический эквивалент потока при этом достигает 0,1 эрг/см²⋅с. При этом основным процессом взаимодействия с воздухом является ионизация атомов. Но, как следует из рассмотрения сечений взаимодействия, существует вероятность порядка 10^-4 образования фотона тормозным излучением. При данном механизме примерно в половине случаев образуется фотон с энергией, сравнимой с энергией электрона, т.е. в районе 10-30 КэВ, и примерно половина таких фотонов, двигаясь вверх, не поглотится атмосферой.

Энергия электрона в 30 КэВ соответствует 5-10^-8 эрг и поток частиц составляет 2-10⁶ см^-2⋅c^-1. Если район генерации ОНЧ-излучения ограничен на Земле областью размерами в 100 км, то светимость в рентгеновском диапазоне слоя, где происходит поглощение электронов, составляет

E=0,1⋅(5⋅10^-8)^-1⋅10⁴ фотонов/с.

На высоте орбиты в 300 км поток фотонов будет составлять

E=0,25⋅2⋅10¹⁶/(4πR)²=2 фотона/см²,

где R=200 км.

Предположим, что на спутнике установлен пропорциональный счетчик площадью 100 см, регистрирующий рентгеновские фотоны с эффективностью 0,5. Его собственный фон, остающийся после селекции заряженных частиц, равен примерно 2 ими/см²⋅с. Прибор пролетает область высыпания электронов примерно за 10 с. В таком случае от фона будет накоплено 2000 ими, а от излучающей области 1000 ими, что составляет 20 стандартных отклонений и представляет вполне регистрируемую величину.

Следовательно, по изображению подстилающей поверхности в рентгеновском диапазоне по параметрам яркого пятна (размеры, спектр, поведение во времени) распознается зона готовящегося землетрясения.

Кроме того, в этом случае повышается надежность контроля готовящегося землетрясения с борта КА.

Предлагаемый способ иллюстрируется фиг. 1-7. На фиг. 1 обозначены Земля 1, область 2 (≈100 км) образования напряжений в земной коре;

образование 3 ОНЧ-излучения, траектория 4 полета КА, поле зрения 5 рентгеновского датчика; КА 6, внутренний радиационный пояс 7; траектория 8 движения электронов по магнитным силовым линиям; высыпание электронов 9 под воздействием ОНЧ-излучения; образование фотонов 10 при взаимодействии потоков электронов с атмосферой на высоте 70-100 км; атмосфера 11.

Возможность идентификации зоны готовящегося землетрясения иллюстрируется фиг. 2 и 3. На фиг. 2 обозначены: зона 12 готовящегося землетрясения, трасса 13 KA, проходящая над очагом готовящегося землетрясения, трассы 14 и 15 KA, проходящие вблизи очага готовящегося землетрясения.

На фиг. 3 показаны в зависимости от времени интенсивности потока, регистрируемого рентгеновским детектором с полем зрения ≈10° в диапазоне 2-25 КэВ при полете КА над очагом готовящегося землетрясения (зависимость 16) и вблизи очага готовящегося землетрясения (зависимости 17 и 18). Время соответствует полету КА на минимальном удалении от эпицентра готовящегося землетрясения.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью известных средств. Для регистрации ОНЧ-излучения может использоваться приемный ОНЧ-комплекс, включающий в свой состав:

- трехкомпонентные ОНЧ-детекторы магнитного поля (типа МДП-3);

- шестикомпонентный приемник-анализатор (типа АНЧ-6);

- приемник ОНЧ-сигналов, измеряющий амплитуду и фазу СДВ радиопередатчиков (типа ПОНЧ-6);

- микропроцессор-анализатор (типа МА-2);

- приемник-пеленгатор ОНЧ-сигналов.

В качестве КА могут использоваться существующие орбитальные комплексы, перспективные комплексы типа УКП, выводимые на геостационарные орбиты, и другие аппараты.

Для сканирования с борта КА участков земной поверхности могут использоваться системы управления типа «Дельта», «Чайка», устанавливаемые на ОС «Салют» и других КА.

Для регистрации фотонов в рентгеновском диапазоне может использоваться аппаратура типа СКР, установленная на КА «Астрон», либо «Барс», а также радиотелеметрическая система типа БР 9 ЦУ.

На фиг. 4 изображена структурная схема приемника-пеленгатора. Частотная диаграмма, поясняющая образование дополнительных каналов приема, представлена на фиг. 5. Взаимное расположение приемных антенн показано на фиг. 6, геометрическая схема расположения КА и эпицентра 12 ожидаемого землетрясения показана на фиг. 7. Приемник-пеленгатор содержит приемные антенны 19, 20 и 21, гетеродины 22 и 23, смесители 24, 25 и 26, усилители 29, 30 и 31 промежуточной частоты, перемножители 27, 32, 33 и 51 узкоплосные фильтры 28, 34, 35 и 52, блоки корреляторов 36, 37 и 49, пороговые блоки 38, 39, 42, 43, 50 и 54, ключи 40, 41, 44, 45, 53 и 55, фазовые детекторы 46, 47 и 56, блок 48 регистрации.

Принимаемые низкочастотные электромагнитные излучения:

i₁(t)=У₁⋅cos [2π(f_c±Δf)t+ϕ₁]

i₂(t)=У₂⋅cos[2π(f_c±Δf)t+ϕ₂]

i₃(t)=У₃⋅cos[2π(f_c±Δf)t+ϕ₃], 0≤t≤T_c

где У₁, У₂, У₃ - интенсивности излучения;

f_c, ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, T_c - несущая частота, начальные фазы и длительность излучения;

±Δf - нестабильность несущей частоты, вызванная эффектом Доплера и другими дестабилизирующими факторами,

с выходов приемных антенн 19, 20 и 21 поступают на первые входы смесителей 24, 25 и 26 соответственно, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродинов 22 и 23:

u_Г1(t)=υ_Г1⋅cos(2πf_Г1t+ϕ_Г1),

u_Г2(t)=υ_Г2⋅cos(2πf_Г2t+ϕ_Г2),

Причем частоты f_Г1 и f_Г2 гетеродинов 22 и 23 разнесены на удвоенное

f_Г2-f_Г1=2f_up

и выбраны симметричными относительно несущей частоты f_c (фиг. 5)

f_c-f_Г1=f_Г2-f_c=f_up.

На выходах смесителей 24, 25 и 26 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 29, 30 и 31 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты:

u_up1(t)=ν_пр1⋅cos[2π(f_up±Δf)t+ϕ_up1],

u_up2(t)=ν_пр2⋅cos[2π(f_up±Δf)t+ϕ_up2],

u_up3(t)=ν_пр3⋅cos[2π(f_up±Δf)t+ϕ_up3], 0≤t≤T_c,

где

;

;

K - коэффициент передачи смесителей;

f_up=f_c-f_Г1=f_Г2-f_c - промежуточная частота;

ϕ_пр1=ϕ₁-ϕ_Г1; ϕ_пр2=ϕ₂-ϕ_Г2; ϕ_пр3=ϕ₃-ϕ_Г3,

которые поступают на входы перемножителей 32, 33 и 51. На выходах последних образуются напряжения:

U₁(t)=V₁⋅cos[2π(f_Г2-f_Г1)t+ϕ_Г+Δϕ₁],

U₂(t)=V₂⋅cos[2π(f_Г2-f_Г1)t+ϕ_Г+Δϕ₂],

U₃(t)=V₃⋅cos[2π(f_Г2-f_Г1)t+ϕ_Г+Δϕ₃], 0≤t≤T_c,

где

;

;

;

K₂ - коэффициент передачи перемножителей;

ϕ_c=ϕ_Г2-ϕ_Г1;

;

;

,

которые выделяются узкополосными фильтрами 34, 35 и 52 соответственно.

Напряжения U_Г1(t) и U_Г2(t) со вторых выходов гетеродинов 22 и 23 подаются на входы перемножителя 27, на выходе которого образуется напряжение

U_Г(t)=V_Г⋅cos[2π(f_Г2-f_Г1)t+ϕ_Г],

где

;

f_Г2-f_Г1=2f_пр

ϕ_Г=ϕ_Г2-ϕ_Г1,

которое выделяется узкополосным фильтром 28.

Напряжения U_пр1(t) и U_пр2(t), U_пр1(t) и U_пр3(t), U_пр2(t) и U_пр3(t) одновременно поступают на два входа блоков 36, 37 и 49 корреляторов, на первом выходе которых формируются напряжения, пропорциональные корреляционным функциям R₁(τ), R₂(τ) и R₃(τ). Указанные напряжения сравниваются с пороговым напряжением V_пор1 в пороговых блоках 38, 39 и 50. Пороговый уровень V_пор1 превышается только при истинных азимуте α_и, угле места β_и и угле ориентации Ψ_и. При превышении порогового напряжения V_пор1 в пороговых блоках 38, 39 и 50 формируются постоянные напряжения, которые поступают на управляющие входы ключей 40, 41 и 53, открывая их. В исходном состоянии ключ 40, 41, 44, 45, 53 и 55 всегда закрыты.

На вторых выходах блоков 36, 37 и 49 корреляторов формируются напряжения, пропорциональные корреляционным функциям R₄(τ), R₅(τ) и R₆(τ). Указанные напряжения сравниваются с пороговым напряжением V_пор2 в пороговых блоках 42, 43 и 54.

Так как канальные напряжения U_пр1(t) и U_пр2(t), U_пр1(t) и U_пр3(t), U_пр2(t) и U_пр3(t) образуются одним и тем же низкочастотным электромагнитным излучением, принимаемым по основному каналу на частоте f_c, то между указанными канальными напряжениями существует сильная корреляционная связь. Выходные напряжения, пропорциональные корреляционным функциям R₄(τ), R₅(τ) и R₆(τ), превышают пороговый уровень V_пор2(t) в пороговых блоках 42, 43 и 54. В последних формируются постоянные напряжения, которые поступают на управляющие входы ключей 44, 45 и 55, открывая их.

При этом напряжение U₁(t), U₂(t) и U₃(t) с выходов узкополосных фильтров 34, 35 и 52 через открытые ключи 40, 41, 44, 45, 53 и 55 поступает на первые входы фазовых детекторов 46, 47 и 56 соответственно, на вторые входы которых подается напряжение U_Г(t) с выхода узкополосного фильтра 28. На выходах фазовых детекторов 46, 47 и 56 образуются низкочастотные напряжения:

U_H1(α)=V_H1⋅cosΔ_ϕ1,

U_H2(α)=V_H2⋅cosΔ_ϕ2,

U_H3(α)=V_H3⋅cosΔ_ϕ3,

где

;

;

;

K₃ - коэффициент передачи фазовых детекторов;

Пропорциональные фазовым сдвигам Δ_ϕ1, Δ_ϕ2 и Δ_ϕ3.

Эти напряжения фиксируются блоком 48 регистрации.

Описанная выше работа приемника-пеленгатора соответствует случаю приема низкочастотных электромагнитных излучений по основному каналу на частоте f_c (фиг. 5).

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому зеркальному каналу на частоте f₃₁ или по второму зеркальному каналу на частоте f₃₂, то на вторых входах блоков корреляторов 36, 37 и 49 напряжения отсутствуют. Ключи 44, 45 и 55 не открываются, и указанные ложные сигналы (помехи) подавляются.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по первому комбинационному каналу на частоте f_K1 или по второму комбинационному каналу на частоте f_K2 или по любому другому дополнительному каналу.

Если ложные сигналы (помехи) одновременно принимаются по первому зеркальному каналу на частоте f₃₁ и по второму зеркальному каналу на частоте f₃₂, то на вторых выходах блоков корреляторов 36, 37 и 49 образуются напряжения, пропорциональные корреляционным функциям R₄(τ), R₅(τ) и R₆(τ). Однако ключи 44, 45 и 55 в этом случае не открываются. Это объясняется тем, что канальные напряжения образуются разными ложными сигналами (помехами), принимаемыми на разных частотах f₃₁, и f₃₂. Между ними существует слабая корреляционная связь; напряжения, пропорциональные корреляционным функциям R₄(τ), R₅(τ) и R₆(τ), не превышают порогового напряжения υ_пор в пороговых блоках 42, 43 и 54. Ключи 44, 45 и 55 не открываются, и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по первому зеркальному каналу на частоте f₃₁ и по второму зеркальному каналу на частоте f₃₂, подавляются.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по двум или более другим дополнительным каналам.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает точное и однозначное определение местоположения эпицентра ожидаемого землетрясения с борта космического аппарата. Это достигается использованием трех измерительных баз, расположенных в азимутальной, угломестной и гипотенузной плоскостях соответственно, и корреляционной обработки принимаемых низкочастотных излучений.

Кроме того, устраняется нестабильность несущей частоты, вызванная эффектом Доплера и другими дестабилизирующими факторами.

Повышение помехоустойчивости приемного ОНЧ-комплекса достигается подавлением ложных сигналов (помех, принимаемых по дополнительным каналам), а также корреляционной обработкой принимаемых излучений.

Принцип определения местоположения эпицентра ожидаемого землетрясения и других источников радиоизлучений пассивным методом отличается новизной, оригинальностью и может найти широкое практическое применение в различных областях радиолокации и радионавигации.