Рис. 1. а – Средний спектр отражённых сигналов. Полоса пропускания фильтров 1 гц. б – Распределение по дальности энергии отражённых от Венеры сигналов с частотной модуляцией. Полоса пропускания фильтров 1 и 4 гц.
[вернуться к содержанию сайта]
В печати уже сообщалось о проведении в 1962 г. Институтом радиотехники и электроники АН СССР совместно с рядом организаций повторной радиолокации планеты Венера (1). Радиолокация производилась на той же установке (3), что и в 1961 г., в которую были внесены изменения в целях повышения точности и надёжности измерений. Чувствительность установки, благодаря применению на входе приёмника парамагнитного усилителя на кристалле рубина и повышению мощности передатчика, была увеличена примерно в 6 раз по сравнению с 1961 г. Смещение частоты отражённого сигнала, вызываемое эффектом Доплера из-за движения Венеры и Земли (с учётом её вращения), компенсировалось по расчётной программе при помощи специального устройства, менявшего частоту гетеродина приёмника ступеньками по 0,2 гц.
Частота передаваемого сигнала через каждые 4,096 сек. Периодически изменялась на 62,5 гц для исключения среднего уровня шума в принятом сигнале. Частотный спектр отражённых от Венеры сигналов, записанный на магнитную ленту, исследовался при помощи 20-канального анализатора, аналогичного применявшемуся при радиолокации Венеры в 1961 г. (3, 4)
Средний спектр отражённых сигналов за 20 сеансов *, проведённых с 20 X по 21 XII 1962 г., построенный по сумме измерений на обеих частотах, излучавшихся передатчиком, изображён на рис. 1а. Анализ спектра производился фильтрами с полосой пропускания 1 гц. По оси абсцисс на рисунке нанесены значения частот настройки фильтров анализатора f относительно частоты центрального фильтра f0, по оси ординат – величина p, представляющая отношение мощности отражённого сигнала в полосе каждого фильтра к мощности сигнала в полосе центрального фильтра. Пунктиром отмечена величина среднеквадратичной погрешности измерений, вызываемой шумами. Спектр отражённых сигналов может быть аппроксимирован экспонентой (рис. 1а)
p = 0,37 ехр (–0,42 |f – f0|). (1)
Исключение составляет центральный фильтр, в котором уровень сигнала был больше, чем даваемый формулой (1).
Коэффициент отражения Венеры **, измеренный по энергии отражённых сигналов в полосе 20 гц, в течение двух месяцев менялся в пределах 12÷18%. Энергия отражённых сигналов в полосе 1 гц была в 2,5–3 раза меньше полной энергии.
В 1962 г. исследовался также спектр широкополосной составляющей отражённых сигналов, наблюдавшейся в 1961 г. (2). При этом передаваемый сигнал состоял из непрерывных периодических посылок, частоты которых отличались на 2000 гц, длительностью по 4,096 сек. Одна из излучавшихся передатчиком частот не попадала в полосу частот, принимавшихся приемником. Полоса пропускания фильтров анализатора при исследовании широкополосной составляющей была 100 гц. Измерения 1962 г. указывают на весьма вероятное наличие широкополосной составляющей в полосе 300 гц примерно той же интенсивности, что и в 1961 г. (2), если исключить измерения за 18 IV 1961 г., когда интенсивность широкополосной составляющей была в несколько раз выше, чем в остальные дни измерений 1961 г. Ввиду меньшего по сравнению с 1961 г. числа сеансов, в которых вид модуляции передаваемых сигналов позволял исследовать широкополосную составляющую, происхождение последней надёжно установить не удалось.
Рис. 1. а – Средний спектр отражённых сигналов. Полоса пропускания фильтров 1 гц. б – Распределение по дальности энергии отражённых от Венеры сигналов с частотной модуляцией. Полоса пропускания фильтров 1 и 4 гц.
Для измерения расстояния от Земли до Венеры и распределения энергии отражённого сигнала по дальности в 1962 г. была применена линейная частотная модуляция. Частота излучаемых передатчиком колебаний периодически изменялась по пилообразному закону на 4000 гц с периодом 1,024 сек. Благодаря применению специальной схемы, была достигнута очень высокая линейность изменения частоты. В параметры модуляции вносились поправки, чтобы скомпенсировать изменение частоты из-за эффекта Доплера, вызываемое движением Венеры и Земли. При приёме частота гетеродина приёмника изменялась также по пилообразному закону. Начало модуляции на приёме устанавливалось относительно начала модуляции на передаче по расчётной программе с точностью до 0,1 мсек. Если начало модуляции гетеродина на приёме точно соответствовало фактическому времени прихода отражённого сигнала, частота сигнала на выходе приёмника была номинальной. Если же отражённый сигнал приходил раньше или позже расчётного момента, то частота сигнала на выходе приёмника становилась выше или ниже номинальной. По смещению спектра отражённого сигнала и его частей определялась поправка к расчётному времени распространения сигнала, а также распределение энергии сигналов в зависимости от дальности отражающей зоны.
Средний спектр отражённых от Венеры сигналов с частотной модуляцией по 48 сеансам наблюдений, проведённых с 21 X по 21 XII 1962 г., представлен на рис. 1б. Анализ производился фильтрами с полосой пропускания на 1 и 4 гц. По осям координат на рис. 1б нанесены те же величины, что и на 1а. Смещение спектра по частоте, которое могло быть вызвано несовпадением начала модуляции гетеродина и прихода отражённых сигналов, исключалось гетеродинированием сигнала при воспроизведении магнитных записей так, что в каждом сеансе максимум спектра попадал в один и тот же фильтр.
Внизу рис. 1б нанесена также ось дальности ΔR в расчёте, что максимум спектра соответствует отражению от ближайшей к Земле точки Венеры, находящейся в центре видимого диска планеты. Интенсивность отражения убывает с увеличением дальности отражающей зоны, причём заметное отражение наблюдается ещё в зонах, удалённых относительно ближайшей точки планеты на 1500 км, диаметр которых составляет примерно 2/3 диаметра Венеры. Данные рисунка 1б можно аппроксимировать (см. рис. 1б) гиперболой
p=0,625 (f – f0+0,625)-1. (2)
Период вращения Венеры определялся по сопоставлению расчётной ширины спектра отражённого сигнала, полученного на основании рис. 1б при разных периодах вращения считая структуру поверхности Венеры изотропной, с шириной спектра, полученной экспериментально. Наблюдавшееся расширение спектра должно было вызваться двумя причинами: собственным вращением Венеры, которое постоянно, и кажущимся обеганием Венеры Землёй, зависящим от их взаимного положения. Последняя составляющая может быть вычислена теоретически. Экспериментальные результаты за время с 20 X по 12 XII 1962 г. показывают, что, если ось вращения Венеры перпендикулярна плоскости эклиптики, то вероятнее всего обратное вращение (вращение в сторону, обратную движению Венеры вокруг Солнца) с периодом 200÷300 суток.
Результаты измерений расстояния между Землёй и Венерой *** по запаздыванию отражённых сигналов с частотной модуляцией представлены на рис. 2. Здесь Δr обозначает разность между фактическим и расчётным значениями расстояния от измерительного пункта до ближайшей точки поверхности Венеры. Около каждой экспериментальной точки на рисунке отмечены величины среднеквадратичной погрешности измерений. В единичном измерении среднеквадратичное значение аппаратурной ошибки не превышало 15 км.
Рис. 2. Изменение расстояния между Землёй и Венерой относительно расчётного значения. 1 – A=149599000 км, 2 – А=149598500 км, 3 – А=149598000 км, 4 – А=149597500 км
В расчётах времени распространения отражённых сигналов было принято: астрономическая единица 149 599 300 км; скорость света 299 792,5 км/сек; радиус Венеры 6100 км.
Пунктирными линиями на рисунке показано как изменялась бы величина Δr, если бы фактическое значение астрономической единицы было равно А=149599000, ..., 149597500 км и отсутствовали бы ошибки эфемерид. При А=149599300 км результаты измерений должны были совпадать с осью абсцисс.
Представленные на графике экспериментальные точки не совпадают ни с одной из вычисленных кривых, что должно получиться, если в эфемеридах Земли и Венеры, по которым производился расчёт времени распространения сигналов, содержатся ошибки. Плавная кривая, аппроксимирующая ход экспериментальных точек, была получена в предположении, что значение астрономической единицы А=149597900 км, фактическое положение центра Венеры смещено вдоль орбиты на 270 км по движению (на 0,5 угловых секунды в гелиоцентрической системе координат) и радиус Венеры на 80 км меньше величины, принятой в расчёт.
Разность между астрономической единицей, полученной нами в 1961 г., и величиной, приведённой выше, составляет 1400 км, что находится в пределах допуска (±2000 км), указанного для измерений 1961 г. (2). Если, кроме указанных выше, варьировать и другие параметры орбиты Венеры, то значение астрономической единицы может быть несколько иным. Полная обработка данных, вероятно, позволит наряду с астрономической единицей уточнить также эфемериды Венеры.
На рис. 3а представлена диаграмма огибающей отражённого от Венеры сигнала, полученная 24 XI 1962 г., когда в течение 4,5 мин. излучалась немодулированная несущая. Полоса пропускания приёмного канала до детектора (детектор – линейный) составляла 6 гц, постоянная времени интегрирующей цепочки после детектора – 6 сек. Для сравнения на рис. 3б представлена диаграмма огибающей шума в аналогичном канале, сдвинутом по частоте на 62,5 гц, в котором сигнала не было.
Рис. 3. Огибающая отражённого от Венеры сигнала: а – канал с сигналом; б – канал без сигнала. 1 – включение приёмника, 2 – начало отражённого сигнала, 3 – конец отражённого сигнала, 4 – выключение приёмника
Достаточно высокое отношение сигнал/шум, имевшее место, когда Венера находилась вблизи Земли, подало мысль осуществить радиотелеграфную связь с использованием Венеры в качестве пассивного отражателя. В ноябре 1962 г. были переданы слова: “МИР”, “СССР”, “ЛЕНИН”. На рис. 4 изображён вид переданного радиотелеграфным кодом слова “СССР”, которое прошло общий путь в 85 млн. км.
Рис. 4. Слово “СССР”, переданное через Венеру 24 XI 1962 г.
Авторы выражают благодарность Л. В. Апраксину, Р. С. Бондаренко, В. О. Войтову, М. М. Дедловскому, Н. М. Дмитриеву, В. С. Довгелло, В. И. Кривде, В. М. Махорину, Г. А. Подопригоре, Н. М. Синодкину, Г.И. Слободенюку, З. Г. Труновой, А. В. Францессону и Д. М. Цветкову, участвовавшим в подготовке и проведении измерений.
Институт радиотехники и электроники
Академии наук СССР
Поступило
20 VI 1963
* Каждый сеанс состоял из передачи и приёма, длительность которых примерно равна времени распространения сигнала от Земли к Венере и обратно (4,5÷7 мин.).
** Отношение энергии принятых сигналов к энергии сигналов, которые принимались бы, если бы Венера была гладким идеально проводящим шаром.
*** Измеряемое расстояние менялось от 40 млн. км (минимальное расстояние 13 XI 1962 г. во время нижнего соединения Венеры) до 65 млн. км (21 XII 1962 г.).
Дата установки: 23.02.2013
[вернуться к содержанию сайта]
