Квазар-КВО

В 1970-х гг. была предложена и экспериментально апробирована новаторская идея, позволяющая создавать радиотелескопы, эффективный размер которых ограничивается только размерами земного шара и ближайшего космоса. Допустим, два радиотелескопа, находящихся в тысячах километрах друг от друга, синхронно наблюдают один и тот же космический радиоисточник. Исходящие от него сигналы независимо друг от друга принимают радиометры этих радиотелескопов. Далее сигналы преобразуют в цифровую форму и передают в Центр корреляционной обработки (ЦКО). С помощью специализированной ЭВМ (коррелятора) их обрабатывают, в результате чего получают радиоизображение исследуемого космического источника.

Угловое разрешение такого радиоинтерферометра определяется не диаметром отдельной антенны, а расстоянием между радиотелескопами, а чувствительность — суммарной принимающей площадью антенн радиотелескопа. Чем больше антенн входит в состав радиоинтерферометрической сети, тем более качественное изображение космического объекта можно получить. Такой глобальный радиотелескоп имеет угловое разрешение, в 10 000 раз превышающее разрешение одиночного радиотелескопа. Описанный инструмент получил название радиоинтерферометра со сверхдлинной базой (РСДБ). С его помощью можно определять положение космических объектов на небесной сфере с точностью, в 1000 раз превышающей точность технических средств, прежде используемых в наблюдательной астрономии.

Первоначально радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой развивалась на основе широкой международной кооперации. Однако технология оказалась настолько эффективной, что наиболее развитые страны начали создавать национальные сети РСДБ, в том числе с целью обеспечения своего технологического суверенитета. В СССР также начались работы по созданию собственной сети РСДБ, тем более что сама геометрия нашей страны, имеющая сверхбольшую долготную протяжённость, как бы специально приспособлена для создания и эксплуатации такого грандиозного инструмента. В 1976 г. руководство АН СССР приняло решение о разработке технических предложений по созданию глобального радиотелескопа. Под руководством Юрия Николаевича Парийского (1932–2021) был разработан аванпроект радиотелескопа «Полигам», который содержал общую концепцию построения РСДБ сети, а также основополагающие научные и инженерно-технические решения. Автором итогового текста данного проекта стал видный специалист в области астрометрии, геодинамики, релятивистской небесной механики и фундаментального КВО Андрей Михайлович Финкельштейн (1942–2011).

Проект «Полигам» широко обсуждался во многих заинтересованных ведомствах СССР и за рубежом. С этого момента небольшая группа учёных-энтузиастов, сотрудники Специальной астрофизической обсерватории (САО) АН СССР А. М. Финкельштейн и Пётр Александрович Фридман, а также сотрудник Главной (Пулковской) астрономической обсерватории (ГАО) АН СССР Вадим Сергеевич Губанов (1938–2021) начали детальную разработку проекта новой сети РСДБ. В результате их деятельности было решено создать многоцелевой инструмент, имеющий общегосударственный статус и предназначенный для решения как фундаментальных, так и прикладных задач. Как следствие, новым проектом, получившим название «Квазар-КВО», удалось заинтересовать ряд министерств и ведомств СССР. Губанов и Финкельштейн оптимизировали геометрию, характеристики радиотелескопов и другие параметры сети РСДБ «Квазар-КВО», разработали методы наблюдений и обработки результатов. П. А. Фридман, Александр Фёдорович Дравских и Сергей Георгиевич Смоленцев стали авторами технической концепции будущего инструмента, Александр Александрович Стоцкий (1932–2004) исследовал влияние тропосферы на РСДБ наблюдения. Результаты этих исследований вошли в содержание монографии «Введение в радиоастрометрию», опубликованной в 1983 г.

Проект РСДБ «Квазар-КВО» в своём первоначальном варианте включал в себя 6 обсерваторий, оснащённых радиотелескопами с антеннами диаметром 32 м на территории СССР, ещё 3 обсерватории, расположенных в Китае, Индии и Болгарии, а также Центр управления, сбора и обработки данных в Ленинграде (Санкт-Петербурге). На протяжении всей работы над РСДБ «Квазар-КВО» Финкельштейн с коллегами старались заинтересовать этим проектом различные ведомства, научные и научно-технические организации. Однако государство в то время испытывало серьёзные экономические трудности, не позволявшие финансировать столь сложный проект в должном объёме. В 1983 г. президент США Р. Рейган выдвинул долгосрочную стратегическую оборонную инициативу (СОИ), известную как «Звёздные войны». Основная цель СОИ заключалась в создании научно-технической базы для разработки широкомасштабной системы ПРО с элементами космического базирования, исключающей или ограничивающей возможное поражение наземных и морских целей из космоса. Научную часть советской программы «анти-СОИ» возглавил вице-президент АН СССР Евгений Павлович Велихов (1935–2024). Он понимал, что без решения проблем КВО на современном уровне, невозможно реализовать никакие системы высокоточного оружия. Велихов знал о проекте «Квазар-КВО» и предложил Финкельштейну включиться в работу по подготовке Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР по «анти-СОИ» (в части КВО).

Для подготовки этого Постановления и разработки технических предложений проекта «Квазар-КВО», Финкельштейн начал активно привлекать сотрудников САО АН СССР, которые ранее приобрели ценный опыт по созданию радиотелескопа РАТАН-600. Тем самым, удалось сохранить коллектив учёных и конструкторов ГАО и САО АН СССР, и направить его на реализацию широкомасштабной научно-технической задачи. К концу 1985 г. проект «Квазар-КВО» был детально разработан, его содержание было изложено в 20-ти томах технических предложений. В январе 1986 г. вышло Постановление Правительства СССР о финансировании и строительстве сети РСДБ «Квазар-КВО» и создании нового академического института в Ленинграде — ИПА АН СССР. Оперативно была создана аппаратура для обследования помеховой обстановки, выбраны локации для размещения будущих обсерваторий. Проекты всех обсерваторий имели одинаковый состав аппаратных средств и похожие здания. Главные конструкторы систем сети РСДБ «Квазар-КВО» разработали соответствующие технические задания, организовали кооперацию разработчиков и производителей. Разработкой антенной системы руководил А. А. Стоцкий, приёмного комплекса — Александр Васильевич Ипатов (р. 1945), системы времени и частоты — С. Г. Смоленцев, системы регистрации и корреляционной обработки — В. Г. Грачёв, системы передачи данных — Михаил Наумович Кайдановский (сын Н. Л. Кайдановского), системы измерения электрической длины тропосферы — М. Н. Кайдановский, системы вторичной обработки — В. С. Губанов.

В связи с экономическим кризисом 1989–1991 гг. работы над проектом «Квазар-КВО» затормозились. От разработки части систем пришлось временно отказаться, сосредоточив финансовые средства на реализацию самых важных узлов сети РСДБ «Квазар-КВО». В 1998 г. была принята в эксплуатацию радиоастрономическая обсерватория «Светлое». С этого момента первая обсерватория проекта «Квазар-КВО» начала работать в рамках международного сотрудничества с NASA и IVS (The International VLBI Service for Geodesy and Astrometry — «Международная РСДБ-служба для геодезии и астрометрии»).

В 1999 г. за создание радиоастрономической обсерватории «Светлое» группа сотрудников ИПА РАН была награждена орденами и медалями РФ. В 2001 и в 2005 гг. были сданы в эксплуатацию радиоастрономические обсерватории «Зеленчукская» и «Бадары». В 2005 г. был завершён и начал работать ЦКО, также спроектированный и построенный сотрудниками ИПА РАН. В 2008 г. указанные радиоастрономические обсерватории и ЦКО были объединены с помощью высокоскоростных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). С этого момента комплекс РСДБ «Квазар-КВО» начал работать в режиме е-РСДБ (сокращение от «electronic VLBI») с получением результата в режиме квазиреального времени. В дальнейшем проект «Квазар-КВО» постоянно развивался и модернизировался.

В 2005 г. сотрудники ИПА РАН, специалисты ряда предприятий и учреждений были удостоены премии Правительства РФ 2004 г. в области науки и техники за работу «Создание многоволнового радиотелескопа нового поколения для космических исследований».

В комплекс «Квазар-КВО» входят три обсерватории, находящиеся примерно в 4000 км друг от друга и соединённые с Центром управления, сбора и обработки данных в Санкт-Петербурге высокоскоростными ВОЛС.

Каждая обсерватория комплекса «Квазар-КВО» оснащена двумя радиотелескопами РТ-32 и РТ-13 с антеннами диаметром 32 и 13,2 м соответственно. Автором конструкции полноповоротной двухзеркальной антенны диаметром 32 м является В. С. Поляк. Она построена по системе Кассегрена. Первичное зеркало антенны диаметром 32 м представляет собой квазипараболу с фокусным расстоянием 11,4 м, вторичное зеркало — модифицированный гиперболоид диаметром 4 м. Конструкция главного зеркала антенны радиотелескопа РТ-32 является гомологической, благодаря чему гравитационные деформации зеркала искажают его поверхность таким образом, что при всех положениях, рефлектор всегда остается параболоидом. При этом изменяются только его параметры, что корректируется изменением положения фокуса. Впервые в отечественной практике для обеспечения быстрой смены рабочих диапазонов длин волн была применена схема с несимметричным вторичным зеркалом. При вращении такого зеркала фокус описывает окружность, на которой расположены приёмные рупоры антенны. Для точной фокусировки подвеска вторичного зеркала снабжена электромеханическими приводами, обеспечивающими вращение и перемещение зеркала по трём координатам.

Отражающая поверхность рефлектора РТ-32 площадью 883 м² разделена на 360 отражающих щитов (элементов). Среднеквадратическое отклонение поверхности щитов от теоретической поверхности находится в диапазоне 0,2–0,3 мм. Щиты крепятся на формообразующий каркас с помощью четырёх регулировочных винтов, позволяющих юстировать отражающую поверхность антенны. В центре рефлектора установлена аппаратная кабина диаметром 5 м, в которой расположены приёмные рупоры и радиометры. Опорно-поворотное устройство обеспечивает вращение антенны по азимуту и углу места с помощью электромеханических приводов. Антенные системы были смонтированы сотрудниками ИПА РАН под руководством В. Г. Олифирова. Система автоматического контроля и управления антенной (М. Н. Кайдановский, В. Г. Стэмпковский) обеспечивает движение антенной системы и вторичного зеркала во всех режимах наблюдений.

Радиотелескоп РТ-32 участвует в регулярных РСДБ наблюдениях, проводимых в рамках международных и национальных программ, а также в астрофизических исследованиях в режиме одиночного телескопа. Наиболее сложные требования к системе управления предъявляются при работе в составе международных сетей РСДБ. В этом случае наблюдения ведутся в течение нескольких суток и состоят из непрерывных, повторяющихся циклов длительностью порядка 100 с: «выход на источник», «сопровождение», «выход на следующий» и т. д. Одновременно в международной сети РСДБ может работать до 20 радиотелескопов, расположенных на различных континентах. Для корректной работы необходимо соблюдать чёткую синхронизацию антенн и осуществлять их управление в полностью автоматическом режиме. Система автоматического управления антенной реализует два режима «Переброс» и «Сопровождение». В режиме «Переброс» осуществляется плавный, но быстрый разгон антенны, её движение на максимальной скорости, быстрое торможение в заданной области углов, обеспечивающее втягивание в режим «Сопровождение». Этот режим происходит без рывков и колебаний конструкции (её масса достигает почти 1000 т).

Требование высокой точности наведения антенны РТ-32 и её сопровождения определяется диаметром её зеркала и рабочей длиной волны. Для самой короткой длины волны (λ = 1,35 см) необходимая точность сопровождения составляет 4″ дуги. В действительности, радиотелескоп РТ-32 имеет столь высокие механические характеристики точности антенной системы, что может эффективно работать на длине волны 7 мм. При этом требования к точности сопровождения возрастают до 2″ дуги.

Разработанный в ИПА РАН приёмный СВЧ комплекс (А. В. Ипатов, В. В. Мардышкин) оснащён высокочувствительными приёмными устройствами, рассчитанными на длины волн 1,35, 3,5, 6,2, 13 и 18–21 см. Все приёмники являются двухканальными, принимают левую и правую поляризации космического радиоизлучения. Входные устройства приёмников построены на транзисторах типа HEMT, охлаждаемых парами гелия. Для высокоточных позиционных РСДБ наблюдений на длинах волн 3,5 и 13 см используется совмещённый, биконический приёмный рупор. Высокая чувствительность радиотелескопа РТ-32 обусловлена низкой температурой шума (от 8 до 20 К) приёмных устройств на разных длинах волн.

Цифровая система преобразования сигналов Р1002М (Н. Е. Кольцов, Л. В. Федотов) предназначена для первичной обработки широкополосных шумовых радиосигналов на радиотелескопе РТ-32^[3]. Она подключается к выходу приёмного СВЧ комплекса и работает в диапазоне частот 100–1000 МГц. С помощью перестраиваемых в этой полосе цифровых видеоконверторов на заданных частотах выделяются сигналы в более узких частотных полосах пропускания и подвергаются цифровой обработке на видеочастотах. Выделенные шумовые сигналы преобразуются в 2-битовые цифровые последовательности, предназначенные для записи на магнитные носители или передачи по высокоскоростным каналам связи. Кроме того, ЦСПС позволяет осуществлять передачу данных в ЦКО в реальном времени.

При наблюдениях космических радиоисточников с помощью РСДБ «Квазар-КВО» необходимо обеспечить когерентность частот, фазовую стабильность приёма и регистрации сигналов, синхронность во времени всех процессов наблюдения и регистрацию результатов на всех обсерваториях. Эти задачи решаются с помощью СЧВС (С. Г. Смоленцев, Д. В. Иванов). Данная система построена на основе квантовых водородных стандартов частоты. В каждой обсерватории комплекса «Квазар-КВО» установлено два таких стандарта. Все частотные преобразования приёмного тракта на радиотелескопах привязываются к опорному водородному стандарту частоты (нестабильность частоты не хуже 10^–15). В состав СЧВС входят: формирователь шкал, распределитель сигналов, устройство контроля фазовой стабильности и средства временной привязки.

Для проведения прикладных работ в режиме ежедневной службы в каждой обсерватории комплекса «Квазар-КВО» установлены радиотелескопы с антенной диаметром 13,2 м, разработанные и поставленные немецкой компанией Vertex. Точность поверхности главного зеркала радиотелескопа РТ-13 лучше 0,06 мм. Благодаря системе облучения со смещённым центром, достигается высокая величина коэффициента использования поверхности этого рефлектора. При такой системе облучения в качестве вторичного зеркала используется часть эллипсоида вращения, благодаря чему реализуется кольцевое облучение главного зеркала и интенсивное облучение края зеркала с резким спаданием на границе зеркала.

Высокая эффективность наблюдений обеспечивается высокой скоростью наведения антенны РТ-13: 12^° в секунду по азимуту и 6^° в секунду по углу места. РТ-13 оборудован комплектом высокочувствительной приёмной аппаратуры с приёмными рупорами, охлаждаемыми парами гелия. Сигналы внегалактических источников (квазаров) регистрируются с широкой полосой пропускания частотных каналов (до 512 МГц), суммарный поток регистрируемых данных достигает 16 Гбит/с.

Финкельштейном и Губановым была разработана научная концепция совместной работы различных средств измерения на обсерваториях РСДБ с целью повышения точности фундаментального КВО. В рамках реализации этой концепции в 2011 г. на всех обсерваториях комплекса «Квазар-КВО» были установлены КОС для проведения лазерной локации геодезических и навигационных спутников. Современный комплекс КОС «Сажень-ТМ» позволяет производить локацию спутников на высотах от 400 до 23 000 км^[4].

Переменная часть задержки сигнала, проходящего через тропосферу, определяется количеством водяного пара на луче зрения, и непосредственно влияет на точность РСДБ измерений. Интегральное водосодержание на луче зрения вычисляется по измерениям собственного радиоизлучения тропосферы на двух длинах волн 1,45 и 0,95 см. Для измерения влагосодержания тропосферы разработан РВП (М. Н. Кайдановский, Г. Н. Ильин). РВП работает круглосуточно и выдаёт данные о параметрах тропосферы с задержкой не более 5 мин и разрешением до 10 с. РВП входят в состав всех обсерваторий комплекса «Квазар-КВО».

Разработанная и реализованная СБПД (М. Н. Кайдановский, А. И. Сальников) позволила соединить обсерватории комплекса «Квазар-КВО» с ЦКО на скоростях до 10 Гбит/с и превратить данный РСДБ комплекс в инструмент реального времени. Основным элементом СБПД являются ВОЛС. Их эффективное построение стало возможным только в 2005 г. благодаря стремительному развитию магистральных ВОЛС в РФ. Разработчикам необходимо было решить задачу по проектированию и строительству только «последней мили» ВОЛС: от ближайшего магистрального узла до обсерватории. В результате были построены ВОЛС длиной 40 км в Ленинградской области, длиной 12 км в Карачаево-Черкесии и длиной 19 км в Бурятии. В 2008 г. начались первые эксперименты по работе в реальном времени, вскоре этот режим был внедрён в повседневную практику наблюдений, проводимых с помощью РСДБ «Квазар-КВО».

Сигналы от обсерваторий РСДБ сети «Квазар-КВО» поступают на вход коррелятора. В результате корреляционной обработки получают следующие данные о сигнале: амплитуда и фаза корреляционного отклика, геометрическая групповая задержка и скорость изменения групповой задержки. Из них при вторичной обработке синтезируется изображение источника космического радиоизлучения, рассчитываются его координаты, определяются длины баз РСДБ и параметры синхронизации. На основе этих данных строятся высокоточные системы земных и небесных координат.

Для одновременной обработки данных были разработаны шестистанционный коррелятор АРК^[5] и программный коррелятор RASFX^[6] (И. Ф. Суркис). Коррелятор АРК одновременно обрабатывает сигналы от шести радиотелескопов (15 баз в 240 частотных каналах). Суммарный поток данных на входе этого коррелятора составляет 6 Гбит/с. Коррелятор RASFX предназначен для обработки сигналов, поступающих на приёмники радиотелескопов РТ-13. На РТ-13 используется система регистрации сигналов с широкой полосой частотных каналов (до 512 МГц), при этом скорость потока регистрируемых  данных достигает 16 Гбит/с. Коррелятор RASFX в режиме квазиреального времени способен обрабатывать данные от шести радиотелескопов с максимальным потоком данных 96 Гбит/с.

РСДБ комплекс «Квазар-КВО» является инструментом коллективного пользования. Его использование определяется Программным комитетом Центра коллективного пользования научного оборудования и уникальных научных установок. Наблюдения с помощью комплекса «Квазар-КВО» ведутся как в режиме РСДБ, так и в режиме независимых радиотелескопов. В режиме РСДБ проводятся астрометрические и астрофизические исследования. Астрометрические исследования осуществляются по национальным и международным программам с 2003 г. По суточным сеансам наблюдений определяют все параметры вращения Земли (ПВЗ)^[7], координаты полюсов, прецессии и нутации, координаты обсерваторий, длины баз и тропосферные параметры. Точность определения ПВЗ лучше 1 мс дуги для координат полюса, 0,3 мс для Всемирного времени и 0,3 мс дуги для небесного полюса. На основе этих наблюдений ведётся уточнение наземной и небесной систем координат, координат радиоисточников, проводятся исследования динамики земного ядра, движения обсерваторий. Для решения прикладных задач достигнута оперативность получения ПВЗ лучше 6 ч, благодаря использованию режима е-РСДБ.

Астрофизические исследования с помощью сети РСДБ «Квазар-КВО» ведутся совместно с ГАО РАН, САО РАН, ИКИ РАН и ГАИШ МГУ по следующим направлениям:

• многочастотный мониторинг тесных двойных систем;
• исследования квазаров, ядер галактик, микроквазаров и переменных внегалактических источников;
• исследования изменений потоков геодезических радиоисточников;
• исследования релятивистских радиоисточников;
• эталонирование спектров радиоисточников.