Космическая «соната» радиотехников

Космос — это не только запуск спутников и станций на орбиту, их обслуживание, а ещё и наука, связь, навигация, телекоммуникация и т.д. Сразу несколько институтов в структуре СФУ имеют космическую специализацию. В их числе — Институт инженерной физики и радиоэлектроники. Поскольку именно на территории нашего края находится крупнейший в России разработчик искусственных спутников Земли АО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнёва», логично, что это предприятие является одним из основных партнёров университета в исследованиях, связанных с космосом.

Ставка на «БИС»

В настоящее время только две спутниковые системы обеспечивают полное и бесперебойное покрытие земного шара — российская ГЛОНАСС и американская GPS. Около 15 лет назад по заказу АО «ИСС» в СФУ приступили к созданию сети беззапросных измерительных станций (сокращённо — БИС), которая располагается на территории России и принимает сигналы спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС. После математической обработки полученной информации можно определить местоположение спутника с погрешностью в несколько сантиметров. Изначально проектом руководил профессор Владимир Иванович КОКОРИН. После его смерти дело продолжил заведующий кафедрой радиотехники, кандидат технических наук, профессор Юрий Петрович САЛОМАТОВ.

— Станции развёрнуты, эксплуатируются, и точность определения местоположения спутников за эти годы существенно повысилась, — рассказывает доцент кафедры радиотехники ИИФиРЭ, кандидат технических наук Марат ВАЛИХАНОВ. — В последние годы существенно изменилась аппаратура, и все вычисления стали проводиться с большей скоростью. Плюс системы ГЛОНАСС в том, что со временем появляется возможность принимать гораздо больше сигналов. Если раньше существовал всего один диапазон, и можно было с каждого спутника принять только по одному сигналу или максимум по два, то сейчас — три, а в перспективе — ещё больше.

За счёт этого мы сейчас можем серьёзно конкурировать с американской системой. Наши станции принимают сигналы ГЛОНАСС и GPS, а после модернизации смогут принимать и сигналы от европейской системы «Galileo» и китайской «Beidou».

Сейчас в институте работает команда под руководством кандидата технических наук Александра Геннадьевича АНДРЕЕВА — доцента кафедры радиоэлектронных систем. Группа разрабатывает приёмники (на фото внизу) и современные имитаторы навигационных сигналов. Несколько образцов приёмников, работающих в трёх диапазонах системы ГЛОНАСС L1/L2/L3, уже переданы заказчику. Коллектив Андреева разрабатывает не только аппаратную часть приборов, но и программную.

Антенна в решётку

Второе крупное направление «для космоса» — это антенная техника и устройства. Специализируется на этом лаборатория антенн и техники СВЧ ИИФиРЭ.

— Любой приёмник-передатчик навигационного сигнала спутнику без антенны не функционален, — говорит кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехники Василий ПАНЬКО. — Совместно с АО «ИСС» наш коллектив сейчас занимается довольно крупной научно-исследовательской работой — применяем и испытываем на спутниках так называемые отражательные антенные решётки, чтобы сформировать контурную диаграмму направленности. Дело в том, что когда геостационарный спутник находится на орбите, то весь земной шар как бы лежит под ним внизу. И космический аппарат должен передавать сигнал не на всю площадь Земли, а прицельно, на определённую территорию, в частности Российской Федерации. Зачем, допустим, подавать сигналы в Тихий океан, если там нет абонентов? Значит, нужно с помощью антенны создать определённую контурную область покрытия, куда сигнал со спутника будет гарантированно попадать, и при этом сэкономить мощность.

Естественно, данное направление не новое, и все спутники оснащены контурными диаграммами. До сих пор область покрытия формировалась с помощью зеркальных антенн, внешне напоминающих обычные параболические, которые мы видим на улицах.

Отражательная антенная решетка для  спутниковой связи

Отражательная антенная решетка для спутниковой связи

У отражательных антенных решёток есть ряд технических преимуществ. Первое состоит в том, что наша антенна в отличие от обычного зеркала — плоская, а во-вторых, она позволяет более гибко формировать контурную диаграмму. Если у нас всё получится, то надеемся впоследствии эти антенны серийно выпускать и устанавливать на космических аппаратах.

В настоящее время над этим направлением трудится не один коллектив в мире, и каждый идёт по своему собственному пути. Многое ещё предстоит исследовать и изучить.

Сложно, но возможно

— На кафедре радиотехники есть ещё несколько перспективных разработок, связанных с антенной темой, — добавляет В. Панько. — Приведу такой пример: геостационарный спутник, передающий сигналы спутникового телевидения или связи, всегда находится в одной и той же точке неба над нами. Соответственно, все антенны, которые с ним работают, наводятся в одну точку и должны именно в этом положении стоять. Причём требуется большая точность наведения, ведь если на несколько градусов отклониться в сторону — связь потеряется. В последнее время всё чаще возникает потребность в таких антеннах и спутниковых приёмниках на подвижных носителях, которые перемещаются произвольным образом. При движении носителя антенна тоже должна непрерывно менять своё положение.

— Как в компасе стрелка?

— Ещё сложнее, потому что не только по азимуту, но и по углу необходимо отслеживать местоположение — машина ведь может не только повернуть, но и наклониться, к примеру. И ещё: передавать информацию нужно оперативно, поскольку носитель едет быстро. Соответственно, требуются новые антенные системы — целый комплекс, включающий в себя и антенну, и устройство по слежению за спутником.

Тут могут быть разные решения. Простейшее — зеркальная антенна, то есть «тарелка», установленная на какой-то привод и способная вращаться. Но есть минус — большие размеры. Если поместить её на крышу автомобиля, получится нечто огромное, что мешает движению и увеличивает сопротивление воздуха. Заказчик же заинтересован в уменьшении размера, но при этом не должны пострадать характеристики.

Есть несколько путей решения проблемы — они все сложные, но возможные. Поиском оптимального варианта мы сейчас и занимаемся.

Особенно это важно для России, потому что в нашей стране множество удалённых малонаселённых территорий, а все геостационарные спутники находятся над экватором, где антенна ориентирована в зенит, и проблем нет. Но если переместиться к полюсу, на высокие широты, спутник относительно Земли становится всё ниже к горизонту. Получается, что сектор обзора для российских реалий разный — на юге всё хорошо, а на северных территориях — наоборот.

Готовых решений, которые бы обеспечивали широкоугольное сканирование, пока нет. Но мы активно над этим работаем, и есть уже не только идеи, но и готовые макеты, показывающие, что проблема вполне решаема.

Лунная «дорожка»

Возобновление исследования Луны, прерванного в 1976 году, по Российской лунной программе запланировано на 2019 год. Институт инженерной физики и радиоэлектроники СФУ вносит свою лепту в осуществление программы.

— Для работы на Луне потребуются автоматизированные системы. Например, луноходы. Необходимо будет обеспечить их навигацией, чтобы они могли выполнять какие-то функции и передвигаться в заданном направлении, — поясняет М. Валиханов. — Если говорить о более серьёзном применении машин, то предстоит развернуть спутниковую и наземную системы навигации. Данная тема стала для нашего коллектива предметом нового интересного исследования. Понятно, что Луна находится достаточно далеко, и весь наземный навигационный комплекс перенести туда просто нереально. Думаю, здесь появится множество необычных новых решений, не тех, что мы уже применяем на Земле.

Тему продолжает В. Панько:

— Сейчас ждём техническое задание от АО «ИСС». В том, что задуманное удастся реализовать, сомнений нет, и мы рассчитываем на перспективу — два-три года. Причём задача требует не только теоретического исследования, но и опытно-конструкторской разработки (изготовления действующих образцов, принятия технических решений, подготовки документации), на что, как правило, уходит больше времени и сил.

Кстати, новые антенны тоже будут задействованы, поскольку расстояния до Луны очень большие.

Для сравнения — обычный спутник ГЛОНАСС удалён от Земли на 19 тысяч км, а Луна — на расстояние 450 тысяч км, что в 20 раз больше. Естественно, уровень сигнала, который может добраться до Луны, гораздо меньше, и тут придётся использовать более направленные антенны, чтобы слабый сигнал принять и усилить. Особенно это актуально в связи с тем, что Луна всё время обращена к Земле одной стороной, а предстоит работать и с противоположной.

Уже много лет СФУ сотрудничает с Центром космической связи «Железногорск» (филиалом ФГОУП «Космическая связь»). В плане совместной работы на 2018 год — испытания отражательной антенной решётки и двухдиапазонного облучателя, научные семинары, написание совместных научных статей, организация и участие в XXI Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» и другое.

Непочатый край

В Институте инженерной физики и радиоэлектроники не только разрабатывают аппаратуру, антенны для обслуживания космической отрасли, но и пишут собственное, специализированное программное обеспечение. Создан работоспособный коллектив программистов — средний возраст до 35 лет. Многие из них кандидаты наук. В основном разработки ведутся по заказу АО «ИСС» под операционную систему «Astra Linux».

— Это каждодневная кропотливая работа с базой данных, поиск технических и программных решений. Всю информацию необходимо принять, обработать, сохранить, а это непрерывный процесс, который должен продолжаться 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году и в течение, допустим, десяти лет, — резюмирует В. Панько. — Задача состоит в том, чтобы создать рабочую документацию, разработать собственное программное обеспечение, начинить его и отдать заказчику.

Одним из заказчиков и партнёров СФУ является также старейший вуз страны — Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ». Совместно с ним красноярские учёные выполняют несколько научно-исследовательских работ.

Космическая тема объединила наш университет и с томской троицей — ТУСУР, ТПУ, ТГУ. Весной 2019 года именно в Томске будет проходить Сибирская конференция по управлению и связи «Sibcon», одним из организаторов которой уже много лет выступает СФУ.

Вера КИРИЧЕНКО