Радиолокационное дистанционное зондирование Марса, Фобоса и Луны

Подповерхностная радиолокация - один из немногих дистанционных методов, предназначенных для определения внутренней структуры приповерхностного слоя космических объектов Солнечной системы. Основное преимущество радиолокационного зондирования грунта с борта космического аппарата по сравнению с радиозондированием с поверхности заключается в возможности проведения глобального и систематического обследования верхнего слоя планет и их спутников. Препятствием для широкого внедрения методов радиолокационного зондирования при обследовании земных грунтов считается сильное поглощение радиоволн (в основном, из-за наличия влаги). По этой причине методы спутниковой подповерхностной радиолокации в первую очередь внедряются для изучения других тел Солнечной системы, вода на которых либо отсутствует (Фобос), либо находится в виде льда (кометы, Марс, спутники планет-гигантов, Луна). Ожидается, что в этом случае радиофизические методы окажутся более эффективными так как, при малом поглощении, существует возможность проникновения радиоволн в грунт на большие глубины и их отражения от внутренних границ. Кроме того, для исследования обезвоженных или вымороженных сред, потенциала прибора, даже при ограничениях на энергопотребление, оказывается достаточно для зондирования грунта с орбиты КА.
Методика постановки экспериментов и характеристики разрабатываемых приборов зависят как от физических условий (наличие или отсутствие ионосферы, шероховатость поверхности, требуемая глубина зондирования), так и от баллистической траектории космических аппаратов (КА) в момент проведения зондирования. В работе проведено сравнение методик планирования экспериментов по дистанционному радиолокационному зондированию Луны (прибор РЛК-Л в проекте Луна-Глоб), Марса (прибор МАРСИС в проекте Марс-Экспресс) и Фобоса (прибор ДПР в проекте Фобос-Грунт). Рассмотрены особенности функционирования приборов и обработки радиолокационных сигналов, используемых в этих проектах.
В проекте Луна-Глоб предполагается почти круговая орбита, при которой космический аппарат будет находиться на расстоянии около 200 км от поверхности Луны. Для обеспечения оптимального соотношения сигнал/шум высокой разрешающей способности по глубине необходимо сигнал с большой длительностью и широкой полосой. Этим условиям соответствует ЛЧМ сигнал с длительностью 250 мкс и полосой 5 МГц на частоте 20 МГц. Для повышения разрешения будет также использоваться радар с полосой 50 МГц на частоте 200 МГц. Эти два радара должны обеспечить разрешение по глубине от единиц до десятков метров. Отсутствие ионосферы у Луны позволяет проводить зондирование на любых участках траектории орбиты КА.
В проекте Марс-Экспресс орбита КА сильно эллиптическая к тому же наличие ионосферы приводит к поглощению и искажению радиосигнала, поэтому эксперименты по зондированию грунта Марса запланированы на ночной стороне, где влияние ионосферы меньше и на дальностях, не превышающих 1000 км. Минимальная высота обиты КА в перицентре составляет 300 км, что позволило использовать сигнал ЛЧМ с длительностью 250 мкс. Полоса сигнала 1 МГц позволила достичь разрешающей способности 75 м в вакууме (и порядка 30 м в грунте). После обработки полученных данных был обнаружен слой, который по измеренному значению диэлектрической проницаемости идентифицировался как многокилометровый слой льда на поверхности грунта Марса. Результаты анализа данных сотрудниками ИРЭ им.В.А.Котельникова РАН полностью совпадают с результатами, полученными в НАСА.
В миссии Фобос-Грунт высота КА над поверхностью Фобоса меняется в широких пределах: от 100 км практически до нуля, к тому же энергопотребление существенно ограничено, поэтому при разработке прибора ДПР, предназначенного для радиолокационного зондирования грунта Фобоса, было принято решение использовать фазокодоманипулированный сигнал на основе М-последовательности (псевдослучайной последовательности. Разрешающая способность прибора ДПР определяется длительностью единичного подимпульса (27 нс), что составляет 4 м в вакууме или 2-3 м в грунте. Преимущества радара ДПР: малый вес (3.5 кг вместе с антенной), малое энергопотребление (7 Вт), автоматическое определение дальности на высотах более 1 км.
Проект выполнен при финансовой поддержке программы ОФН РАН «Плазменные процессы в Солнечной системе» и «Радиофизические исследования окружающей среды и человека».