Тема ВЕКТОР. Разработка перспективных бортовых систем и приборов, программно-аппаратных средств, создание  КА малой размерности для проведения космических исследований, реализации прикладных и образовательных программ.

Гос. регистрация №01.20.03 03422

 

Научный руководитель Родин В.Г.

 

Создание действующего образца СВЧ части скаттерометра мм диапазона

Целью этапа было создание микроволнового (диапазон частот 35-37 ГГц) скаттерометра, предназначенного для решения задач дистанционного зондирования атмосферы, морской поверхности и суши. Первый этап данного проекта был выполнен в период 1998-2000 годов в процессе выполнения контракта между ИКИ РАН и The Institute of Communications and Wave Propagation, Technical University, Graz, Austria. В результате выполненного контракта был создан когерентный радар в диапазоне 35 ГГц, предназначенный для дистанционного зондирования параметров схода лавин в Альпах. Основные результаты работы были опубликованы в [1].

В связи с постановкой новых задач дистанционного зондирования в мм диапазоне длин волн, а также вследствие появления новой элементной базы возникла потребность в создании когерентного радара с улучшенными параметрами и на современной элементной базе.

 

Структурная схема скаттерометра

На Рис.1 представлена структурная схема скаттерометра.

Рис.1. Структурная схема скаттерометра

СВЧ часть прибора состоит из передатчика и приемника, объединенных в моноблок, выделенный голубым цветом на Рис.1. Транзисторный задающий генератор передатчика стабилизирован высокодобротным объемным резонатором из инвара, и работает на частоте около 36 ГГц. Нагруженная добротность задающего генератора QL составляет величину порядка 104, что обеспечивает высокую стабильность частоты, порядка 1 ppm/degree, и низкие фазовые шумы, спектр которых изображен на Рис.2.

Рис.2. Спектр фазовых шумов задающего генератора

Из представленных результатов измерения спектральной плотности фазового шума задающего генератора следует, что величина фазового шума составляет -80 dBc/Hz @ 10 kHz.

Сигнал задающего генератора усиливается предварительным усилителем, и поступает на модулятор, выполненный, который позволяет сформировать импульс с длительностью от 10 ns, и с фронтом порядка 1 ns. После модулятора импульс передатчика усиливается выходным усилителем мощности, имеющим выходную мощность около 0,5 Вт. Скаттерометр может работать как в импульсном режиме (длительность импульса 10 ns и более), так и в непрерывном с выходной мощностью 0,5 Вт.

Приемник скаттерометра строится по супергетеродинной схеме с малошумящим усилителем на входе. Для реализации когерентного режима необходимо синхронизовать с точностью до фазы гетеродин приемника с задающим генератором. Для этой гетеродин приемника выполняется перестраиваемым напряжением (VCO) [2], и реализуется петля захвата фазы управляемого генератора от задающего генератора (PLL). PLL управляет частотой гетеродина приемника таким образом, что разность частот задающего генератора и VCO равняется 600 МГц, а флуктуация относительной фазы между этими связанными генераторами не превышает 0,3 градуса (rms). Разностная частота 600 МГц выделяется на смесителе сравнения, на который поступают сигналы задающего генератора и VCO, и используется для работы схемы PLL.

На входе приемника установлен малошумящий усилитель с коэффициентом шума 2 дБ. После усиления сигнал поступает на преобразователь частоты. Сигнал промежуточной частоты (центр 600 МГц) содержит информацию об исследуемом объекте, и используется для дальнейшей обработки. Предельное спектральное разрешение, которое может быть реализовано в приборе зависит от величины взаимных флуктуаций задающего генератора и VCO, т.е. от спектра разностной частоты. На Рис.3 представлен спектр разностной частоты двух генераторов, что является аппаратной функцией прибора, определяющей предельное частотное разрешение.

Рис.3. Аппаратная функция прибора, определяющая возможное частотное разрешение.

Как следует из Рис.3, ширина линии на частоте 600 МГц, составляет около 3 Гц, по уровню половинной мощности (-3 дБ), что равняется ширине аппаратной функции анализатора спектра. Таким образом, измерения показывают, что частотное разрешение радара менее 3 Гц (расчет дает величину менее 1 Гц), что позволяет измерять скорость движения исследуемого объекта с точность порядка 1 мм/сек.

Конструктивные особенности скаттерометра

СВЧ часть скаттерометра выполнена в виде единого моноблока, внешний вид которого представлен фотографии, Рис.4. На фотографии видны два волноводных окна – вход приемника и выход передатчика, объемный резонатор, сигнальные разъемы и контакты подачи питания.

         

Рис.4. Внешний вид СВЧ блока когерентного радара

Габаритные размеры СВЧ блока 100 х 60 х 30 мм. Сравнительно небольшие размеры СВЧ блока обусловлены применением современной элементной базы – монолитных интегральных схем ММ диапазона длин волн. Для иллюстрации на Рис.5 представлены фотографии различных частей СВЧ блока.

   

(а)                                           (б)                                          (в)

Рис.5. Отдельные узлы СВЧ моноблока: (а) – МШУ и сигнальный смеситель; (б) усилитель мощности; (в) – низкочастотная электроника на обратной стороне моноблока.

Предварительные испытания скаттерометра

Предварительные испытания СВЧ части скаттерометра проводились из окна здания ИКИ РАН путем измерения параметров отражения сигнала от атмосферных гидрометеоров. В качестве антенн были применены рупорные антенны с шириной диаграммы направленности около 10 градусов, в качестве анализирующего устройства применялся анализатор спектра FSEK-30.

На Рис.6. Представлена фотография момента измерения, а также характерный спектр «эхо» сигнала. Как видно из спектра «эхо» сигнала преобладают отрицательные скорости движения гидрометеоров, что связано с восходящим потоком воздуха около здания ИКИ РАН. Скорости восходящего потока порядка 1 м/сек. Наличие характерных частот в спектре скоростей является неустойчивым явлением, и объяснения пока не имеет. В большинстве случаев спектр скоростей является плавной кривой без резонансных пиков. Полученные зависимости приведены для иллюстрации работоспособности прибора и демонстрации возможности проведения физических измерений.

  

                   (а)                                                                  (б)

Рис.6.Момент испытаний СВЧ части (а), спектр «эхо» сигнал (б).

Основные результаты этапа

В результате выполненной в 2006 году работ по теме «ВЕКТОР», п. 6.2.2 был разработан, изготовлен и предварительно испытан макет скаттерометра на длине волны 8 мм. Исследования макета скаттерометра показали, что достигнутое частотное разрешение спектра «эхо» сигнала не хуже 1 Гц, что позволяет измерять скорости движения объектов с разрешением не хуже 1 мм/сек. Выходной усилитель скаттерометра обеспечивает непрерывную выходную мощность до 0,5 Вт, коэффициент шума приемника составляет около 2 дБ. Макет скаттерометра выполнен на современной элементной базе с использованием новейших монолитных интегральных микросхем ММ диапазона длин волн.

Проведенные предварительные натурные измерения доплеровских спектров восходящих воздушных потоков в окрестности здания ИКИ РАН продемонстрировали работоспособность макета скаттерометра.

Создание действующего образца приемника цифровой телеметрической информации.

Целью этапа было создание действующего образца приемника цифровой информации. Основным назначением приемника является прием научной и телеметрической информации по проекту «Радиоастрон». Особенности приемника следующие:

Структурная схема приемника цифровой информации.

На Рис.7 представлена структурная схема приемника цифровой информации.

Рис.7. Структурная схема QPSK приемника цифровой информации.

Устройство и работа приемника

·   На вход приемного блока поступает высокочастотный сигнал на частоте около 15000 МГц. При этом предполагается, что цифровая информация во входном сигнале закодирована на передающем конце методом квадратурной четырехпозиционной фазовой модуляции (QPSK) с подавленной несущей частотой.

·   В приемном блоке сигнал поступает на вход супергетеродинного приемника СВЧ приемного модуля, где усиливается и преобразовывается на промежуточную частоту около 1000 МГц.

·   Сигнал гетеродина приемника вырабатывает синтезатор частоты. В качестве опорной частоты синтезатора используется сигнал опорного кварцевого генератора. В качестве входного сигнала синтезатора используется сигнал промежуточной частоты приемника, но умноженный по частоте в четыре раза.  Подобная операция  подавляет фазовую модуляцию сигнала таким образом, что на выходе умножителя формируется переменное напряжение, синхронное с подавленной несущей частотой входного сигнала.

·   Сигнал промежуточной частоты с выхода приемника поступает на узел демодулятора 1. В демодуляторе 1 сигнал усиливается и разделяется на два канала. Сигнал первого канала умножается по частоте в четыре раза и, как сказано выше, поступает на вход синтезатора частоты гетеродина. Этот же сигнал после детектирования используется в системе автоматической регулировки усиления (АРУ) прибора. Сигнал второго направления поступает на вход квадратурного преобразователя частоты.

·   В качестве гетеродина квадратурного преобразователя частоты используется второй синтезатор частоты, работающий от  того же кварцевого генератора, что и синтезатор приемника. Использование единой опорной частоты в обоих гетеродинах дает возможность произвести когерентное преобразование входного сигнала.

·   Выходные аналоговые сигналы (I и Q) квадратурного преобразователя частоты усиливаются и поступают на выход демодулятора 1.

·   Выделение тактовой частоты и квадратурных цифровых сигналов модуляции производится в демодуляторе 2. С выхода демодулятора 2 цифровые информационные сигналы и цифровой сигнал тактовой частоты поступают на буферный мультиплексор - делитель, а с него на три независимых цифровых выхода прибора.

·   В результате работы прибора из входного модулированного QPSK сигнала формируются выходные цифровые сигналы:

а) квадратурные потоки декодированных данных "#I" и "#Q";

б) сигнал тактовой частоты ("#Т").

На Рис.8. представлена фотография СВЧ части приемника, выполненного по блок-схеме Рис.7.

Рис.8. Фотография СВЧ части приемника

Результаты испытаний приемника

 

1 Объект измерений: приемник

2. Условия измерений: нормальные климатические.

3  Примененные средства измерений:

3.1 Анализатор спектра FSEK-30 (Rhode&Scharz, Германия) № 1088.3494К35.

3.2  Генератор Е8247С (Agilent, США) № MY 43320728.

3.3  Аттенюатор поляризационный Д3-34А №043.

3.4 Осциллограф цифровой TDS 2012 (Tektronix, США) № С0321018.

 

Измерение СВЧ параметров приемника

Методика испытаний

Испытания проводились методом прямых измерений. В качестве измерителя мощности выходного сигнала использовался анализатор спектра FSEK-30. Электрическое питание измеряемый приемник получал по штатной схеме от стабилизатора приемного блока. Схема рабочего места приведена на рис.9.

 

4 Результаты измерений

 

Измеряемый параметр

Единица измерений

Измеренное значение

Диапазон рабочих частот по уровню -3 дБ

 

МГц

 

от 14700 до 15400

Коэффициент передачи

дБ

39

Изменение уровня шума при отключении входного усилителя

 

дБ

 

9

Выходная частота

МГц

1008

Уровень выходной мощности при компрессии 1 дБ

 

дБ/мВт

 

-2

Минимальный уровень входного сигнала, при котором обеспечивается захват частоты

 

дБ/мВт

 

-54

 

Испытания работоспособности приемника

Методика испытаний

Испытания проводились методом прямых измерений при уровне входной мощности -50 дБ/мВт. Захват частоты контролировался путем измерения значения промежуточной частоты на выходе и по штатным индикаторам захвата частоты. В качестве измерителя параметров выходного сигнала использовался анализатор спектра FSEK-30 и цифровой осциллограф TDS 2012. Электрическое питание измеряемый блок получал от сети переменного напряжения.

Схема рабочего места приведена на рис.10.

 

 

 

Результаты измерений

 

Измеряемый параметр

Единица измерений

Измеренное значение

Полоса захвата входной частоты

 

МГц

 

от 15069 до 15066

Наличие индикации захвата частоты индикаторами 1,2

 

Контроль индикации

 

Индицируется

Наличие индикации захвата частоты индикаторами «синхр.»

 

Контроль индикации

 

Индицируется

Восстановление тактовой частоты

 

Контроль синхронизма

 

Колебания синхронны

Выводы

Предварительные испытания показали работоспособность приемника цифровой информации и соответствие параметров приемника требованиям ТЗ.

 

1] A.S. Kosov, W. Randeu, H. Schreiber, Dmitri Sculachev, “Ka-band Radar, intended for avalanche detection and monitoring”, 30th European Microwave Conference, Paris, 3-7 October, 2000

[2] Kosov A.S., V.M. Vald-Perlov, Zotov V.A., Skulachev D. P., “The Ka-band VCO With Linear Tuning”, CrMiCo-2004, Sevastopol, Sept. 13-17, pp.106-107, 2004

 

Теоретические исследования вопросов создания вторично-эмиссионных радиоизотопных источников тока с высоким к.п.д. для использования в дальнем космосе и других приложениях__(шифр ’’Источник’’)

 

На основе имеющейся базы экспериментальных данных в 2006 году была продолжена разработка аналитических формул и графических зависимостей от энергии для характеристик заряженных частиц (тормозная способность, длина свободного пробега), требующихся при моделировании ион-электронной эмиссии (в частности, энергетических спектров ион-электронной эмиссии, порождаемой прохождением быстрых частиц через вещество) из тонких пленок бинарных токовых ячеек эмиттера вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока включая ее зависимость от величины поверхностного потенциального барьера для эмиттируемых электронов. В Акционерное общество, Научно-производственное предприятие ‘’БИАПОС’’ генеральному директору, ктн Пустовалову А.А. представлены предложения по требующемуся финансированию работ, направленных на создание вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока.  Предложения включают следующее.

            1. Экспериментальные исследования электронной эмиссии из различных пленок для оптимизации выбора материалов эмиттера батареи (толщины пленок порядка микрона) включая материалы с ОЭС (отрицательным электронным сродством).

            2. Создание одной токовой ячейки, измерения вольт-амперной характеристики при облучении от стандартного источника быстрых ионов.

            3. Проработки технологии изготовления токовых ячеек при толщинах пленок порядка 500 - 1000 ангстрем.

            4. Экспериментальные исследования и теоретические оценки оптимальных флюэнсов для потока альфа-частиц при длительной эксплуатации эмиттера, зависимости вольт-амперной характеристики от времени эксплуатации батареи. Теоретический анализ роли упругих отражений эмитированных электронов от соседних пленок в токовой ячейке.

            5. Разработка технического задания на изготовление демонстрационного образца батареи.

            6. Создание ориентированной базы данных по характеристиками взаимодействий альфа-частиц и сверхтепловых электронов с материалами пленок эмиттера (включая тормозные способности сред, пробеги частиц, аналитические аппроксимации данных).

            7. Теоретическое моделирование работы эмиттера с использованием ориентированной базы данных и разработанных исполнителями физических моделей.

            8. Изготовление демонстрационного образца эмиттера батареи, проведение его испытаний при облучении от стандартного источника быстрых ионов.

            9. Выработка рекомендаций по оптимизации рабочих характеристик эмиттера батареи и развитию технологии его изготовления для создания опытного образца с электрической мощностью порядка микроватт.

 

 

 

Разработка и создание прибора ССНИ-2 для КА «Спектр-Р

-                            Разработано программное обеспечение версии 0 прибора ССНИ-2.

-                            Проведены комплексные испытания приборов ММФФ, БМСВ и МЭП с прибором ССНИ-2 (с программным обеспечением версии 0).

-                            Изготовлены и проведена настройка узлов штатного образца прибора ССНИ-2: узлы приема данных от приборов БМСВ, ММФФ, МЭП; узел организации массовой памяти; узел приема УКСов от системы объекта; узел выдачи данных в телеметрическую систему объекта; узел вторичного питания.

-                            Разработано и отлажено приборное программное обеспечение версии 1 прибора ССНИ-2.

В рамках выполнения Технического задания на работу «Разработка и создание комплекса научной аппаратуры «ПЛАЗМА-Ф»»:

-                            Разработана, изготовлена и настроена микроконтроллерная плата БМСВ (двухпроцессорная управляющая плата, включающая 7 блоков АЦП / ЦАП с дублированным управлением для лабораторного, технологического и штатного образцов прибора БМСВ.

-                            Разработана управляющая программа для прибора БМСВ.

Разработаны, изготовлены и настроены  две однопроцессорные платы, включающие 6 блоков АЦП, для технологического образца прибора ММФФ

 

к.ф.-м.н. Чесалин Л.С.

 

Разработка и изготовление прибора ДПК для измерения параметров окружающей атмосферы на РС  МКС

Основной целью ОКР является создание штатного образца прибора ДПК, предназначенного для диагностики, контроля и мониторинга условий эксплуатации РС МКС в части окружающей среды – низкоэнергичных заряженных частиц. Данные измерений прибора могут быть использованы для комплексного исследования основных параметров ионосферной плазмы вдоль орбиты КА и решения следующих научных задач:

-        диагностических измерений параметров ионосферной плазмы с целью выявления аномальных явлений и характерных признаков изменений в ионосфере,

-        глобального мониторинга ионосферы с целью изучения как структуры и динамики ионосферы в целом, так и изучения отдельных физических процессов в ионосферной плазме,

-        комплексных исследований различных физических явлений в ионосфере во время особых периодов геомагнитно/гелиомагнитно возмущенных периодов.

Выполненные в 2006 году этапы:

Этап 4В1: Разработка и изготовление узлов ЛМ прибора ДПК. Обеспечение производства.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения проекта:

Разработаны и изготовлены узлы ЛМ прибора ДПК.

 

к.ф.-м.н. Афонин В.В., ведущий  по Блоку цифровой электроники и цифровым интерфейсам –  к.ф.-м.н. Чесалин Л.С.

 

 

Создание базовой платформы микроспутника «ЧИБИС» прикладного и научного назначения на основе современных технологий и разработок.

 

Выполнеы следующие работы:

‑ Проведены компановочные работы двух вариантов базовой платформы микроспутника «ЧИБИС» для прикладных задач и фундаментальных исследований.

‑ Разработаны технические задания и сделаны основные проработки на:

§  Систему электропитания,

§  Систему ориентации и стабилизации,

§  Систему командной радиолинии,

§  Систему дистанционного обслуживания космического аппарата,

‑Проведены работы по выявлению возмржности увеличения информативности

радиоканала передачи научной телеметрической информации с учетом перехода

наземного антенного приемного комплекса (г.Таруса) на диапазон частот 2,2 ГГц.

‑ Разработана эскизная документация на натурно-габаритно-массовый механический эквивалент отдельных систем базовой платформы микроспутника «ЧИБИС» (НГММЭ

МС»ЧИБИС»).

‑ Изготовлены отдельные образцы систем для лабораторно-отработочных испытаний.

‑ Закуплены отдельные материалы и комплектующие изделия для изготовления опытного образца МС»ЧИБИС».

 

Результаты этих работ доложены на двух международных конференциях.

 

 

 

 

Малая автономная Марсианская станция

Продолжена разработка служебных и научных приборов Марсианской мини-станции (ММС).

Назначение

            Проведение измерений на поверхности Марса сетью ММС: метеорологических, сейсмических, электромагнитных зондирований подповерхностных слоев.

Описание

            Аппаратура ММС  включает все приборы,  необходимые для обеспечения автономного функционирования  ММС.

            Конструкция ММС обеспечивает сохранение работоспособности на поверхности Марса во всем температурном диапазоне различных районов в период всего марсианского года. В холодный период ММС подогревается за счет радиоактивных источников тепла. При повышении температуры тепло сбрасывается наружу.

            В качестве первичных источников электричества используются радиоактивные термо-электро генераторы на основе Ри-238 и Солнечные панели.

            Радиосистема (передатчик, приемник и антенна) позволяет передавать на орбиту искусственного спутника Марса информацию со скоростью до 128 кб/с и принимать команды управления от орбитального аппарата – спутника Марса со скоростью до 32 бит/с.

            Конструкция и аппаратура ММС выдерживают ускорения при посадке до 500 g.

Основные характеристики

            Масса десантного модуля с ММС перед отделением от КА  – 18 кг, включает аэродинамический экран, надувные устройства, систему амортизации пенетраторного типа и собственно саму ММС.

д. ф.-м. н. Линкин В.М., gotlib@mx.iki.rssi.ru , 3332177