Радиолокационная астрономия

Содержание

• Слайд 1

• Слайд 2

  Радиолокация (от «радио» и латинского слова lokatio – расположение) – область науки и техники, занимающаяся наблюдением различных объектов в воздухе, на воде, на земле и определением их расположения, а так же расстояния до них при помощи радио.
  Всем хорошо знакомо эхо: мы дважды слышим звук – когда говорим и когда он возвращается после отражения от стены здания или утёса. В радиолокации происходит то же самое, правда с одной разницей: вместо звуковых волн действуют радиоволны.

• Слайд 3

  Радиолокатор посылает импульс радиоволн в сторону объекта и принимает его после отражения. Зная скорость распространения радиоволн и время прохождения импульса до отражающего объекта и обратно, нетрудно определить расстояние между ними.
  Любой радиолокатор состоит из радиопередатчика, радиоприёмника, работающего на той же волне, направленной антенны и индикаторного устройства.
  Передатчик радиолокатора посылает в антенну сигналы короткими очередями – импульсами.

• Слайд 4

  Антенна радиолокатора, обычно имеющая форму выгнутого прожекторного зеркала, фокусирует радиоволны в узкий луч и направляет его на объект. Она может вращаться и изменять угол наклона, посылая радиоволны в различных направлениях. Одна и та же антенна попеременно автоматически с частотой импульсов подключается, то к передатчику, то к приёмнику.

• Слайд 5

  В промежутках между излучениями импульсов радиопередатчика работает радиоприёмник. Он принимает отражённые радиоволны, а имеющиеся на его входе индикаторное устройство показывает расстояние до объекта.
  Роль индикаторного устройства выполняет электронно – лучевая трубка.
  Электронный луч перемещается по экрану трубки с точно заданной скоростью, создавая движущуюся светящую линию. В момент посылки радиопередатчиком импульса светящаяся линия на экране делает всплеск.
  Современный радар на основе фазированных антенных решёток

• Слайд 6

  Радиоволны отражаются землёй, водой, деревьями и другими предметами. Наилучшее отражение происходит тогда, когда длина излучаемых радиоволн меньше отражающего их предмета. Поэтому радиолокаторы работают в диапазоне ультракоротких волн.
  Принцип действия
  импульсного радара
  Принцип определения расстояния до объекта с помощью импульсного радара

• Слайд 7

  Основное применение радиолокации – это военное. С их помощью возможно наведение истребителей на вражеские бомбардировщики.
  Возможно использование бортовых самолётных радиолокаторов для обнаружения, слежения и уничтожения техники противника.
  В космических исследованиях радиолокаторы применяются для управления полётом ракет – носителей и слежения за спутниками и межпланетными станциями.
  Радиолокатор намного расширил наши знания о Солнечной системе и её планетах. В 1946г была произведена первая радиолокация Луны Баем в Венгрии и в США, а в 1957-1963гг — радиолокация Солнца (исследования солнечной короны проводятся с 1959г), Меркурия (с 1962г на ll= 3.8, 12, 43 и 70 см), Венеры, Марса и Юпитера (в 1964 г. на волнах l = 12 и 70 см), Сатурн (в 1973 г. на волне l = 12.5 см) в Великобритании, СССР и США.
  Мобильная РЛС «Противник-ГЕ»

• Слайд 8

  Классификация радаров

  По предназначению радиолокационные станции можно классифицировать:
  РЛС обнаружения;
  РЛС управления и слежения;
  Панорамные РЛС;
  РЛС бокового обзора;
  Метеорологические РЛС.

  По сфере применения различают военные и гражданские РЛС.
  По характеру носителя:
  Наземные РЛС
  Морские РЛС
  Бортовые РЛС
  Мобильные РЛС

  По типу действия:
  Первичные или пассивные
  Вторичные или активные
  Совмещённые
  По диапазону волн:
  Метровые
  Дециметровые
  Сантиметровые
  Миллиметровые

• Слайд 9

  По сигналам на экранах радиолокаторов диспетчеры аэропортов контролируют движение самолётов по воздушным трассам, а пилоты точно определяют высоту полёта и очертания местности, по которой летят.
  Радиолокаторы, имеющиеся на судах, позволяют установить картину береговой линии, «прощупать» водные просторы, они предупреждают о приближении других судов и плавающих айсбергов.
  В широких масштабах радиолокация применяется для прогнозирования погоды. Национальная метеорологическая служба использует специально оборудованные самолёты, оснащённые радиолокаторами, для отслеживания всех метеопараметров

• Слайд 10

Посмотреть все слайды

Астероиды и кометы

Радар позволяет изучать форму, размер и период вращения астероидов и комет с земли. Радиолокационная съемка давала изображения с разрешением до 7,5 м. Имея достаточно данных, можно определить размер, форму, период вращения и радиолокационное альбедо целевых астероидов.

Только 18 комет были изучены радаром, в том числе 73P / Schwassmann-Wachmann . По состоянию на 28 апреля 2015 г. с помощью радаров наблюдались 536 астероидов, сближающихся с Землей, и 138 астероидов главного пояса .

Окружающие нас предметы мы видим благодаря тому, что они отражают попадающий на них свет (источники света — лампы, огонь, Солнце, звезды — видны сами по себе). Свет, как известно, — это электромагнитные волны. Значит, вещество обладает свойством отражения таких волн, причем не только видимого диапазона. В том числе и радиоволн. Наибольшее применение из них нашли волны сантиметрового диапазона.

Явление отражения радиоволн от препятствий на пути распространения лежит в основе радиолокационной астрономии. Она занимается исследованием небесных тел путем их облучения радиоволнами и приема отраженного радиосигнала. Такой метод получения информации называется радиолокацией.

Система из передатчика, антенны и приемника, называемая радиолокатором (радаром), может располагаться как на Земле, так и на космическом аппарате. Радиолокационный передатчик посылает в пространство радиоволны, которые, отражаясь от какого-либо объекта, попадают в приемник. Зная скорость распространения радиоволн, по интервалу времени между посылкой и возвращением радиосигнала можно определить расстояние до этого объекта. А по изменению частоты сигнала — скорость объекта (эффект Доплера). Но поскольку мощность отраженного сигнала быстро убывает с расстоянием, радиолокационным исследованиям доступны лишь тела Солнечной системы.

Для удобства отсчета моментов посылки и возвращения радиолокационных сигналов они часто формируются в виде кратковременных радиоимпульсов.

В радиолокационной астрономии были получены важные сведения о Солнечной системе. Так, методами радиолокации измерено расстояние между Землей и Солнцем (его называют астрономической единицей) с точностью до 10 км. С помощью радиолокации вычисляются скорости и направления движения метеорных частиц в атмосфере Земли. Радиолокация планет используется для выведения космических аппаратов к планетам и посадки их на поверхность.

Этот метод позволил разгадать многие тайны Венеры, скрытые за ее плотной атмосферой (например, размеры и строение поверхности), а также определить период вращения Меркурия, высоты гор Марса, физические свойства твердых поверхностей и газовых оболочек планет.

Это интересно.

• Сообщение мой регион в истории нашей страны

    

• Сообщение о рузаевке кратко

    

• Подготовить сообщение мадригал мотет фуга месса

    

• Сообщение по теме китай 18 19 век

    

• Сообщение на тему роджер бэкон

Метеоры.

Для исследования метеоров используются стандартные авиационные радары, но на более длинной волне. Двигаясь с высокой скоростью в атмосфере, метеорные частицы оставляют за собой ионизованный след, от которого отражаются радиоволны. Обычно этот след возникает на высоте 80–110 км и сохраняется от одной до нескольких секунд. По характеру отраженных импульсов можно судить о размере, скорости и направлении полета частицы, а также о строении атмосферы на этих высотах.

До полетов на Луну ее радиолокация дала много полезных сведений. Используя волны разной длины – от 8 мм до 20 м, – по характеру их взаимодействия с лунной поверхностью узнали ее диэлектрическую постоянную, что позволило приблизительно определить состав грунта. По величине рассеяния волн определили степень неровности лунной поверхности. Оказалось, что поверхность материковых и морских районов Луны заметно различается.

Солнце.

Огромный размер Солнца делает его (как и близкую Луну) привлекательным объектом для радиолокации. Однако к Солнцу нужно посылать очень мощный импульс, чтобы отраженный сигнал был различим на фоне собственного радиоизлучения Солнца. Наилучший результат дает использование длинных волн (5–15 м), поскольку короткие поглощаются в солнечной атмосфере. Радарные исследования Солнца дают информацию о структуре его короны и облаках заряженных частиц, которые Солнце выбрасывает в периоды высокой активности.См. также СОЛНЦЕ.

РАДИОЛОКАЦИО́ННАЯ АСТРОНО́МИЯ, раз­дел ас­тро­но­мии, в ко­то­ром ме­то­ды ра­дио­ло­ка­ции ис­поль­зу­ют­ся для ис­сле­до­ва­ния тел Сол­неч­ной сис­те­мы. Ра­дио­сиг­нал, по­слан­ный пе­ре­дат­чи­ком, от­ра­жа­ет­ся от по­верх­но­сти не­бес­но­го те­ла. Из­ме­ре­ние вре­ме­ни за­паз­ды­ва­ния от­ра­жён­но­го сиг­на­ла (эхо-сиг­на­ла) по­зво­ля­ет оп­ре­де­лить рас­стоя­ние до не­бес­но­го те­ла с точ­но­стью, зна­чи­тель­но пре­вы­шаю­щей точ­ность оп­ре­де­ле­ния рас­стоя­ний на ос­но­ве ас­т­ро­мет­рич. на­блю­де­ний. Ме­то­ды Р. а. при­ме­ня­ют­ся для уточ­не­ния зна­че­ний фун­дам. ас­тро­но­мич. по­сто­ян­ных, па­ра­мет­ров дви­же­ния тел Сол­неч­ной сис­те­мы и их раз­ме­ров.

Сила радара обратного сигнала является обратно пропорциональна четвертой степени расстояния . Улучшенное оборудование, увеличенная мощность передачи и более чувствительные приемники увеличили возможности наблюдения.

Радиолокационные методы предоставляют информацию, недоступную другими средствами, такими как проверка общей теории относительности путем наблюдения за Меркурием и обеспечение улучшенного значения астрономической единицы . Радиолокационные изображения предоставляют информацию о формах и свойствах поверхности твердых тел, которую невозможно получить с помощью других методов наблюдения с земли.

Используя очень мощные наземные радары (до 1 МВт ), радиоастрономия может предоставлять чрезвычайно точную астрометрическую информацию о структуре, составе и орбите объектов в Солнечной системе. Это помогает обеспечить долгосрочные прогнозы столкновения астероидов с Землей , как на примере объекта (99942) Апофис . В частности, оптические наблюдения показывают, где находится объект в небе, но не могут измерить расстояние до него с большой точностью (использование параллакса становится более деликатным, когда объекты маленькие и не очень яркие). С другой стороны, радар напрямую измеряет расстояние до объекта (и скорость, с которой оно изменяется). Комбинация оптических и радиолокационных наблюдений обычно позволяет предсказывать орбиты как минимум на десятилетия, если не столетия, в будущем.

С конца 2020 года, после краха планетарного радара Аресибо в Пуэрто-Рико , в настоящее время работает только одна радиолокационная астрономическая установка: радар солнечной системы Голдстоуна в Калифорнии .

Недостатки

Максимальный диапазон радиолокационной астрономии очень ограничен и сводится к Солнечной системе . Это связано с тем, что сила сигнала очень быстро уменьшается с увеличением расстояния от цели, небольшой долей падающего потока, который отражается от цели, и ограниченной мощностью передатчиков. Расстояние, на котором радар может обнаружить объект, пропорционально квадратному корню из размера объекта из-за обратной зависимости четвертой степени от расстояния силы эхо-сигнала. Радар может обнаружить объект диаметром около 1 км, что составляет чуть меньше астрономической единицы, но на расстоянии 8-10 а.е., на расстоянии от Сатурна, цели должны быть не менее нескольких сотен км. Также необходимо иметь относительно хорошие эфемериды цели перед ее наблюдением.

Ссылки

1. Андерсон, Джон Д.; Слейд, Мартин А .; Юргенс, Раймонд Ф .; Лау, Юнис Л.; Ньюхолл, ХХ; Майлз, Э. (июль 1990 г.). Радар и космические аппараты до Меркурия в период с 1966 по 1988 год . IAU, Азиатско-Тихоокеанское региональное собрание астрономов, 5-е, Труды. Труды Астрономического общества Австралии (16–20 июля 1990 г.). Том. 9, нет. 2. Сидней, Австралия: Астрономическое общество Австралии. п. 324. Бибкод1991PASAu…9..324A . ISSN  0066-9997 .
2. ^ Бутрика, Эндрю Дж. (1996). «Глава 2: Непостоянная Венера» . НАСА SP-4218: Увидеть невидимое — История планетарной радиолокационной астрономии . НАСА. Архивировано из оригинала 23 августа 2007 г .. Проверено 15 мая 2008 г. .
3. «Статус радара Аресибо» . Проверено 22 декабря 2012 г.
4. Остро, Стивен (1997). «Страница исследования астероидного радара» . Лаборатория реактивного движения . Проверено 22 декабря 2012 г.
5. ^ «Гигантский радиотелескоп Аресибо рухнул в Пуэрто-Рико» . www.theguardian.com . декабрь 2020 . Проверено 5 марта 2021 г. .
6. Эй, Дж. С. (1973). Эволюция радиоастрономии . Серия историй науки. Том. 1. Пол Элек (Научные книги).
7. , Джек (апрель 1946 г.). «Радарное эхо с Луны» . Электроника . 19 : 92–98. Архивировано из оригинала 29 октября 2008 г.
8. Бэй, Золтан (январь 1947 г.). «Отражение микроволн от Луны» . Hungarica Acta Physica . 1 (1): 1–22. doi10.1007/BF03161123 .
9. Моллинг, ЛР; Голомб, SW (октябрь 1961 г.). «Радиолокационные измерения планеты Венера» . Журнал Британского института радиоинженеров . 22 (4): 297–300. doi10.1049/jbire.1961.0121 .
10. Мулеман, Дуэйн О .; Холдридж, Д.Б.; Блок, Н. (май 1962 г.). «Астрономическая единица, определяемая радиолокационными отражениями от Венеры». Астрономический журнал . 67 (4): 191–203. Бибкод1962AJ…..67..191M . дои10.1086/108693 . Используя дальнейший анализ, это дает уточненную цифру149 598 845 ± 250 км .
11. ^ «Астероиды и кометы, обнаруженные радаром» . NASA/JPL Исследование астероидного радара . Проверено 25 апреля 2016 г. .
12. , Пуйя (апрель 2021 г.). «Космические телекоммуникации, как?». Сними . ТегеранТехнологический колледж гражданской авиации . 1 : 15, 16.

Метод триангуляции в астрономии

Определение

Космическая триангуляция — является способом построения геодезических сетей, в основе которого лежит определение относительного положения пунктов по одновременным наблюдениям с них искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Возможности космической триангуляции:

• определение координат удаленных пунктов;
• связывание местных геодезических сетей, которые отделяют друг от друга океаны и моря, в общую сеть;
• развитие сплошных сетей с целью обеспечить обширные территории общей координатной системой и создать сети пунктов с определенной плотностью.

Примечание

С 60-х годов XX века ученые в США практикуется построение геодезических сетей с помощью метода космической триангуляции. Таким образом, местные сети объединяют в общую глобальную геодезическую сеть. К 1977 году определение положения пунктов в этой системе становится более точным и характеризуется среднеквадратичной погрешностью в 3 метра (по координатам).

Пункты геодезической сети, которые построены на основе триангуляции, могут являться основой для исследований внешнего гравитационного поля и фигуры нашей планеты, а также применяются в космических навигационных системах. Данный метод реализуют с применением искусственных спутников Земли, которые обладают почти круглыми орбитами:

• при использовании отраженного от поверхности спутника солнечного света применяют пассивные ИСЗ;
• аппаратуру, подающую световые или радиосигналы с привязкой к системе точного времени, устанавливают на борту активных ИСЗ.

Искусственные спутники Земли оснащают уголковыми отражателями, с помощью которых проводят лазерно-дальномерные измерения. Аппаратура для наблюдения за ИСЗ отличается высокой точностью измерений. Востребованы оптические установки, благодаря которым достаточно просто получать фотографии спутников на фоне звездного неба. 

Первые измерения удаленности Земли от Солнца были выполнены Аристархом Самосским, который применил в исследованиях астрономические методы. Анализ данных его вычислений позволяет делать вывод о том, что радиус Земли примерно в семь раз меньше, чем радиус Солнца. Это заключение натолкнуло Аристарха Самосского на идею расположения Солнца в центре мира, как большего тела, чем Земля. Полученные греческим ученым результаты далеки от реальных параметров, но тенденция соответствует действительности.

Метод триангуляции первым применил Снеллиус в 1615 году, измеряя дуги меридиана в Голландии. С того времени в разных странах и на разных широтах было измерено множество дуг на поверхности Земли.

Пример

Метод триангуляции основан на ряде вычислений. Предположим, что имеется некая дуга \(O_{1}O_{2}\). Требуется вычислить ее длину. Около данной дуги имеются точки А, В, С, D, Е, …, удаленные приблизительно на 40 километров друг от друга. Рассматриваемые точки расположены, таким образом, чтобы из каждой просматривались, как минимум, пара других точек. В каждую точку монтируются геодезические вышки с платформами для наблюдения. В качестве базиса принимается отрезок \(O_{1}A\), соединяющий две точки и пролегающий по достаточно ровной поверхности. Длина этого базиса измеряется с максимальной точностью с применением мерной ленты. Далее наблюдателю с вышки необходимо определить углы треугольников  \(O_{1}AB\), ABC, BCD… Обладая информацией об углах и базисе треугольника \(O_{1}AB\), легко определить другие его стороны \(O_{1}B\) и АВ. Вычислив сторону АВ и углы треугольника АВС, можно найти стороны АС и ВС. Таким образом, пошагово определяют длину ломаной линии \(O_{1}BDO_{2}\). Вычислив из точки \(O_{1} \)азимут направления отрезка \(O_{1}A\), необходимо построить проекцию ломаной линии \(O_{1}BDO_{2}\) на меридиане \(O_{1}O_{2}\). В результате будут получены линейные размеры дуги \(O_{1}O_{2}\).

Наблюдаемые объекты

Планеты

Следующие планеты наблюдались с помощью радиолокационной астрономии:

• Марс — исследование почвы на предмет наличия воды и льда. С помощью космического зонда » Марс Экспресс » земля будет исследована радаром на глубину до пяти километров.
• Меркурий — измерение расстояния до земли, периода вращения и крупной структуры поверхности с большей точностью.
• Венера — первые радиолокационные исследования в 1960 году. Радиолокационная астрономия впервые позволила определить продолжительность ее вращения сначала с Земли, а затем с помощью зондов. Его поверхность также была нанесена на карту с помощью радиолокационных высотомеров на космических аппаратах, из которых зонд » Магеллан» был наиболее успешным.
• Луна — Первые радиолокационные исследования в 1945 году. Улучшено значение расстояния до земли (точность в сантиметрах).
• Система Юпитера
• Система Сатурна

Астероиды и кометы

Астероид (53319) 1999 JM ₈ : данные радара (вверху), полученная из них трехмерная модель (внизу) и ожидаемое радиолокационное эхо, рассчитанное из модели (в центре).

Техника радиолокационной астрономии также используется при изучении астероидов. Этот метод можно использовать для определения их положения, формы, размера и вращательных свойств. Поскольку лучи радара проникают в землю, их можно использовать для лучшего изучения состава поверхности. С помощью эхо-сигнала радара и его интерференционных свойств можно получить четкие изображения объекта.

Также кометы изучались радаром. Из-за технических трудностей и большого расстояния до многих комет количество комет, наблюдаемых радаром, невелико. К объектам, успешно наблюдаемым с помощью радара, относятся кометы Хиякутаке, Энке и Галлея .

Аппаратура для регистрации отраженного сигнала.

Чтобы сигнал наземного передатчика прошел сквозь ионосферу Земли, его излучение должно быть достаточно коротковолновым – короче 20 м. При прохождении сигнала от передатчика до объекта плотность его мощности уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Часть импульса отражается от объекта, и по пути к Земле его мощность вновь уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. В итоге энергия принятого радиоэха обратно пропорциональна четвертой степени расстояния до объекта. Вот почему радарные методы применимы лишь для ближайших тел Солнечной системы, но и при этом требуются очень мощные передатчики, гигантские антенны и сверхчувствительные приемники.

Учитывая, что время пути сигнала до планет велико, используют длинные импульсы, а полосу пропускания приемников делают широкой, поскольку из-за эффекта Доплера частотный диапазон отраженного сигнала оказывается сдвинутым за счет движения объекта и расширенным за счет его вращения (разные части вращающегося объекта движутся с разными лучевыми скоростями).

Радиолокационный метод в астрономии

Определение

Радиолокационная астрономия является разделом астрономии, в рамка которого изучают небесные тела с помощью отправки к ним зондирующего радиосигнала и анализа отраженного радиоэха.

В процессе исследований комплекс, включая передатчик, антенну и приемник, то есть радиолокатор или радар, размещают на нашей планете или устанавливают на космический аппарат. Радиолокационная астрономия отличается от радиоастрономии изучением не собственного радиоизлучения небесных тел, а отраженных от них сигналов.

Метод отличается удобством, так как при измерении времени, в течение которого сигнал преодолевает путь туда и обратно, можно достаточно точно рассчитать расстояние до объекта, а в зависимости от того, как изменяется частота сигнала легко определить скорость объекта по принципу Доплера. Однако из-за быстрого убывания мощности отраженного сигнала по мере увеличения расстояния, ученым удается исследовать радиолокационным методом только тела, расположенные в Солнечной системе.

В 1961 году исследователи в Англии, СССР и США практически в одно и то же время использовали локацию Венеры, чтобы измерить расстояние до нее. Повторный эксперимент в 1964 году позволили значительно увеличить точность измерений с погрешностью в несколько километров. Применение современных радаров позволяет проводить также локацию Солнца, Меркурия, Марса, Юпитера с галилеевыми спутниками, Сатурна с кольцами и спутником Титаном, астероидов и ядер комет. Далее небесные тела стали исследовать, применяя космические зонды. Однако локация все еще остается эффективным методом проведения астрономических исследований. К данной методике была добавлена лазерная локация Луны, при которой использовали отражатели оптических импульсов, размещенных на ее поверхности. Таким образом, можно регулярно определять расстояние между нашей планетой и Луной с точностью до 1 сантиметра, что помогает в изучении сложного относительного перемещения этих двух объектов.

Примечание

Самый крупный в мире радиотелескоп, диаметр которого составляет 305 метров, расположен в обсерватории Аресибо на острове Пуэрто-Рико.