СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАНЕТ Российский патент 2015 года по МПК G01S3/72 

Предлагаемое техническое решение относится к астрономии и астрофизике, а именно к способам исследования планет, вращающихся вокруг звезд, расположенных на расстояниях от Солнца до 2000 световых лет (и, возможно, дальше).

Известен способ исследования планет, заключающийся в том, что на орбиту вокруг планеты выводят спутник с радиолокационной станцией (РЛС) бокового обзора, облучают с использованием этой РЛС поверхность планеты, принимают отраженное радиоизлучение и с использованием корреляционной обработки принятых сигналов создают (строят) карту поверхности исследуемой планеты, определяют высотный рельеф подстилающей поверхности, а также иные параметры и характеристики планеты. См., например, изобретение РФ №2066060 (МПК-6 G01S 13/90) «Способ картографирования с помощью синтезированной апертуры»; публикацию (диссертацию) «Определение характера отражения поверхности Венеры по данным радиолокационной съемки автоматическими искусственными спутниками “Венера 15” и “Венера 16”», автор Кривцов А.П.; АН СССР, Институт радиотехники и электроники, 1989 г.; книгу «Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны», авторы В.Н. Антипов, В.Т. Горяинов и др., М.: Советское радио, 1988 г.; книгу «Радиолокационные станции бокового обзора», авторы А.П. Реутов и др., М.: Советское радио, 1970 г.

Недостатком этого способа является необходимость доставки к каждой исследуемой планете космических аппаратов с РЛС бокового обзора на борту, что пока невозможно при исследованиях планет, вращающихся близ других звезд.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ исследования внеземных объектов радиоинтерферометрическим методом (см., например, статью Л.И. Матвеенко (изобретателя способа) «РСД исследования - супер разрешение», опубликована в журнале «Известия Крымской астрофизической обсерватории», №3 за 2007 г., стр 66-77), который, в частности, используется в настоящее время в работе российской радиоастрономической космической обсерватории «Спектр-Р» («РадиоАстрон») и будет использоваться в работе проектируемой ныне другой российской радиоастрономической космической обсерватории «Спектр-М» («Миллиметрон»). В соответствии с этим способом размещают на Земле на максимально возможных расстояниях и/или в космическом пространстве систему из двух или более радиотелескопов (РТ), направляют их синхронно на исследуемый внеземной объект, осуществляют прием и регистрацию поступающих от него радиосигналов, а затем, используя корреляционный метод обработки и сравнения задержек и измененных фазовых и иных характеристик сигналов от разных радиотелескопов системы, строят изображение исследуемого внеземного объекта. Корреляционный метод обработки сигналов от радиоинтерферометров со сверхдлинными базами (РСДБ) был предложен изобретателями метода и к настоящему времени уже надежно отлажен и развит - см., например, публикации «Обобщенный многочастотный синтез и деконволюция радиоинтерферометрических изображений», Лихачев С.Ф. и др. (Препринт Физического Института им. П.Н. Лебедева, РАН, №31, 2003 г., Москва); «Принципы пакетной корреляционной обработки РСДБ-данных», Грачев В.Г. и др. (Препринт Института прикладной астрономии, №171, 2004 г., СПб.); «Обработка РСДБ-наблюдений: Программный пакет QUASAR 2. Методы анализа данных» В.С. Губанов и др. (Препринт Института прикладной астрономии, №142, 2002 г., СПб.); «Корреляционный РСДБ-спецпроцессор нового поколения» В.Г. Грачев и др. (Препринт Института прикладной астрономии, №163, 2004 г., СПб.) и книгу «Интерферометрия и синтез в радиоастрономии» Томпсон А. (М.: Физматлит, 2003 г.). Исследования производят в широком диапазоне радиочастотного электромагнитного излучения (ЭМИ).

Недостатком этого способа является невозможность исследования с его помощью планет, движущихся близ звезд, находящихся от Солнца на расстояниях до 2000 световых лет.

Целью предлагаемого технического решения является обеспечение возможности исследования планет, движущихся близ звезд, находящихся от Солнца на расстояниях до 2000 световых лет.

Указанная цель осуществляется следующим образом.

В космическое пространство на орбиты с радиусами до 300 миллиардов километров от Солнца и с различными наклонениями к плоскости эклиптики выводят космические радиотелескопы, образуют из них и земных радиотелескопов по крайней мере один РСДБ и осуществляют поиск планет с молниеактивными атмосферами. Затем всю систему радиотелескопов, входящих в один РСДБ, ориентируют на избранную для исследований планету и производят синхронизированный (с привязкой к системе единого времени) прием каждым РТ электромагнитного излучения от молниевых разрядов, происходящих атмосфере планеты, и в особенности ЭМИ, отраженного от подстилающей поверхности планеты в районе каждого разряда. Накопленную информацию от всех РТ передают по командам из земного пункта управления на наземные приемные станции, осуществляют стандартным методом (см. указанные выше публикации) корреляционную обработку полученных массивов данных и строят изображения подстилающей поверхности исследуемой планеты в области каждого молниевого разряда. Совмещают множество полученных с перекрытиями карт локальных районов поверхности и составляют карту поверхности всей планеты.

Развитие способа достигают за счет того, что при корреляционной обработке радиоизлучения от молний сначала формируют по переднему - наиболее мощному - фронту принятого сигнала трехмерное изображение каждой отдельной молнии, выявляют ее расположение в пространстве относительно подстилающей поверхности планеты, ее размеры и пространственную структуру, а затем с учетом полученных при этом данных вычисляют вклад каждого отдельного участка молнии в суммарное электромагнитное излучение, отраженное от подстилающей поверхности, и формируют локальную карту данного участка поверхности планеты

Пример осуществления способа

Для увеличения точности получаемых изображений корреляционную обработку полученных массивов данных от каждого молниевого разряда производят в два этапа: сначала выделяют передний - наиболее, естественно, мощный - фронт ЭМИ, поступающий в РТ непосредственно от молнии, за счет корреляционной обработки строят (восстанавливают) изображение и детальную трехмерную (пространственную) структуру каждой конкретной молнии, а затем с учетом ЭМИ от каждого ее отдельного элемента осуществляют построение для каждого из пространственно разнесенных РТ массива возможных следовых, возникающих в результате наложения отражений от элементов рельефа, частей импульсов ЭМИ от данной молнии. После этого производят корреляционный анализ следовых частей (фронтов) импульсов ЭМИ, принятых каждым РТ, осуществляют сравнение модельных (гипотетических) следовых импульсов с фактически полученными данными и производят выбор той модели пространственного рельефа, для которой свойственно наибольшее совпадение синтезированного следового импульса (для каждого отдельного РТ) с фактически принятой соответствующим РТ следовой частью импульса. При этом производят многократные (итерационные) последовательные (для ЭМИ от одной и той же молнии) уточнения модельных расчетов - до получения точного совпадения с принятыми РТ данными.

Для получения еще более точных карт поверхностей (рельефов, наличия водных или иных образований и др.) используют многократную корреляционную обработку и простое сравнение и даже усреднение изображений одних и тех же районов планеты, полученных в разное время (от разных молний).

Предложенный метод при расстояниях между отдельными РТ до 600 миллиардов километров (при их нахождении в противоположных расположениях относительно Солнца) позволит в несколько миллионов раз - по сравнению с достигнутыми ныне - увеличить пространственную разрешающую способность РСДБ.

Реализация предложенного возможна уже на достигнутом ныне уровне развития науки и техники.

Использование в соответствии с предложенным способом «местных энергетических ресурсов» (излучения молний в атмосферах исследуемых планет) позволяет на несколько порядков увеличить соотношение полезный сигнал/шум в принимаемых радиотелескопами ЭМИ от указанных планет.

Главным достоинством предложенного способа является возможность получения с его помощью подробных карт поверхностей внесолнечных планет, что невозможно иными известными методами.

Простое - без корреляционной обработки - наблюдение за молниеактивными планетами (т.е. - планетами с молниеактивными атмосферами) позволит также со сверхвысокой точностью определять параметры орбитального движения таких планет и их диаметры.

Предложенный способ позволяет также выявлять смены времен года, их длительности, климатические особенности и иные характеристики исследуемых планет.

Анализ радиочастотных спектров, ослаблений и искажений картин фронтов ЭМИ от молний, прошедших через атмосферу под разными углами к подстилающей поверхности, позволит определять составы атмосфер, наличие и параметры радиационных поясов планет.

Изобретение относится к астрономии и астрофизике и может использоваться для исследования дальних, в особенности внесолнечных, планет. Технический результат состоит в обеспечении возможности исследования планет, движущихся близ звезд, находящихся от Солнца на расстояниях до 2000 световых лет. Для этого в космическое пространство на орбиты с радиусами до 300 миллиардов километров от Солнца и с различными наклонениями к плоскости эклиптики выводят космические радиотелескопы (РТ), образуют из них и земных радиотелескопов по крайней мере один радиоинтерферометр со сверхдлинной базой (РСДБ) и осуществляют поиск планет с молниеактивными атмосферами. Систему радиотелескопов, входящих в один РСДБ, ориентируют на избранную для исследований планету и производят синхронизированный, с привязкой к системе единого времени прием каждым РТ электромагнитного излучения (ЭМИ) от молниевых разрядов, происходящих в атмосфере планеты, и в особенности ЭМИ, отраженного от подстилающей поверхности планеты в районе каждого разряда. Накопленную информацию от всех РТ передают по командам из земного пункта управления на наземные приемные станции, осуществляют стандартным корреляционным методом обработку полученных массивов данных и строят изображения подстилающей поверхности исследуемой планеты в области каждого молниевого разряда. Совмещая множество полученных - с перекрытиями - карт локальных районов поверхности, составляют карту поверхности всей планеты. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ исследования планет, характеризующийся тем, что в космическое пространство выводят радиотелескопы, формируют из этих радиотелескопов трехмерную радиоинтерферометрическую систему с расстояниями между и космическими, и земными радиотелескопами до 300 миллиардов километров, ориентируют все радиотелескопы в одном направлении на исследуемые в выбранной последовательности планеты - в особенности на внесолнечные, отличающийся тем, что выявляют планеты, которые обладают молниевой активностью в атмосферах, принимают синхронно во всем доступном диапазоне радиочастот электромагнитное излучение и от каждой зафиксированной и выделенной молнии и радиоизлучение от каждой такой молнии, отраженное от подстилающей поверхности планеты, обрабатывают на корреляторах полученные массивы данных от всех радиотелескопов, принимавших радиоизлучение от исследуемой планеты, строят карты поверхности этой планеты в районе каждой выделенной молнии, а затем совмещают множество полученных карт локальных районов поверхности и составляют карту поверхности всей планеты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при корреляционной обработке радиоизлучения от молний сначала формируют по переднему - наиболее мощному - фронту принятого сигнала трехмерное изображение каждой отдельной молнии, выявляют ее расположение в пространстве относительно подстилающей поверхности планеты, ее размеры и пространственную структуру, а затем с учетом полученных при этом данных вычисляют вклад каждого отдельного участка молнии в суммарное электромагнитное излучение, отраженное от подстилающей поверхности, и формируют локальную карту данного участка поверхности планеты.