Кафедра космічної радіофізики
Національне надбання

Національне надбання

Документація кафедри

Посилання:
Сторінка посилань на дослідження навколоземного простору

Сторінка посилань на астрономічні дослідження

Факультет радіофізики, біомедичної електроніки та комп'ютерних систем

Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

1. Комплекс для дистанційного зондування навколоземного космічного простору Радіофізичної обсерваторії Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України (далі “Комплекс…”) постановою Кабінету Міністрів України №1709 від 19 грудня 2001 р. внесено до реєстру наукових об'єктів, що становлять національне надбання України.

2. “Комплекс…” створено у 1980 році як науково-технічну базу для комплексних досліджень навколоземного космічного простору в iнтервалi висот 40 – 1000 км та розповсюдження радіохвиль у широкому дiапазонi частот (1 кГц – 4 ГГц). За можливостями для проведення наземних досліджень у колишньому СРСР він не має аналогів.

Радiофiзична обсерваторія розташована бiля сел. Гайдари Змiївського району Харківської області на території 22 га. Загальна площа приміщень обсерваторії складає понад 2000 кв.м, площа приміщень, відведених під "Комплекс...", складає 395 кв.м.

“Комплекс…” створювався на базі спеціальних радіотехнічних систем, адаптованих під задачі дистанційного радіозондування.

Основним науковим напрямком, в якому він використовується, є фундаментальні дослідження фізичних процесів у навколоземному просторі методами наземного радіозондування.

Ці дослідження включають такі питання:

Магнітосферні та іоносферні бурі та суббурі.
Магнітосферно–іоносферно–атмосферна взаємодія.
Електричні поля та їх роль в передачі великомасштабних збурень в області від літосфери до магнітосфери.
Великомасштабні збурення в навколоземному довкіллі від локалізованих джерел енергії (потужне радіовипромінювання, старти ракет, землетруси тощо).
Сигнали — передвісники землетрусів та поліпшення надійності прогнозів землетрусів.
Коригування глобальних моделей електронної концентрації з використанням двохчастотних радіомаяків на штучних супутниках Землі.
Електродинаміка мезосфери.
Методи вимірювання потужних мезосферних електричних полів.
Потужні радіохвилі в іоносфері.
Діагностика неоднорідностей електронної концентрації іоносфери (в тому числі штучно створених).
Сонячна і геомагнітна активність та здоров'я людини.
Поширення надширокосмугових сигналів в навколоземному космічному просторі та їх використання для задач радіозондування.

“Комплекс…” включає до свого складу такі радіотехнічні системи:

— систему дистанційного ВЧ зондування іоносфери;

— систему часткових відбиттів;

— систему супутникового радіозондування;

Генеральний план Радіофізичної обсерваторії з розташованими будівлями, радіотехнічними системами та антенними полями та розміщення "Комплексу..." приведено на Рис. 1, де Б1 та А1 — розташування обладнання і антен системи супутникового радіозондування; Б1 та А7 — розташування обладнання і антен систем зв'язку та Internet; Б2 та А2 — розташування обладнання і антен системи для дистанційного ВЧ зондування іоносфери; Б2 та М — розташування обладнання та датчиків трьохкомпонентного магнітометру; Б3 та А3 — розташування обладнання і антен системи часткових відбиттів для дослідження нижньої іоносфери (А3-1 антена 300 х300 м² для діапазону частот f = 1,5 – 4,5 МГц, А3-2 антена 60х60 м²для f = 4,5 – 15 МГц); Б3 тa A4 — іонозонд; Б3 та A5 — передаюча та приймальна антени 15 × 30 м² бістатичного ВЧ радару для діагностики неоднорідностей, що виникають при нагріві іоносфери на значних віддаленнях (наприклад, над Нижнім Новгородом, Росія); Б4 та A6 — система НВЧ зондування; Б5 — гуртожиток; ВБ — водонапірна башта; C — їдальня; Г — гараж; К — котельна; СК — склад.

Рис. 1. Генеральний план Радіофізичної обсерваторії.

Опис об’єкту НН та його складових частин з вказаними технічними або іншими характеристиками наведено в розділах 2.1 – 2.3.

2.1 СИСТЕМА ДИСТАНЦІЙНОГО ВИСОКОЧАСТОТНОГО ЗОНДУВАННЯ ІОНОСФЕРИ

Система дистанційного високочастотного зондування іоносфери функціонує по принципу активного допплерівського радіолокатора.

Наявність трьох незалежних каналів випромінювання і прийому сигналів дозволяє одночасно проводити зондування на трьох частотах, що дає можливість одночасно контролювати динамічні процеси різних областей іоносфери. `

Основні параметри зондуючих сигналів і характеристики приймально-передаючої апаратури приведені в Таблиці 1.

Таблиця 1. Параметри системи ВЧ зондування іоносфери.

Діапазон частот	1.5 – 30 МГц
Кількість частотних каналів зондування	3 незалежних канали
Антена	2 приймально-передаючих антени типу “Дельта”
Передавачі:
імпульсна потужність	1 кВт в кожному частотному каналі
тривалість імпульсу	100 – 500 мкс
частота посилань імпульсів	100 – 200 Гц
Приймачі:	3 приймачі
динамічний діапазон	80 дБ
смуга пропускання приймачів	10 кГц, 20 кГц
смуга пропускання системи обробки сигналу	10 Гц
кількість каналів стробування по дальності	5 стробів в кожному частотному каналі
тривалість стробу	100 – 500 мкс
Стабільність опорного рубідієвого стандарту частоти	10^–11

Найбільш суттєвим параметром сигналів зондування, який визначає чутливість вимірювальної системи до малих варіацій висоти відбиття від іоносфери, є стабільність частоти сигналу, що випромінюється. Висока стабільність частоти всіх генераторів, що застосовуються при формуванні, випромінюванні, прийомі та обробці сигналів зондування, забезпечена використанням спільного опорного рубідієвого стандарту частоти з відносною нестабільністю частоти не гірше 10^–11. Це значно підвищує точність вимірювань.

Таблиця 2. Можливості системи допплерівського зондування.

Параметри, що визначаються	Висотний діапазон	Похибки
Діюча висота відбиття на кожній з трьох частот зондування	90 – 465 км (E та F області)	±7.5 км
Швидкість зміни висот відбиття сигналів	90 – 465 км (E та F області)	швидкість до 10² м/с з похибкою ± 1 м/с
Часові характеристики іоносферних збурень	E та F області	періоди 10 – 10⁴ с з похибкою 1 – 10%

Програмне забезпечення керує процесом реєстрації та відображення інформації про стан всього вимірювального комплексу.

Рис. 2. Приймачі та блок виділення і реєстрації допплерівських зміщень частоти.

2.2 СИСТЕМА ЧАСТКОВИХ ВІДБИТТІВ

Система часткових відбиттів (ЧВ) дозволяє проводити систематичні вимірювання основних параметрів та динамічного режиму нижньої іоносфери. Метод ЧВ базується на реєстраціях часткових відбиттів радіохвиль від неоднорідностей діелектричної проникності типу "різкої межі" та зворотного розсіювання радіохвиль на дрібномасштабних флуктуаціях електронної концентрації.

Висотний діапазон застосування метода ЧВ знаходиться в інтервалі від 50 до 90 км.

Для проведення досліджень нижньої іоносфери в ХНУ були створені стаціонарна та пересувна системи ЧВ. Системи ХНУ, на відміну від існуючих, можуть працювати у відносно широкому діапазоні частот з високою імпульсною потужністю. Наявність мобільної та стаціонарної систем дає змогу вивчати просторові зміни параметрів нижньої іоносфери. Основні характеристики систем наведені у Таблиці 3.

Хоча метод ЧВ є основним методом системи ЧВ, вона має значно більш широкі можливості і дозволяє організувати дослідження методами вертикального зондування, крос-модуляції, резонансного розсіювання, а також виконувати різні варіанти багаточастотного зондування, зондування зі змінною потужністю тощо.

До складу системи також входить цифрова автоматична іоносферна станція, яка дозволяє одержувати дані для оцінки загальної іоносферної обстановки в ході виконання досліджень різними радіофізичними методами.

Таблиця 3. Технічні характеристики стаціонарної та пересувної систем для дослідження нижньої іоносфери методом часткових відбиттів.

Параметри пристроїв	Стаціонарна система	Пересувна система
Передавач:
Імпульсна потужність, кВт	300 (при f = 1 – 4,5 МГц)	200 (при f = 1 – 4,5 МГц)
Потужність у безперервному режимі, кВт	100 (при f = 1 – 15 МГц)	—
Діапазон робочих частот, МГц	1 – 15	1 – 10
Тривалість зондуючих імпульсів, мкс	25 – 500	20 – 100
Максимальна частота посилань імпульсів, Гц	100	100
Приймальна система:
Чутливість по антенному входу, мкВ	0,3	0,3
Ширина смуги пропускання, кГц	50	50
Діапазон робочих частот, МГц	1 – 15	1 – 27,5 (лінійна поляризація) 1 – 10 (кругова поляризація)

Передавальна антенна система в режимі ЧВ складається з двох рознесених антенних граток, одна з яких призначена для роботи в діапазоні частот 1,5 – 4,5 МГц, а інша — у діапазоні 4,5 – 15 МГц. Елементом гратки діапазону 1,5 – 4,5 МГц є подвійна вертикальна ромбічна антена Айзенберга, а гратки діапазону 4,5 – 15 МГц — звичайна ромбічна антена. Висота підвісу антен — 20 м. Розміри антенних полів 300х300 м і 60х60 м відповідно. Розрахунковий коефіцієнт підсилення по потужності для гратки діапазону 1,5 – 4,5 МГц дорівнює 200.

Для прийому сигналів в режимі ЧВ використовуються ортогональні антени, кожна з яких складається з двох подвійних ромбів, розташованих в одну лінію. Фазові та геометричні центри передаючої антенної гратки діапазону 1,5 – 4,5 МГц та приймальної гратки співпадають, так що фізично вони не є рознесеними.

Конструкція антенного поля дозволяє досить оперативно змінювати з'єднання його елементів. Так, у режимі виміру швидкості дрейфу іоносферних неоднорідностей для прийому використовуються частини антенної гратки, що є передаючою для режиму ЧВ. Її елементи комутуються таким чином, що для прийому використовуються чотири четвірки ортогональних рознесених ромбів, що по черзі підключаються до радіоприймального пристрою. При цьому для випромінювання зондуючого імпульсу використовується приймальна для режиму ЧВ антенна гратка.

Елементи низькочастотної антенної гратки – вертикальної ромбічної антени Айзенберга.

Рис. 3. Елементи низькочастотної антенної гратки – вертикальної ромбічної антени Айзенберга.

ПЕОМ обробки даних системи часткових відбиттів

Рис. 4. ПЕОМ обробки даних системи часткових відбиттів. На екрані монітору – фрагмент часового ходу амплітуди сигналу, частково відбитого з висоти 90 км.

2.3 СИСТЕМА СУПУТНИКОВОГО РАДІОЗОНДУВАННЯ

Для діагностики стану іоносфери Землі широко застосовується радіозондування іоносфери радіосигналами супутникових радіомаяків. Для цієї мети дуже зручні навігаційні низько і середньоорбітні штучні супутники Землі (ШСЗ) супутникових радіонавігаційних систем (СРНС) "NAVY IONOSPHERIC MONITORING SYSTEM" (раніше ця система називалася "ТРАНЗИТ"), GPS (США), "ЦИКАДА", ГЛОНАСС (РОСІЯ). Супутники цих систем випромінюють дві когерентні радіохвилі, що дозволяє вимірювати складові їхнього часу запізнення і доплерівського зсуву частоти, викликані іоносферою Землі.

Ці дані можуть бути використані, наприклад, для досліджень фізичних процесів, що зумовлюють космічну погоду, для адаптації глобальних моделей електронної концентрації іоносфери за поточними вимірюваннями та ін.

Система супутникового радіозондування, складається з двох незалежних систем: системи з використанням сигналів низькоорбітних ШСЗ СРНС “ЦИКАДА” та системи з використанням сигналів середньорбітних ШСЗ СРНС ГЛОНАСС та GPS.

Система з використанням сигналів низькоорбітних ШСЗ СРНС “ЦИКАДА”.

Складовими частинами системи є кілька типів промислової апаратури, як стаціонарних так і мобільних: "ШХУНА", АДК та СЧ-1, призначених для визначення місця розташування споживача по сигналах ШСЗ СРНС "ЦИКАДА".

Основні характеристики та склад радіоприймача сигналів супутникових радіомаяків "ШХУНА" такі:

Радіоприймач забезпечує:

<>прийом сигналів f₁ = 400 МГц та f₂ = 150 МГц при подачі на нього через антенний підсилювач сигналів, що перевищують 5·10^–17 Вт в каналі f₁і 5·10^–16Вт в каналі f₂.<>

Рис. 5. Система зондування з використанням сигналів низькоорбітних ШСЗ СРНС "ЦИКАДА".

Система з використанням сигналів середньоорбітних ШСЗ СРНС

ГЛОНАСС і GPS.

Навігаційний приймач СН-3106 являє собою 14 - канальний приймач, призначений для вимірів псевдовідстаней і приросту фази несучої по кожному з 7 незалежних двохчастотних каналів по сигналах СРНС ГЛОНАСС на частотах f₁ ~ 1600 МГЦ і f₂ ~ 1200 МГц і по 7 незалежних каналах сигналів СРНС GPS на частоті f₁ = 1575,42 МГц у безперервному режимі по всій зоні радіовидимості кожного ШСЗ ГЛОНАСС і GPS, а також для безперервного автоматичного вироблення поточних значень координат місця, часу і швидкості споживача.

На рис. 2–5 наведені фотографії окремих частин "Комплексу...".

В цілому, "Комплекс...", як унікальний центр діагностики навколоземного простору аналогів якому немає в СНД, а також висококвалiфiкований колектив, що склався (у тому числі 1 доктор наук, 11 кандидатів наук), дозволяють вирішувати цілу низку фундаментальних наукових проблем та прикладних задач в інтересах України, з яких можна відзначити:

— дослідження сонячно-земних зв'язків та взаємодії різних областей навколоземного простору;

— розробка моделей глобальних збурень у навколоземному просторi;

— дослідження екологiчних та медико-бiологiчних наслiдкiв антропогенного впливу на навколоземний простiр;

— розробка стандартних моделей iоносфери;

— створення аерокосмiчних та наземних технiчних засобiв дiагностики та контролю навколоземного простору;

— проведення моніторингу навколоземного простору;

— наземне супроводження дистанцiйного зондування зi штучних супутникiв Землi (зокрема, українських);

— прогноз землетрусів та умов розповсюдження радiохвиль.

Треба відзначити, що поєднання технічних можливостей "Комплексу..." та науково-технічних баз низки Харківських наукових організацій, таких як РІ НАНУ, ХНУРЕ, Інститут іоносфери, ІРЕ НАНУ, ставить м. Харків на одне з провідних місць у світі в галузі дистанційних досліджень навколоземного простору.

Результати наукових досліджень, проведених з використанням технічних засобів "Комплексу...", опублiкованi у бiльш ніж 1160 наукових працях (з 1980 року), доповiдались на 130 конференцiях (у тому числi на 58 мiжнародних). Вони вiдзначенi премiями Мiнвузу СРСР (1985), Ради Мiнiстрiв СРСР (1987) та Державною премією УРСР (1989).

У 2003 році видано підручник "Статистична радіофізика" (автори: А.О. Мінаков, О.Ф. Тирнов) українською та російською мовами з грифом МОН України. У 2007 році цей підручник видано у 3 частинах. У 2003, 2004 році було видано підручник “Нелинейная радиофизика” (автор Л.Ф. Чорногор) з грифом МОН України. При написанні цих підручників були використані багаторічні експериментальні результати, отримані на радіотехнічних системах "Комплексу...". По матеріалах багаторічних досліджень на радіотехнічних системах "Комплексу..." видано 4 монографії, захищені 2 докторські та 11 кандидатських дисертацій.

За допомогою "Комплексу..." виконуються наукові дослідження згідно з угодами про наукове співробітництво з закордонними науковими установами (Масачусетським технологічним інститутом, Лоуельським центром атмосферних досліджень Масачусетського університету, японським Університетом Електрозв’язку) та по окремих угодах з Лабораторією техногенного впливу на навколишнє середовище Науково-дослідного відділу Гідрометеорологічного національного центру США (National Oceanic and Atmospheric Administration/Office of Oceanic and Atmospheric Research/Environmental Technology Laboratory, USA) і з Інститутом космічних та атмосферних досліджень в університеті Саскачеван, Канада, Радіофізичним науково-дослідним інститутом, Нижній Новгород, Росія, Університетом Тромсе, Тромсе, Норвегія, Південнофедеральним університетом, Ростов-на-Дону, Росія, Марійським державним університетом та Інститутом іоносфери НАН України та Міносвіти і науки, молоді та спорту України, Радіоастрономічним інститутом НАН України.

Окрім того, проводяться одночасні вимірювання на "Комплексі..." та на українській антарктичній станції "Академік В. І. Вернадський" в рамках наукової програми Українського Антарктичного Центру.

Комплекс використовується і в навчальному процесі на радіофізичному факультеті: тут виконуються лабораторні роботи, студенти проходять учбову радіотехнічну практику, проводяться вимірювання, результати яких є основою кваліфікаційних робіт бакалаврів з напряму підготовки "прикладна фізика" та дипломних робіт магістрів зі спеціальності "радіофізика і електроніка". Результати досліджень, які були отримані з використанням "Комплексу...", впроваджені у лекційних курсах: "Статистична радіофізика",

“Моделювання космічної плазми”, “Вступ до фізики космосу”, “Фізика атмосфери”, “Нелінійна радіофізика”, “Нелінійні явища в іоносфері та космічній плазмі”, “Радіотехнічні системи дослідження навколоземного космічного простору", “Радіофізичні методи дослідження навколоземного космічного простору".

Наукові дослідження, що проводяться на "Комплексі...", також є основою для підготовки кандидатських та докторських дисертацій за спеціальністю "радіофізика".

4. Контактна інформація:

—Місце знаходження: с. Гайдари Зміївського району Харківської області.

—Відповідальний Тирнов Олег Федорович,

—тел. 057-705-12-51,

—факс. 057-705-12-61,

—E-mail: Oleg.F.Tyrnov@univer.kharkov.ua

Це видання підготував Розуменко В. Т.
E-mail: Victor.T.Rozumenko@univer.kharkov.ua.
Остання відозміна: 30 січня 2013 року