Проблемы распределения частот для радиоастрономии

По ряду своих особенностей радиоастрономия отличается от большинства служб, использующих радиочастотный спектр. Радиоастрономия является пассивной службой, занимающейся только приемом данных. Пассивное зондирование используют и некоторые другие службы, такие как служба спутникового исследования Земли.

Радиоастрономические сигналы очень слабые, их плотность потока мощности на несколько порядков (на десятки децибел) ниже тех, которые используются большинством других служб. Высокочувствительные приемные системы, которые требуются для радиоастрономии, очень подвержены влиянию помех. Эта уязвимость еще усиливается за счет природы космических сигналов. Большинство сигналов имеют вид случайного шума без характерной модуляции, которая позволила бы выделять их на фоне других сигналов. Совместное использование полос частот с активными службами затруднительно. Как правило, оно возможно лишь в тех случаях, когда нет прямой видимости между радиоастрономической антенной и передатчиком, работающим в той же полосе частот. Еще одной проблемой являются нежелательные излучения, которые создаются в радиоастрономической полосе частот активными службами, работающими в других полосах. Эта проблема обостряется с ростом использования методов широкополосной цифровой модуляции, ультраширокой полосы и расширения спектра. Широкомасштабное использование нелицензированных беспроводных устройств, в частности смартфонов, планшетов или портативных компьютеров, которые могут беспрепятственно оказаться в зоне поблизости от радиотелескопа, еще более усугубляет эту проблему. Все эти факторы представляют собой потенциальную угрозу для радиоастрономии, и защита только при помощи распределения частот является недостаточной, чтобы гарантировать проведение радиоастрономических наблюдений без помех.

Радиоастрономы не всегда могут произвольно выбирать частоты для своей работы. Многие изучаемые ими космические сигналы имеют вид спектральных линий, охватывающих ограниченный диапазон частот. Эти линии генерируются на характеристических частотах, связанных с переходами между квантованными энергетическими состояниями атомов или молекул. Поэтому для наблюдения этих линий необходимо произвести распределения на конкретных частотах. Распределения для многих из наиболее важных линий были проведены в прошлом, когда спектр радиочастот не так интенсивно использовался другими службами. Сегодня продолжают обнаруживать новые важные линии, и многие из них не попадают в распределенные полосы. Для спектральных линий далеких галактик наблюдаемые частоты, которые обычно попадают в полосы частот радиоастрономии, могут смещаться из этой полосы за счет эффекта Доплера в связи с большой скоростью движения галактик относительно Земли. Поэтому потенциальный научный интерес представляют практически все части радиочастотного спектра. Однако в связи с распределением для активных служб наблюдения на многих частотах бывают крайне затруднены и даже невозможны. В некоторых случаях можно свести к минимуму помехи с помощью подходящего выбора места для телескопов или определенных периодов времени для наблюдения. Желательно было бы получить дополнительные распределения частот для радиоастрономии, однако по ряду причин реализовать это затруднительно. На каждой ВКР разрабатываются проект повестки дня для следующей конференции и предварительная повестка дня для еще одной последующей конференции. Таким образом, даже в наиболее благоприятном случае каждый пункт, перед тем как попасть в повестку дня конференции, требует значительного времени и усилий на подготовку. Администрации вносят предложения по будущим пунктам повестки дня. При этом, как правило, администрации выбирают те предложения, которые, по их мнению, в наибольшей степени отвечают национальным интересам. Таким образом, более высокий приоритет может быть отдан другим службам. Даже если пункт повестки дня, относящийся к радиоастрономии, поддерживается администрациями, проявляющими интерес к данной науке, в МСЭ, где большинство решений принимается на основе консенсуса, таких администраций относительно мало.

В связи с большими трудностями, возникающими для радиоастрономов при совместном использовании частот с активными службами, и невозможностью произвольного выбора частот радиоастрономия с трудом вписывается в систему распределений частот и регламентирования. Тем не менее к пассивным службам относятся с уважением не в последнюю очередь потому, что наборы полос частот, распределенные радиоастрономической службе, позволили сделать целый ряд важных научных открытий и по-прежнему жизненно необходимы для существования этой службы.

Ссылки

Gergely, T. [2002] World Radiocommunication Conferences in “Spectrum Management for Radio Astronomy; proceedings of the IUCAF summer school held at Green Bank, W. VA, June 9-14, 2002, Eds. B. M. Lewis and D. T. Emerson, Charlottesville, VA.

ГЛАВА 2

Характеристики радиоастрономической службы

Радиоастрономическая служба

Радиоастрономия и радиоастрономическая служба (РАС) определяются в пп. 13 и 58 Статьи 1 РР как астрономия, основанная на приеме радиоволн космического происхождения. В сумме эти космические излучения создают космический фоновый шум для технических средств связи. Поскольку радиоастрономия является пассивной службой, она не использует передачу радиоволн в распределенных для нее полосах, таким образом использование этих полос не создает помех любой другой службе. С другой стороны, крайне слабые сигналы космического радиоизлучения по сравнению с интенсивностью осуществляемой руками человека передачи делает радиоастрономические наблюдения очень чувствительными к помехам от других служб радиосвязи. В настоящее время радиоастрономия использует электромагнитный спектр на частотах от значений ниже 1 МГц до приблизительно 1000 ГГц, при этом ограничения диапазона связаны в первую очередь с доступностью технологий. В принципе для РАС научный интерес представляет весь спектр радиочастот.

Радиоастрономия появилась в 1932 году, когда Карл Г. Янски обнаружил существование радиоволн внеземного происхождения [Jansky, 1935]; и сегодня она является общепризнанной и важной частью наблюдательной астрономии. Если говорить о Солнечной системе, радиоастрономия пополнила багаж наших знаний о Солнце (например, о физических процессах, ответственных за радиоизлучение плазмы), планетах и межпланетном пространстве. В более крупном масштабе исследования космических источников радиоизлучения, проводимые на многих частотах, позволяют получить информацию о межзвездных газовых облаках и образовании в них звезд, межзвездных магнитных полях, структуре и эволюции галактик и космологических параметрах Вселенной в целом. С другой стороны, спектральные линии изучения атомов и молекул на собственных частотах информируют нас о составе, движении и физических характеристиках межзвездных газовых облаков. Значительная часть информации, полученной методами радиоастрономии, уникальна и доступна только на основе приема радиоволн. Так, например, атомарный нейтральный водород (HI), базовый элемент Вселенной, может быть обнаружен только по линии радиоизлучения на частоте 1420 МГц, а его распределение и перемещение может быть изучено только путем измерения интенсивности и доплеровских сдвигов этого излучения.

При исследовании космических источников радиоизлучения радиоастрономы измеряют все свойства электромагнитного излучения. К ним относятся интенсивность, частота, поляризация, направление (положение на небосводе), а также временные отклонения этих параметров. Плотность потока мощности космического радиоизлучения у поверхности Земли, как правило, невелика. В большинстве случаев эти излучения соответствуют характеристикам случайного шума. Исключениями являются: a) импульсные излучения от пульсаров с предельно регулярными периодами; b) межпланетные и ионосферные сцинтилляции радиоисточников малого диаметра; c) нерегулярные вспышки некоторых звезд (в том числе Солнца); d) изменения в масштабе месяцев некоторых источников радиоизлучения, включая эффекты, связанные с вспышками гамма-излучений; и e) изменения, связанные с планетой Юпитер. Лучшее время для наблюдения источников радиоизлучения обычно определяется природными явлениями, такими как положение источника на небосводе и вращение Земли. В отличие от случая активных (передающих) служб, радиоастрономы не могут изменять ни характер принимаемого сигнала, ни его излучаемую мощность. Сигнал также не может кодироваться для повышения вероятности его обнаружения. Обзор по радиоастрономии, включая приборы, основные результаты и астрофизическую интерпретацию, см. в работе [Burke and Graham-Smith, 2002].