GNSS-спутники превратили небо в калибратор диаграммы радиотелескопа
У радиотелескопа есть неприятная привычка путать небо с самим собой. Антенна принимает яркий галактический фон через главный лепесток, боковые лепестки и провалы между ними; для космологии на линии нейтрального водорода 21 см даже малая ошибка формы этого узора превращается в систематическую ошибку. Нужен источник с известным направлением, который обойдёт антенну по большой части небесной полусферы. Такой источник уже летает над площадкой десятками экземпляров.
Спутник проходит через луч по расписанию
Спутник GNSS передаёт в L-диапазоне, его положение во времени известно по эфемеридам, а сигнал несёт собственный псевдослучайный PRN-код. Приёмник коррелирует поток IQ с кодом конкретного спутника и получает его C/N0 как функцию направления. Пока аппарат проходит по небу, он прочерчивает сечение диаграммы. Много проходов разных GPS, Galileo и ГЛОНАСС-сателлитов постепенно заполняют карту. Сам сигнал создавался для навигации, однако его кодовая структура превращает спутник в различимый движущийся радиомаяк.
Новая работа Shronim Tiwari для задач 21-см космологии переносит этот тракт с готового GNSS-приёмника на GNSS-SDR и GNU Radio. Сырым IF или IQ можно управлять на уровне корреляторов, каналов и фильтрации, а затем размножить обработку на множество элементов антенной решётки. Именно эта часть важна для телескопа из сотен одинаковых приёмных трактов: измеритель диаграммы становится частью SDR-инфраструктуры, а не отдельным закрытым прибором. На конференции показаны предварительные карты; открытый код автор обещает после завершения документации.
SDR-тракт вместо готового навигационного приёмника
Заявленные ранее до 80 dB динамического диапазона относятся к отдельной демонстрации на u-blox ZED-F9P. Приписывать эту цифру нынешнему GNU Radio-пайплайну пока нельзя: для него не опубликованы методика измерения, шумовой пол после корреляции, режимы AGC и защита от перегрузки. В таком диапазоне мощности любая нелинейность фронтенда, соседний спутник или неверно вычтенный фон способны нарисовать убедительный, но ложный боковой лепесток.
Физика метода уже получила независимую экспериментальную опору. В опубликованной работе с установкой D3A за примерно трое суток зарегистрировали 85 проходов GPS, Galileo и ГЛОНАСС на L1. Наилучшая разница между двумя проходами в главном лепестке составила 0.56 dB-Hz. Это измерение относительной формы луча, а не абсолютного усиления антенны: уровень на выходе содержит также диаграмму передающей антенны спутника и его мощность в данном направлении.
Карта формы, а не эталон мощности
У метода есть вполне земные слабости. Сильный GNSS-сигнал способен насытить приёмник в главном лепестке, пересекающиеся трассы спутников загрязняют измерения боковых лепестков, а для абсолютной калибровки нужна вспомогательная антенна, следящая за передающей диаграммой спутника. Зато дальняя зона здесь приходит готовой: для L1 спутник примерно в 20 000 km от Земли годится как дальнеполевый источник для баз до 45 km. Небо перестаёт быть недоступной частью измерительной установки и само медленно сканирует телескоп.