Анализ факторов, влияющих на точность координатных измерений

Основные причины, ограничивающие координатную точность при наблюдениях на радиотелескопе, следующие:

• неповторяемость ориентации электрической оси системы от наблюдения к наблюдению;
• недостаточно высокое отношение сигнал / шум (при наблюдении слабых радиоисточников);
• ``дрожание" изображения объекта.

Рассмотрим каждую из этих причин в отдельности.

1.

Ошибка в положении ДН антенны на небе определяется как ошибками установки главного и вторичного зеркал радиотелескопа, так и ошибкой установки первичного облучателя в электрическую ось системы ``главное зеркало +вторичное зеркало". В настоящее время на РАТАН-600 реализованы два метода, позволяющие заметно уменьшить этот тип ошибок.

Один из них - автоколлимационный метод установки первичного облучателя в электрическую ось системы ``главное зеркало +вторичное зеркало" по двум вертикальным элементам главного зеркала (Пинчук, Стоцкий 1978). Этот метод позволяет устанавливать первичный облучатель в электрическую ось с точностью порядка 0.1-0.2 мм, что соответствует ошибке в определении прямых восхождений (при наблюдении в меридиане), равной 0.1-0.3''(Афанасьева и др. 1979). В варианте автоколлимационного метода, реализованном на сегодняшний день, в электрическую ось выставляется первичный рупор юстировочного приемника. Далее, по известному расстоянию между рабочим и юстировочными рупорами, механическим перемещением рабочий облучатель выставляется в электрическую ось. Таким образом, добавляются дополнительные ошибки, обусловленные точностью механической установки, а также разным законом облучения юстировочного и рабочего рупоров. Дальнейшее повышение точности возможно, если для автоколлимации использовать один и тот же первичный облучатель, что и для наблюдений.

Другая возможность - использование в наблюдениях метода ``неподвижного фокуса" (Соболева и др. 1986). Суть метода в следующем. Вторичное зеркало и первичный облучатель закрепляются в определенном положении, меняется положение только главного зеркала. Таким способом можно проводить наблюдения исследуемого и опорных объектов при неподвижном состоянии системы ``вторичное зеркало+первичный облучатель", меняя лишь форму главного зеркала. Ошибка же из-за неточной установки главного зеркала будет несущественной, поскольку усреднится по всем элементам сектора (около 200). Допустимое использование этого метода зависит от высоты источника над горизонтом: разность высот опорного и сследуемого объекта может меняться от нескольких десятков угловых минут до нескольких десятков градусов. Подробнее об этом методе наблюдений см. у Соболевой и др.

2.

Ограничение на координатную точность, обусловленную недостаточным отношением сигнал / шум, можно оценить по следующей формуле (Липовка, Стоцкий, 1972):

$$\varepsilon _n = \frac{1}{2} \frac{\Delta T_n}{T_c} \theta _{0.5},$$

где: $\Delta T_n$ - флуктуационная чуствительность радиотелескопа; T_c - антенная температура наблюдаемого радиоисточника; $\theta _{0.5}$ - ширина ДН по уровню 0.5.

Как видно из этой формулы, для уменьшения величины ошибки необходимо уменьшать общую шумовую температуру радиотелескопа, увеличивать эффективную площадь и время накопления сигнала. Для увеличения времени накопления сигнала от наблюдаемого объекта на РАТАН-600 применяется метод скольжения, основанный на сопровождении движения изображения источника вдоль фокальной линии вторичного зеркала перемещением первичного облучателя (Мингалиев и др. 1985). Более подробно использование метода скольжения для координатных измерений описано у Афанасьевой и др. (1985).

3.

Эффект ``дрожания" радиоизображения есть результат флуктуации фазы волны на неоднородностях атмосферы, особенно при прохождении ее через тропосферу (Татарский 1976). Тот факт, что на работу антенны существенно влияют лишь флуктуации общего набега фазы, позволяет описывать этот эффект единственной интегральной характеристикой - структурной функцией электрической длины пути в тропосфере. По экспериментальным данным пространственная структурная функция, определяемая при изменении вдоль трасс, расположенных на расстоянии $\Delta \rho$, аппроксимируется функцией^6.1 (Татарский 1976; Есепкина и др. 1973)

$$D_l(\Delta\rho) = C^2_l\Delta\rho^{\frac{5}{3}},$$

где C_l -- структурный коэффициент, который равен 0.00001-0.00005 см $^{\frac{1}{6}}$. Из D_l определяется среднеквадратичное отклонение положения центра тяжести ДН (т.е. ошибка в определении координаты, обусловленная наличием турбулентной тропосферы):

$$\varepsilon_\alpha = K[D_l(\Delta\rho)]^{\frac{1}{2}}/\Delta\rho,$$

где K - коэффициент порядка единицы, зависящий от формы апертуры и амплитудного распределения поля на апертуре. Или, подставляя D_l, имеем:

$$\varepsilon_\alpha = C_l\Delta\rho^{-\frac{1}{6}},$$

здесь K полагаем равным единице (Липовка, Стоцкий 1972; Татарский 1976; Есепкина и др. 1973). Как видно отсюда, в первом приближении координатная точность не зависит ни от длины волны, ни от размеров базы в широком диапазоне значений. Подставляя реальные значения базы для радиотелескопа РАТАН-600, мы получаем $\varepsilon_\alpha \simeq 0.3-1.5''$. Такого порядка точность реализуется и на практике при координатных измерениях на РАТАН-600 (см., например, у Афанасьевой и др.(1979)).

Таким образом, и теория и практика наблюдений на РАТАН-600 показывают, что ошибка координатных измерений из-за эфекта "дрожания" не может заметно превосходить величины порядка 1''.

Однако в работе (Altenhoff et al. 1987) описывались случаи ``аномальной рефракции", обнаруженные при наблюдениях на миллиметровых волнах с 30-метровым параболоидом IRAM и сантиметровых волнах со 100-метровым параболоидом в Эффельсберге. Как писали авторы, изображение смещалось (``выбрасывалось" из ДН) вплоть до 40''. Это сообщение и послужило поводом к обобщению результатов координатных измерений на РАТАН-600 и оценки возможного вклада ``аномальной рефракции" в общую ошибку определения координат. Ниже приводятся результаты специальных наблюдений, проведенных автором под руководством Мингалиева М.Г., так и результаты координатных измерений прошлых лет.