Российские ученые из Института прикладной астрономии (ИПА) РАН создали новую систему определения точных наземных координат, которая учитывает неравномерность вращения Земли и отклонения формы планеты от геометрии шара. Точность определения координат до 1 мм обеспечивают три одинаковых радиотелескопа с диаметром зеркал в 13 метров, расположенные в разных частях страны и связанные суперкомпьютером. Они образуют единый научный прибор – интерферометр (измерительный прибор, действие которого основано на явлении интерференции). Это устройство обладает самым большим в мире быстродействием и способно получать точные координаты в режиме реального времени. Инструмент заработает в штатном режиме с 4 декабря 2020 года – после ввода в эксплуатацию третьего радиотелескопа, построенного за четыре года в обсерватории «Светлое» в Ленинградской области, сообщает газета «Ведомости».
Российская навигационная система, помимо собственно спутниковой группировки, также располагает развитым наземным сегментом управления ГЛОНАСС, который на сегодня почти полностью расположен на территории России. Он включает в себя:
- центр управления системой;
- пять центров телеметрии, слежения и управления;
- два лазерных дальномерных станции;
- десять контрольно-измерительных станций;
- три радиотелескопа из обсерваторий «Светлое», «Зеленчукская» (Карачаево-Черкесия) и «Бадары» (Бурятия).
Обработка данных
Рекордное быстродействие российскому интерферометру обеспечивает оригинальное техническое решение в области обработки данных. Информация с синхронно работающих радиотелескопов передается на программный коррелятор, представляющий собой суперкомпьютер. Значительная часть его процессоров – графические. «Мы впервые использовали графические процессорные устройства. Часть вычислительных процессов перенесены на вспомогательные устройства, развившиеся из видеокарт. Сейчас западные разработчики тоже используют наши наработки», – сообщил «Известиям» заведующий лабораторией корреляционной обработки ИПА РАН Игорь Суркис.
Три радиотелескопа в обсерваториях «Зеленчукская» (Карачаево-Черкесия), «Бадары» (Бурятия) и «Светлое» (Ленинградская область), образующие на карте России треугольник со сторонами в 2015, 4282 и 4405 км, синхронно наводятся на один из квазаров – самых дальних объектов известной землянам части Вселенной. В процессе работы для каждой пары станций суперкомпьютер выполняет «корреляцию»: накладывает сигналы квазара, записанные на станциях, друг на друга с учетом смещений, вызванных вращением Земли, и вычисляет задержку – разность времени прихода радиосигнала от квазара на станции. Точность вычисления задержки составляет единицы-десятки пикосекунд (одна пикосекунда составляет одну триллионную секунды). По полученным задержкам выполняется построение систем координат.
Точно фиксировать такие малые отрезки времени позволяют водородные эталоны времени, имеющиеся в каждой из трех обсерваторий, где расположены радиотелескопы. Координаты радиотелескопов, установленных на массивных бетонных основаниях, нужно постоянно уточнять, потому что они меняются из-за подвижности земной коры.
С помощью видеокарт на экран выводятся синхронизированные кривые радиосигналов. Они видны в форме характерных пиков. Ресурсы системы позволяют обрабатывать потоки данных до 16 Гбит/с от станции, суммарно – 48 Гбит/с от трех станций, а максимальная пропускная способность системы – 96 Гбит/с. То есть можно одновременно принимать и обрабатывать сигнал от шести радиотелескопов.
Большая тройка
Первые два радиотелескопа были построены в 2014 («Бадары») и 2015 («Зеленчукская») годах, однако полноформатной система смогла стать лишь с введением в эксплуатацию третьего радиотелескопа, поскольку речь идет о координатах не на условной плоскости, а в трехмерном пространстве. Для построения карты любого объекта нужно три синхронных замера с трех максимально удаленных друг от друга точек.
«Три точки необходимы для работы с трехмерным объектом. Но даже три телескопа маловато. Мы планируем расширить возможности системы за счет строительства четвертого телескопа на площадке Уссурийской астрофизической обсерватории ИПА РАН, недавно вошедшей в состав нашего института», – сообщил научный руководитель ИПА РАН Александр Ипатов. По его предварительным оценкам, строительство четвертого телескопа может занять около четырех лет.
Также ИПА РАН начал переговоры с кубинским Институтом радиофизики и астрономии о строительстве еще одного российского радиотелескопа на Кубе.
Проект «Квазар-КВО»
До создания сети 13-метровых радиотелескопов задачи получения точных координат выполняла система из трех 32-метровых телескопов, расположенных в тех же обсерваториях, однако они устарели.
«После ввода в действие новой системы старые 32-метровые радиотелескопы будут переключены на наблюдение за космическими объектами, а новые телескопы станут выполнять прикладные задачи. Точные данные о координатах и времени требуются для работы всех гаджетов, для обеспечения работы российской глобальной навигационной системы ГЛОНАСС, для определения движения материков с большой точностью, а также в сфере безопасности», – рассказал «Известиям» Владимир Богод, главный научный сотрудник Специальной астрофизической обсерватории, член комиссии по приемке 13-метрового радиотелескопа в обсерватории «Светлое».
Проектирование и развертывание интерферометров для получения точных данных о координатах и времени ведется в России 30 лет в рамках проекта «Квазар». Он начал разрабатываться в недрах Специальной астрофизической обсерватории, предполагал строительство 12 32-метровых телескопов и должен был обеспечить страну собственной фундаментальной системой координат с точностью до 3 см. Затем из-за экономических трудностей и распада СССР число антенн сократилось до девяти, а потом и до шести (часть радиотелескопов планировалось строить на территории бывших союзных республик). В итоге в начале 2000-х годов было построено три 32-метровых радиотелескопа.
Новые же 13-метровые радиотелескопы – логическое продолжение и развитие «Квазара», они создаются в рамках проекта «Квазар-КВО» (КВО – координатно-временное обеспечение). Требования к точности координат повысились до 1 мм. Изменилась «начинка» антенн с учетом быстрого развития радиоэлектроники, а также был выбран оптимальный размер зеркала, позволяющий сохранять форму без деформации. Также 13-метровые телескопы быстро перенастраиваются и могут отслеживать до 100 объектов в сутки. «Комплексы «Квазар» и «Квазар-КВО» – самые крупные научные инструменты, созданные в российской астрономии за последние 50 лет», – отметил вице-президент РАН, академик Юрий Балега.
