Радиолокационный комплекс для обнаружения астероидов

Изобретение относится к многопозиционной радиолокации с обнаружением «на просвет» и может быть использовано для обнаружения, определения траектории полета и сопровождения летящих объектов (астероидов, комет, искусственных объектов) как в ближнем космосе, так и в далеких окрестностях Земли (несколько миллионов километров).

В связи с падением на Землю Челябинского и ряда более мелких метеоритов зимой 2013 года обострилась проблема создания системы предупреждения астероидно-кометной опасности. Кроме того, предполагается, что внутри лунной орбиты вокруг Земли вращается большое количество необнаруженных небесных тел малых размеров, которые представляют угрозу космическим аппаратам (КА) и могут периодически падать на Землю.

С точки зрения экономических затрат оптические системы, ведущие непрерывный глобальный обзор неба, в том числе для выявления объектов, представляющих угрозу для Земли, пока остаются наиболее эффективными, однако, они имеют ряд недостатков, а именно: 1) обзор неба может проводиться только ночью; 2) оптические системы не являются всепогодными; 3) объекты, приближающиеся к Земле со стороны Солнца, оптическими средствами трудно обнаружимы. Т.е. для создания надежной системы слежения за опасными для Земли объектами необходимо дополнение оптических систем наблюдений радиолокационными средствами, лишенными недостатков оптических средств и превосходящие их по точности определения параметров движения объекта.

Опыт использования традиционных (моно- или бистатических) РЛС в радиоастрономии показал, что, по крайней мере, в пределах лунной орбиты локационные системы с антеннами больших диаметров могут быть использованы для точного измерения параметров движения астероидов, уже обнаруженных оптическими средствами (Benner L., 2013, http://echo.ipl.nasa.gov/asteroids/2012DA14/2012DA14_planning.html (Голдстоун, США), http://kaira.sgo.fi/2013_02_01_archive.html (Vierinen J., 2013. Хейстек, США)). Запас времени от момента начала слежения до предельного сближения объекта с Землей составит от нескольких часов до нескольких суток.

Проведение локации астероидов в радиодиапазоне наталкивается как минимум на две основные проблемы, приводящие к неопределенности оценки величины отраженного от объекта сигнала. Во-первых, неизвестен коэффициент отражения вещества небесного тела в различных диапазонах радиоволн. Если придерживаться сравнения с данными о параметрах лунного грунта (например, Т. Hagfors. Remote Probing of the Moon by Infrared and Microwave Emissions and by Radar. // Radio Science. 1970. V. 5, Issue 2. PP. 189-227), величина коэффициента отражения вещества астероидов в радиодиапазоне не будет превышать 7-10%. Во-вторых, сложная форма и сильная неровность поверхности астероидов могут приводить к существенным потерям «полезного» отраженного сигнала даже для тел больших размеров. В проведенных экспериментах по локации астероида 2012ДА14 в бистатическом режиме было получено (М.Б. Нечаева, Н.А. Дугин и др. Изв. ВУЗов «Радиофизика», 2014, т. 57, №10, с. 774-783), что отраженный сигнал имел крайне нерегулярный квазипериодический характер с моментами практически полного затухания. Этот эффект может быть обусловлен вращением объекта и неровностью его отражающей поверхности. Такой сигнал не может считаться надежным при решении задачи обнаружения небесных тел малых размеров.

Таким образом, традиционные РЛС в задаче обнаружения астероидов не могут составить сильной конкуренции оптическим средствам из-за больших энергетических затрат и малой вероятности обнаружения объекта. Но оптические средства также не способны обнаружить объект с малым коэффициентом отражения («черное тело»), а также по вышеперечисленным причинам.

При развитии средств радиолокации, призванных бороться с малозаметными летательными аппаратами (в том числе изготовленными по технологии СТЕЛС) были предложены новые, так называемые «просветные», РЛС.

Известны бистатические радиолокационные станции (РЛС) (см. Черняк B.C. Многозвенная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993, - 416 с., Справочник по радиолокации. Перевод с английского под ред. М. Сколника. Т.4. - М.: Советское радио, 1979), в том числе многопозиционные, в которых передающий и приемный комплексы аппаратуры разнесены в пространстве. Такое построение имеет ряд преимуществ по сравнению с моностатическим радиолокатором (см. Уфимцев П.Я. // Радиотехника и электроника, 1989, т. 35, №12. - с. 2519-2527, Glaser J. Bistatic RCS of Complex Objects Near Forward Scatter, IEEE Transactions on aerospace and electronic systems. Vol. AES-21, №1, January, 1985. - p. 70-78), заключающихся в возможности реализации метода радиолокации, основанном на просветном эффекте, состоящем в том, что при облучении объекта, размеры которого в несколько раз больше длины волны, излучаемой передатчиком, энергия, рассеянная назад, на несколько порядков (в среднем на три) меньше энергии, рассеянной вперед по линии облучения, в результате чего эффективная площадь рассеяния (ЭПР) объекта при наблюдении в бистатическом радиолокаторе «на просвет» в тысячи раз превосходит ЭПР объекта для традиционного моностатического радиолокатора.

Известен радиолокационный комплекс (см. RU 2324197), содержащий бистатическую «просветную» радиолокационную станцию (РЛС), представляющую собой разнесенные в пространстве передающую позицию в составе последовательно соединенных передатчика и передающей антенны и приемную позицию в составе последовательно соединенных приемной антенны с многолучевой диаграммой направленности, приемного устройства и рабочего места оператора, при этом передающая и приемная антенны подняты на высоту, обеспечивающую прямую радиовидимость, и направлены встречно, при этом на приемной позиции введена моностатическая РЛС, зона обнаружения которой перекрывает зону обнаружения бистатической "просветной" РЛС, причем вход-выход моностатической РЛС соединен с выходом-входом рабочего места оператора, обеспечивающего команду включения моностатической РЛС по указанию от бистатической "просветной" РЛС, отображение, идентификацию радиолокационной информации и выдачу целеуказания внешнему потребителю в виде выходной информации радиолокационного комплекса, при этом рабочие частоты бистатической "просветной" РЛС и моностатической РЛС смещены для обеспечения их одновременной работы.

В описанном комплексе «просветная» РЛС выполняет вспомогательную функцию обнаружения объекта с последующей «передачей» его моностатической РЛС для проведения дальнейшего целеуказания.

Известен радиолокационный комплекс (см. RU 2422849), содержащий бистатическую, в том числе «просветную», радиолокационную станцию (РЛС), представляющую собой разнесенные в пространстве передающую и приемную станции, где в качестве передающей станции используются космические естественные или искусственные источники шумового сигнала, а приемная станция является наземной и содержит антенну и приемное устройство, включающее основной приемный тракт для шумовых сигналов, систему регистрации квантованного шумового сигнала, коррелятор, синхронометр, причем основной приемный тракт включает малошумящий усилитель (МШУ) с широкой полосой приема и подключенный к МШУ преобразователь частоты с выходом, соединенным с системой регистрации, к которой также подключен синхронометр и которая содержит два канала записи, выходы которых подключены к коррелятору.

Такой вариант комплекса с размещением передатчиков на космических аппаратах, а приемных систем - на Земле, эффективен, поскольку далекие от Земли объекты будут обнаружены сразу после попадания в ДН передатчика, т.к. в узкую зону обнаружения (просветного эффекта) с далеких расстояний будет попадать вся Земля. Это обстоятельство может привести к минимизации числа КА на далеких орбитах, но потребуются существенные затраты мощности на аппаратах, которые вряд ли могут быть обеспечены солнечными батареями, и возникнут сложности создания сколь-нибудь компактных низкочастотных передающих антенн.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является применение методов просветной радиолокации с использованием зондирующих сигналов с различным спектром излучения для получения технического результата: повышение дальности и надежности обнаружения внеземных объектов (астероидов, комет) и увеличение точности измерения траекторий их полета в околоземном и дальнем космическом пространстве.

Достижение указанного технического результата обеспечено тем, что в изобретении осуществлен прием одной или несколькими антеннами, расположенными на космических аппаратах, двигающихся по орбитам вокруг Земли в околоземном космическом пространстве или в дальнем космосе, двух монохроматических или квазишумовых сигналов - отраженного от объекта и опорного от передающей станции, расположенной на поверхности Земли. Отраженный сигнал и (или) корреляционный отклик между отраженным и прямым сигналами несут информацию о наличии объекта (обнаружение), величине задержки между сигналами (направление на объект), частоте Доплера и изменении задержки во времени (скорость).

Для достижения указанного технического результата предлагается радиолокационный комплекс для обнаружения астероидов, использующий явление «просветного» эффекта и представляющий собой разнесенные в пространстве передающую и приемную станции, где каждая из приемных станций включает приемную антенну, приемное устройство, систему регистрации сигналов, синхронометр, коррелятор. Радиолокационный комплекс содержит несколько передающих и приемных станций, где в качестве передающих станций использованы наземные РЛС различных диапазонов, распределенные примерно равномерно по поверхности Земли, а приемные станции расположены на космических аппаратах (КА), двигающихся по орбитам вокруг Земли или параллельно с Землей в космическом пространстве. Каждая из приемных станций дополнительно содержит передающий тракт, включающий систему формирования информативного сигнала и передающую антенну, направленную на Землю. При этом в приемной станции многочастотная антенна подключена к входам, содержащимся в приемном устройстве первого и второго приемным трактам, выходы которых подключены к первому и второму входам системы регистрации сигналов. К третьему входу системы регистрации сигналов подключен синхронометр для выдачи меток времени. При этом первый выход системы регистрации сигналов подключен к входу первого коррелятора и первому входу накопителя информации, а второй выход системы регистрации сигналов подключен к входу второго коррелятора и к второму входу накопителя информации, к третьему и четвертому входам которого подключены выходы корреляторов, а выход накопителя информации подключен к передающему тракту, включающему систему формирования информативного сигнала и передающую антенну, направленную на Землю, для передачи информации в центр обработки на частоте, отличающейся от частот приемных трактов для обеспечения их одновременной работы.

На фиг. 1 изображен радиолокационный комплекс, представляющий собой разнесенные в пространстве передающие 1 и приемные 2 станции, где в качестве передающих 1 станций используются наземные РЛС различных диапазонов, распределенные примерно равномерно по поверхности Земли, а приемные станции 2 расположены на КА, двигающихся по орбитам вокруг Земли или параллельно с Землей в космическом пространстве, и содержат (фиг. 2) приемную многочастотную антенну 3, подключенную к входам приемного устройства 4, которое включает приемные тракты 5 и 6, систему регистрации сигналов 7, синхронометр 8, корреляторы 9.1 и 9.2, и накопитель информации (систему записи) 10. Первый низкочастотный приемный тракт 5 содержит (фиг. 3а) соединенные последовательно малошумящий усилитель (МШУ) 11.1, фильтр 12.1 и систему квантования сигнала 13.1. Второй высокочастотный приемный тракт 6 (фиг. 3б) содержит МШУ 11.2, подключенный к нему преобразователь частоты, который состоит из смесителя 14, гетеродина 15, фильтра 12.2, усилителя УПЧ 16, и систему квантования сигнала 13.2. При этом выход МШУ 11.2 подключен к первому входу смесителя 14, к второму входу которого подключен гетеродин 15, а выход смесителя 14 подключен через фильтр 12.2 к входу УПЧ 16, выход которого через систему квантования сигнала 13.2 соединен с системой регистрации сигналов 7, к которой подключен синхронометр 8 для записи меток времени.

Корреляторы 9.1 и 9.2 идентичны и снабжены программным обеспечением для обработки монохроматических и шумовых сигналов.

Выход накопителя информации 10 подключен к передающему тракту, включающему систему формирования информативного сигнала 17 и передающую антенну 18, направленную на Землю, для передачи информации на частоте, отличающейся от частот приемных трактов, для обеспечения их одновременной работы.

Работа устройства производится следующим образом.

1. Режим излучения непрерывного узкополосного сигнала.

Используется для увеличения дальности обнаружения объекта за счет большей мощности излучения. В корреляторах 9.1 и 9.2 проводится автокорреляционная обработка поступающих сигналов определенной длительности, которая позволяет выделить прямой сигнал наземного локатора и рассеянный от объекта сигнал с доплеровским смещением по частоте. По величине и знаку частоты Доплера определяется скорость и направление движения объекта.

2. Режим излучения квазишумового сигнала.

Используется для точного определения изменения пространственной задержки двух принятых сигналов и частоты интерференции, по которым определяется траектория движения объекта.

Передающая наземная станция 1 излучает фазоманипулированный (квазишумовой) сигнал в направлении одного из КА 2, находящегося в дальнем космическом пространстве (при попадании его в диаграмму направленности (ДН) антенны). В приемную антенну 3 КА 2 поступают два сигнала: опорный от передающей наземной станции, например радиолокационной станции (РЛС) 1 и рассеянный от летящего небесного тела с задержкой, определяемой взаимным расположением объекта и приемной антенны 3. Общий сигнал поступает на вход приемного тракта 5 или 6. Два приемных тракта необходимо для работы в двух диапазонах частот (низкие и высокие частоты). Низкие частоты (4-30 МГц) нужны для обнаружения объектов больших размеров (больше 100 м), высокие (30 МГц и более) - для объектов меньших размеров.

Системы квантования обычно применяются для сигналов в видеополосе (0-30 МГц). Поэтому в тракте 5 надо только усилить сигнал с помощью усилителя МШУ 11.1, отфильтровать высокие частоты с помощью фильтра 12.1 и подать на квантование с помощью системы квантования сигнала 13.1. Для более высоких частот (30 МГц и более) надо преобразовать сигнал - перенести в видеополосу с помощью гетеродинирования, которое выполняется с помощью смесителя 14, гетеродина 15, фильтра 12.2, далее усиливается с помощью усилителя УПЧ 16 и преобразуется в цифровой вид (квантуется) с помощью систем квантования сигнала 13.2. Далее передается в систему регистрации сигналов 7. В системе регистрации сигналов 7 данные одного приемного тракта 5 или 6 записываются одновременно на два магнитных носителя для формирования двух потоков информации вместе с метками времени от синхронометра 8, для того чтобы в корреляторе 9.1 или 9.2 проводить перемножение этих потоков информации с требуемой (расчетной) временной задержкой, которая вводится в один из потоков информации.

Первичная обработка - получение отклика при корреляции двух потоков информации с введением переменной задержки (для компенсации разности хода принимаемых сигналов) производится непосредственно в процессе наблюдений в режиме квазиреального времени. Коррелятор 9.1 или 9.2 производит перемножение сигналов (программное) с введением переменной задержки в один из потоков информации. По максимуму кросс-корреляционного сигнала определяется точная задержка между сигналами, а по максимуму его спектра определяется частота интерференции, обусловленная движением источника относительно приемной антенны 3. В зависимости от взаимного расположения приемной антенны 3, РЛС и предполагаемого нахождения объекта рассчитывается диапазон изменения задержки и, соответственно, ускоряется процесс поиска отраженного сигнала. При превышении амплитуды результирующего сигнала определенного порогового уровня (предполагаемое обнаружение объекта), записанная в данный период информация из накопителя информации 10 поступает на формирователь информативного сигнала 17 и передается на Землю через передающую антенну 18.

При облучении объекта происходит рассеяние зондирующего сигнала практически во всех направлениях, но по линии облучения (вперед) рассеянный сигнал на порядки больше, чем при рассеянии назад и в стороны. ЭПР объекта σ в направлении «вперед» определяется по соотношению

,

где S - площадь апертуры объекта с линейным размером L, λ - длина волны. Угол рассеяния θ определяется как диаграмма направленности апертуры с линейными размерами L на данной длине волны (на уровне половинной мощности)

.

Т.е. зона просветного эффекта значительно расширяется для тел с размерами, сравнимыми с длиной волны, например при L~(0,5-2)λ угол рассеяния будет в пределах (120°…30°). Однако, при этом эффективная площадь рассеяния (ЭПР) существенно меньше, поскольку обратно пропорциональна квадрату длины волны (1). Поскольку размеры космических тел могут меняться в больших пределах (от единиц до сотен метров), то возникает вопрос оптимизации рабочей длины волны и расширения диапазона до нескольких длин волн.

В качестве примера существования и эффективности «просветного» эффекта можно представить некоторые результаты проводимых в НИРФИ ННГУ им. Н.И. Лобаческого экспериментов по исследованию вспышечного излучения Солнца на частоте 327 МГц на антеннах радиоастрономических обсерваторий НИРФИ ННГУ им. Н.И. Лобаческого «Зименки» и «Ст. Пустынь». Над районом расположения этих антенн проходит трасса полета гражданских самолетов. В течение длительного времени приемные антенны ведут непрерывное сопровождение источника излучения с записью сигнала на различные системы регистрации, в том числе на контрольные самописцы для визуального наблюдения наличия сигнала. Во время наблюдений неоднократно были зарегистрированы сигналы, похожие на запись диаграммы направленности антенны по излучению искусственных спутников Земли (ИСЗ). Однако, на орбитах вокруг Земли нет аппаратов, работающих в данном диапазоне частот. Анализ этих явлений показал, что наблюдается явление «просветного» эффекта, когда самолет пролетает в области вблизи Солнца в диаграмме направленности приемной антенны. На фиг. 4 показана запись сигнала от Солнца на ленте самописца в приемном пункте Зименки с прохождением объекта (самолета) через диаграмму направленности антенны в течение примерно двух минут. Видно, что амплитуда «просветного» сигнала составляет 25-30% от полного сигнала от Солнца, т.е. очень большую величину по радиоастрономическим меркам.

Исходя из того, что астероиды размером менее 50 м оптическими средствами обнаруживаются только на близких к Земле расстояниях, а существующие радиолокаторы могут их фиксировать, в основном, в пределах лунной орбиты при существенных затратах мощности, рассчитаны параметры предлагаемого радиолокационного комплекса.

Первую наибольшую рабочую длину волны желательно иметь в диапазоне 50 м (частота 6 МГц). Однако ионосфера постоянно прозрачна для длинных волн короче 15 м (частота >20 МГц). В диапазоне 4-20 МГц (низкочастотный тракт 4 фиг. 3а) возможна эпизодическая работа в ночное время.

Примерами передающих наземных станций могут служить МСТ-радары (рабочий диапазон 40-50 МГц, мощность до 1 МВт), радары некогеррентного рассеяния (150-1000 МГц, мощность до 3 МВт) и ионосферные нагревные стенды: СУРА (Россия, Нижегородская область), ХААРП (США, Аляска) и Тромсе (Норвегия), работающие преимущественно в диапазоне 5-10 Мгц. На критических для ионосферы частотах (1-20) МГц возможно эпизодическое (в зависимости от расположения приемных станций и прозрачности ионосферы) использование в предлагаемом комплексе передатчиков имеющихся ионосферных стендов СУРА, ХААРП и Тромсе без сооружения новых инструментов.

На стенде СУРА НИРФИ ННГУ им. Н.И. Лобаческого проводились эксперименты по локации Луны и короны Солнца на частотах 5-9-26 МГц как в моностатическом, так и в бистатическом режимах, в том числе с приемом сигнала на борту КА в дальнем космосе (А.Н. Караштин, Г.П. Комраков и др. ИзвВУЗов «Радиофизика», 1999, т. 42, №8, с. 765-779). Передающая станция на этих частотах имеет большие габариты (антенные поля в десятки и сотни метров). Мощность трех передатчиков по 250 КВт каждый при ширине ДН 20°.

При приеме на дипольную антенну КА необходимо использовать радиометры с предельно низкой шумовой температурой для неохлаждаемых МШУ, чтобы обеспечить максимально возможный обзор космического пространства для КА на далеких орбитах. Размер минимально обнаружимого объекта на низких частотах оценивается порядком 10 м, что определит следующую рабочую длину волны - 5-10 м (частота 30-60 МГц).

Передающая станция на диапазон 30-60 МГц и выше (высокочастотный тракт 5 фиг. 3б) может быть сделана на базе РЛС с размером апертуры 30-40 м, полуширина ДН (угол рассеяния) около 5-20°.

Необходимость применения следующего более высокого диапазона определится задачами комплекса: астероиды размерами менее 10 м не несут угрозы серьезных разрушений на Земле, на более высоких частотах возможен контроль состояния «космического мусора» в околоземном пространстве.

Расчет орбит, оптимального числа приемных КА и рабочих частот будет зависеть от требований к характеристикам и задачам комплекса.