Разведчики внешних планет. Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее

Как это делается: доплеровские измерения

Скорость электромагнитной волны постоянна и не зависит от скоростей источника и приемника, а вот ее частота будет отлична от частоты передатчика, если лучевая скорость – проекция относительной скорости движения на направление до источника – не равна нулю. Это и называется эффектом Доплера.

В первом приближении изменение частоты Δf = f ∙ v/c, где v – лучевая скорость, f – частота передатчика, c – скорость света. При удалении источника частота снижается так же, как у звуковых сигналов в быту. Поскольку приемник находится на движущейся и вращающейся Земле, а источник – на движущемся КА, величина Δf все время плавно и предсказуемо изменяется. В случае если КА проводит коррекцию траектории, быстрый дополнительный сдвиг частоты четко проявляется на графике принимаемого сигнала.

Космические аппараты оснащаются высокостабильными генераторами сигнала с заданной частотой, что в принципе позволяет проводить односторонние доплеровские измерения. Однако на практике невозможно определить, как изменяются реальные характеристики бортового передатчика в ходе длительного полета, поэтому точность такого метода невелика.

Двусторонний доплеровский режим, еще называемый каскадным или когерентным, также возможен – и он был реализован на «Пионерах» и затем на «Вояджерах». В этом режиме частота бортового передатчика синтезируется на борту исходя из принимаемой частоты сигнала путем умножения на стандартную константу – для S-диапазона она равна 240/221. При этом доплеровский сдвиг удваивается, зато исходная и полученная частоты фиксируются с равной степенью точности, и погрешность измерений резко снижается – вплоть до 1 мм/с лучевой скорости и лучше.

Доплеровские измерения используются для определения параметров траектории и для прогноза условий последующих сеансов связи и управления.

7 марта на расстоянии 4 млн км от Земли провели первую коррекцию траектории полета. Цель операции – скомпенсировать ошибку выведения и обеспечить прибытие к Юпитеру в выбранный день, с правильной стороны и с ошибкой точки прицеливания в B-плоскости не более 25 000 км. По результатам измерений и моделирования требуемое приращение скорости составляло 13,45 м/с, но отработать его одним импульсом не получалось, так как для этого пришлось бы отвернуть ось КА от направления на Землю на угол 76°, и был риск потери связи через антенну MGA. Пришлось запланировать два последовательных разнонаправленных импульса с семичасовым интервалом. Первый проводился с предельно допустимым отклонением оси на 45°, он начался в 12:20, продолжался 487 секунд и дал приращение скорости 18,46 м/с на разгон. Второе включение, уже с ориентацией оси на Землю, выполнили в 19:31 на 256 секунд и получили 9,03 м/с на торможение. Векторная сумма двух импульсов оказалась близка к требуемой – 13,6 м/с. Время прибытия к цели приблизилось на девять часов.