Радиолокационные исследования ближнего космоса с Земли

А. Л. Зайцев
Институт радиотехники и электроники РАН

Аннотация
1. Объекты ближнего космоса
2. Успехи наземных радиолокационных исследований
3. Сравнительный анализ существующих систем наземных радиолокационных исследований космоса
4. Наиболее перспективные задачи будущих исследований
Литература

Аннотация

Радиолокация позволяет оперативно получать высокоточную измерительную информацию о множестве естественных и искусственных объектов ближнего космоса, всесторонне изучать их динамику, эволюцию и физико-минералогические свойства, способствуя тем самым комплексному решению проблемы защиты Земли от потенциально опасных астероидов, и космических аппаратов от космического мусора. Поэтому, учитывая сравнительно высокие затраты на подготовку и эксплуатацию мощных наземных радиолокационных систем и расходы на проведение измерений, наиболее рационально планировать также и комплексные исследования мира ближнего космоса "в целом". Здесь оптимальной по чувствительности, стоимости и срокам ввода в строй является российско-украинская разнесенная система Евпатория (70 м антенна и передатчик 6-см диапазона мощностью 150 кВт) – Медвежьи Озера и Калязин (две 64 м приемные антенны). Потенциальные возможности этой системы позволяют регулярно, 2-3 раза в год, проводить исследования очередных астероидов в периоды их сближения с Землей. Одновременно с этим можно было бы организовывать исследования миллиметрового (от 1,7 мм) космического мусора на низких орбитах и сантиметровых (от 1 см) фрагментов геостационарного кольца. Опыт российско-украинского взаимодействия в ходе подготовки и выполнения первых отечественных радиолокационных исследований астероидов 4179 Таутатис [1] и 6489 Голевка [2] свидетельствует о том, что при едином научном руководстве, наличии согласованной программы и адресном финансировании под конкретные эксперименты, организационные трудности не являются непреодолимыми.

1. Объекты ближнего космоса

Границы ближнего космоса довольно произвольны, за его начало обычно принимают низкие орбиты ИСЗ, а окончание – либо 100 расстояний до Луны, что составляет около 38 млн. км (или 0,256 АЕ), либо минимальное расстояние до Венеры, ближайшей к нам планеты (0,27 АЕ), либо, просто, величину, равную 0,3 АЕ. Синонимами термина "ближний космос" являются словосочетания "околоземное космическое пространство" и "околоземное пространство".

Относительно недавно стало ясно, что мир ближнего космоса довольно плотно населён, причем не только постоянными, но и периодически появляющимися объектами. К группе объектов, постоянно доступных для радиолокационных исследований, кроме Луны и множества искусственных спутников, относится также орбитальный космический мусор, группирующийся, в основном, на низких орбитах и в области геостационарного кольца. Вторую группу составляют так называемые околоземные объекты (ОЗО, Near-Earth Objects - NEO), под которыми понимают те астероиды и кометы, которые, имея сильно вытянутые орбиты, периодически сближаются с Землёй при своём движении вокруг Солнца. По состоянию на 15 сентября 1999 года открыто 834 ОЗО, из них 135 – с начала года, [6]. В эту же группу можно включить метеороиды и метеорные потоки, представляющие собой естественный космический мусор, связанный с теми или иными кометами и движущийся вдоль их орбит. Кроме короткопериодических, ближний космос эпизодически посещают также и долгопериодические кометы, последней из которых была комета Хиакутаке, минимальное расстояние до которой составило 0,1 АЕ, [9].

Высокая эффективность наземных радиолокационных исследований объектов ближнего космоса связана, прежде всего, со сравнительно небольшими, по космическим масштабам, расстояниями до них. При использовании для исследования этих объектов мощных планетных радиолокаторов отношение сигнал/шум принимаемых эхосигналов, убывающее, как известно, пропорционально четвёртой степени расстояния, в ряде случаев оказывается вполне достаточным для оперативного получения новой надежной и достоверной научной информации.

Ниже перечисляются наиболее значительные результаты, полученные с Земли с помощью радиолокации, анализируются возможности крупнейших радиолокаторов, предлагаются наиболее, с нашей точки зрения, рациональный вариант создания мощной радиолокационной системы и программа радиолокационных исследований ближнего космоса.

2. Успехи наземных радиолокационных исследований ближнего космоса

Использование американских планетных радиолокаторов для исследования космического мусора позволило измерить на низких орбитах ИСЗ концентрацию и распределение частиц с размерами от 2 мм, [3]. До этих исследований экспериментальные данные о миллиметровом космическом мусоре практически отсутствовали.

Радиолокационные исследования околоземных астероидов [4, 5] позволили резко увеличить надежность многолетних (на интервале до 700 лет) прогнозов их движения, что наиболее актуально для так называемых потенциально опасных астероидов [6], которых на 15 сентября 1999 года открыто 187 штук. Радиолокаторам удалось с Земли "разглядеть" астероиды, удаленные на миллионы километров, синтезировать их изображения и трехмерные модели с разрешением, позволяющим анализировать геологические особенности этих объектов. Так, при недавней радиолокации астероида 1999 JG было достигнуто рекордное разрешение, равное 7,5 метрам по поверхности [7], что при дальности до него более 8 млн. км эквивалентно угловому разрешению в 0,2 миллисекунды дуги (это примерно в 500 раз выше разрешения лучшего оптического телескопа).

С помощью радиолокации впервые экспериментально доказано (1980 год) наличие у кометы компактного ядра [8]. Естественный космический мусор, окружающий ядро кометы и представляющий собой рой сантиметровых частиц, также впервые был обнаружен и исследован с помощью радиолокации [9, 10]. Кроме того, именно радиолокация позволяет определить точную траекторию опасной кометы, поскольку, в отличие от оптики, здесь измеряются координаты центра масс ядра, а не фотоцентра комы.

3. Сравнительный анализ существующих систем наземных радиолокационных исследований космоса

Возможности той или иной радиолокационной системы определяются в первую очередь ее энергетическим потенциалом SF. Кроме того, немаловажны также местоположение (широта) РЛС и углы обзора передающей и приемной антенн. Если широты высокие, то ряд объектов оказывается недоступен. Например, в сентябре 2004 года астероид 4179 Таутатис пройдет от Земли на расстоянии всего 0,0104 АЕ, однако из-за большого отрицательного склонения в период максимального сближения (-60°), он не будет виден из Евпатории (широта + 45°), а тем более из Калязина и Медвежьих Озер (широта + 54°). Аналогично и для углов обзора – неподвижная антенна в Аресибо может сопровождать цель в пределах ± 20 градусов относительно зенита, что соответствует ежедневной продолжительности радиолокации определенного объекта менее 2,4 часа.

Опуская промежуточные выкладки, которые можно найти в [5], приведем выражение для оценки отношения мощностей сигнала и флуктуации шума для случая, когда размеры цели много больше длины волны, что имеет место при радиолокации астероидов и комет:

.

Здесь – радиолокационный потенциал, – параметры цели, при этом расстояние R здесь выражено в астрономических единицах. Соответственно, Pt – средняя излучаемая мощность, St и Sr – эффективные площади передающей и приемной антенн, Ts – суммарная шумовая температура приемной системы, – длина волны, Ti – время некогерентного накопления после согласованной фильтрации в полосе, равной ширине спектра эхосигнала, – радиолокационное альбедо, D – диаметр астероида или ядра кометы, P – период его вращения.

В Таблице приведены параметры трех самых крупных американских радиолокаторов в Аресибо (Пуэрто Рико), Голдстоуне (Калифорния) и Хайстеке (Массачусетс), единственного вне США планетного радиолокатора в Евпатории (Крым), а также предлагаемого ОКБ МЭИ радиолокатора для мониторинга космического мусора [11], передатчик которого предполагается установить в Медвежьих Озерах (Московская область), а приемник находится в Калязине (Тверская область). Американские антенны и передатчики оборудованы быстродействующими переключателями из режима "Излучение" в режим "Прием", поэтому при радиолокации ОЗО там используется одна антенна, а в Евпатории и Медвежьих Озерах (МеО) для этого необходимо создать разнесенную систему. При радиолокации космического мусора (средняя и нижняя половины Таблицы) на всех радиолокаторах, кроме Хайстека, используется отдельная приемная антенна, поскольку быстродействие упомянутого выше переключателя составляет 1 с, что много больше запаздывания эхосигналов от космического мусора.

В строке "N" показано примерное количество околоземных астероидов, досягаемое для исследований данными радиолокаторами за год. Прочерк в двух правых колонках обозначает, что для этих локаторов околоземные астероиды недосягаемы.

Таблица.

Система

Аресибо

Голдстоун

Евпатория

Хайстек

ОКБ МЭИ

, см

12.6

3.5

6

3

6

Pt, кВт

1000

480

150

16

5

St, м2

30360

2560

2600

~ 700

2000

Sr, м2

30360

2560

*)

~ 700

2000

Ts, К

30

20

50

25

50

SFNEO, дБ

148.4

133.8

123.3

107.8

104.3

N, 1/год

45 - 60

15 - 20

2 – 3

¾

¾

           

Sr, м2

490

580

400

~ 700

350

Ts, К

25

25

30

25

50

SFDBP

218

469

225

280

112

dLEO, мм

1.8

0.8

1.7

1.4

5**)

           

Sr, м2

490

660

*)

~ 700

2000

Ts, К

25

14.4

50

25

50

SFDBP

218

528

446

280

150

dGEO, см

2

0.8

1

1.6

3

Примечания:

*) – две 64 м антенны ОКБ МЭИ,
**)
– оценка взята из материалов ОКБ МЭИ, [11].

В средней и нижней частях таблицы приводятся аналогичные сведения для космического мусора на низкой (LEO) и геостационарной орбитах (GEO). При сопоставлении различных РЛС в случае, когда размеры цели много меньше длины волны, а работа ведется в режиме "beam-park", при котором передающая и приемная антенны неподвижны и направлены в исследуемую область, длительность когерентного интервала [12] зависит от ширины диаграммы направленности большей из антенн, а минимальные размеры обнаруживаемых частиц пропорциональны , где SL и SS – эффективные апертуры большей (Larger) и меньшей (Smaller) из антенн, соответственно. Аналогично, энергетический потенциал, обозначенный как SFDBP, где нижний индекс является аббревиатурой "Debris Beam Park", в этом случае имеет вид:

 .

Наибольшими возможностями здесь обладает радар в Голдстоуне, который из-за более короткой, чем у локаторов в Аресибо и Евпатории, длины волны, обеспечивает обнаружение более мелких частиц. Для локатора ОКБ МЭИ при расчетах использована приемная антенна диаметром порядка 25 м, которая должна находится недалеко от передающей, поскольку при большом разнесении (база МеО – Калязин равна 150 км) засвечиваемый объем, а следовательно и частота регистрации частиц, слишком малы.

 4. Наиболее перспективные задачи будущих исследований 

Предлагаемый здесь комплексный подход к исследованиям мира ближнего космоса "в целом", который радиолокационные методы позволяют реализовать с помощью мощных наземных систем, оправдан и в методическом, и в экономическом аспектах. Подготовка и проведение радиолокационных экспериментов требуют довольно значительных времени и средств. В то же время, круг отечественных ученых и специалистов, привлекаемых для радиолокации околоземных астероидов, практически мало отличается от того коллектива, который мог бы потребоваться для организации аналогичных экспериментов по радиолокации космического мусора. Поэтому рационально в будущем планировать комплексные радиолокационные исследования ближнего космоса, ориентируясь при этом на создание наиболее чувствительной, российско-украинской системы, состоящей из 70 м антенны и передатчика 6-см диапазона со средней мощностью 150 кВт в Евпатории и двух 64 м антенн ОКБ МЭИ, которые потребуется дооснастить двухканальными малошумящими приемными системами, что необходимо для радиолокационной поляриметрии [5]. Конструкция Евпаторийской антенны позволяет устанавливать на ней мощные передатчики с водяным охлаждением, поэтому со временем возможна модернизация с целью значительного увеличения радиолокационного потенциала за счет перехода на волну 3,5 см (или 4,2 см) и установки в Евпатории передатчика мощностью до 0,5 мегаватт.

В 1995 году под единым научным и организационным руководством был успешно выполнен первый международный эксперимент по межконтинентальной радиолокации небесного тела – околоземного астероида 6489 Голевка [1]. В эксперименте участвовали ученые и специалисты пяти стран трех континентов – США, России, Украины, Японии и Германии, и были задействованы шесть наиболее крупных параболических антенн. Поэтому, по нашему мнению, опирающемуся на приобретенный опыт, трудности российско-украинского взаимодействия при радиолокационных исследованиях космоса носят зачастую надуманный узковедомственный характер и могут быть преодолены при наличии согласованной программы исследований и целевого адресного финансирования.

В качестве наиболее эффективных можно было бы привести следующие направления радиолокационных исследований ближнего космоса [13]: 

1) Космический мусор. Как уже было сказано выше, различают две основные области повышенной концентрации космического мусора (КС) – низкие, с высотой до 1000 км, орбиты и геостационарное кольцо. Целесообразность повторения "beam-park" экспериментов, предложенных и впервые осуществлённых Р. Голдстейном в США [3], заключается в том, что все предыдущие измерения потока, распределения и эволюции низкоорбитального КС выполнены только в западном полушарии и крайне важно понять, насколько обоснованны предположения о его пространственной однородности.

Измерения в области геостационарного кольца практически отсутствуют, поэтому здесь необходимы планомерные исследования. Мы могли бы занять в этом направлении лидирующее положение, поскольку на американских локаторах такие исследования пока не планируются из-за их очень плотной загрузки другими космическими и радиоастрономическими исследованиями, а в других странах такие мощные инструменты, как Евпаторийский локатор, отсутствуют.

2) Околоземные астероиды и кометы. Первые радиолокационные исследования ОЗО были начаты в США в 1968 году и к настоящему времени (середина 1999 года) всего исследовано 56 околоземных астероидов и 6 комет [4]. В числе этих исследований и проведенные нами в 1992 году первая вне США радиолокация околоземного астероида 4179 Таутатис [1] и в 1995 году первая межконтинентальная радиолокация околоземного астероида 6489 Голевка, [2]. Кроме США и России пока нет стран, способных осуществлять самостоятельные радиолокационные исследования околоземных астероидов и комет.

В случае ОЗО наибольшую ценность могли бы представлять измерения доплеровского смещения и запаздывания эхосигналов, что позволяет радикально уточнить орбиты этих объектов и оперативно оценить степень астероидной опасности. Как уже отмечалось, на основе Евпаторийской антенны диаметром 70 м и установленного там мощного передатчика 6-см диапазона и с привлечением других крупнейших параболических антенн Европы и Азии (в первую очередь это две 64 м антенны ОКБ МЭИ, 70 м антенна и передатчик в Уссурийске, 32 м антенна ИПА РАН) можно было бы регулярно, с частотой 2–3 новых околоземных объектов в год, проводить радиолокационные исследования их динамики, физических и геолого-минералогических свойств.

Литература

  1. Зайцев А. Л., А. Г. Сокольский, О. Н. Ржига, А. С. Вышлов, А. П. Кривцов. Радиолокационные исследования астероида 4179 Таутатис на волне 6 см. Радиотехника и электроника, 38, № 10, 1842-1850, 1993. (Английский перевод в Journal of Communications Technology & Electronics, 38 (16), 1993, 135-143).
  2. Zaitsev A. L., S. J. Ostro, S. P. Ignatov, D. K. Yeomans, A. G. Petrenko, D. Choate, O. K. Margorin, R. A. Cormier, V. V. Mardyshkin, R. Winkler, O. N. Rghiga, R. F. Jurgens, V. A. Shubin, J. D. Giorgini, A. P. Krivtsov, K. D. Rosema, Y. F. Koluka, M. A. Slade, A. L. Gavrik, V. B. Andreev, D. V. Ivanov, P. S. Peshin, Y. Koyama, M. Yoshikava, A. Nakamura. Intercontinental bistatic radar observations of 6489 Golevka (1991 JX). Planetary and Space Science, 45, 771-778, 1997.
  3. Goldstein R. M. and S. J. Goldstein. Flux of millimetric space debris. The Astronomical Journal, 110, 1392-1396, 1995.
  4. Ostro S. J. Asteroid Radar Research. Web site at: http://echo.jpl.nasa.gov.
  5. Зайцев А. Л. Радиолокационные исследования астероидов, сближающихся с Землей. Докторская диссертация. ИРЭ РАН, Фрязино, 1997.
  6. "Near-Earth Object Program". Web Site at: http://neo.jpl.nasa.gov.
  7. Margot, J. L. Radar imaging of asteroid 1999 JM8. Web site at: http://www.naic.edu/~margot/NEAS/1999JM8/.
  8. Kamoun P. G., Campbell D. B., Ostro S. J., Pettengill G. H., and Shapiro I. I. Comet Encke: radar detection of nucleus. Science, 216, 293, 1982.
  9. Harmon J. K., Ostro S. J., Bender L. A. M., Rosema K. D., Jurgens R. F., Winkler R., Yeomans D. K., Choate D., Cormier R., Giorgini J. D., Mitchell D. L., Chodas P. W., Rose R., Kelley D., Slade M. A., Thomas M. L. "Radar Detection of the Nucleus and Coma of Comet Hyakutake (C/1996 B2)", Science, 278, 1921-1924, 1997.
  10. Зайцев А. Л. Радиолокационные исследования комет. Радиотехника и электроника, 43, № 9, 1076-1080, 1998.
  11. Победоносцев К. А. Предложения ОКБ МЭИ по созданию радиолокатора для мониторинга околоземного космического мусора. Факс из ОКБ МЭИ, полученный в ИРЭ РАН 22.09.1999.
  12. Ржига О. Н. и Зайцев А. Л. Возможности радиолокационного комплекса Центра дальней космической связи под Евпаторией по исследованию загрязнения околоземного пространства. В сб. "Околоземная астрономия", ИНАСАН, Москва, 116-127, 1998.
  13. Зайцев А. Л. Программа радиолокационных исследований околоземного космического пространства. В сб. "Проблемы современной радиоастрономии", Санкт-Петербург, ИПА РАН, том 2, стр. 184-185, 1997.

ИРЭ РАН

Научные направления

Планетная радиолокация