2.6. Развитие исследовательской, конструкторской, опытно-экспериментальной базы научного космического приборостроения и методов экспериментальной физики

Тема ИСПЫТАТЕЛЬ Развитие исследовательской, конструкторской, опытно-экспериментальной базы научного космического приборостроения.

Научный руководитель Родин В.Г. 333-44-12, rodinmir@iki.rssi.ru

По данной теме работы велись в следующих направлениях:

1. Развитие и реализация программы модернизации конструкторской, производственной и испытательной базы ИКИ РАН.

По этому подразделу выполнены следующие работы:

Организована локальная сеть на базе стандартных средств на следующих участках КИС: группа ЭМС, климатики, автоматизации с сервером для хранения данных по испытаниям с входом по сети Интернет.

Разработаны веб-страницы с информацией о КИС-е для размещения на сайте ИКИ РАН.

Проведена аттестация измерительного оборудования для проведения испытаний. И подготовка к выпуску, совместно с разработчиками научных приборов программ и методик проведения испытаний.

2. Разработка и реализация программы модернизации конструкторской, производственной и испытательной базы СКБ КП ИКИ РАН.

По этому подразделу выполнены следующие работы:

Создана и отлажена аппаратная часть двух компьютерных рабочих станций для трехмерного проектирования аппаратуры и устройств текущих и будущих проектов

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

Научный руководитель Родин В.Г. 333-44-12, rodinmir@iki.rssi.ru

По данной теме работы велись в следующих направлениях:

6.1. Создание действующего образца многоканального синтезатора частоты сантиметрового диапазона и действующего образца приемопередающего модуля миллиметрового диапазона на базе монолитных интегральных схем

По этому подразделу выполнены намеченные работы и получены следующие результаты:

.

Создание элементов малогабаритных синтезаторов частоты см диапазона

Интерферометрия со сверхбольшой базой (VLBI) предполагает применение высокостабильных стандартов частоты и гетеродинов с малыми фазовыми шумами. Радиоинтерферометр, создаваемый по проекту «Радиоастрон», имеет в своем составе наземный приемник в диапазоне частот 18 – 25 ГГц. Гетеродин приемника в диапазоне 17-24 ГГц формируется путем удвоением частоты одного из 8-ми генераторов, работающих в диапазоне 8 – 12 ГГц. Рабочие частоты генераторов гетеродина приведены в Таблице.

Рабочие частоты гетеродина.

№ канала	Частота, МГц
1	8360
2	8840
3	9320
4	9800
5.1	10232
5.2	10248
5.3	10264
5.4	10280
6	10760
7	11240
8	11740

План частот гетеродина, представленный в Таблице, предполагает возможность работы на 11 частотах. Первые четыре частоты гетеродина (№1-4) различаются на 480 МГц, следующие 4 частоты различаются на 16 МГц (№ 5.1-5.4), последние три частоты (№ 6-8) различаются на 480 и 500 МГц.

Сигнал гетеродина предполагается использовать в преобразователе частоты приемника после удвоения частоты.

Допустимая величина флуктуации фазы сигнала гетеродина на удвоенной частоте составляет величину порядка 1 градуса. В настоящее время имеется необходимая элементная база, позволяющая реализовать гетеродин в соответствие с планом частот Табл.1 и с уровнем флуктуации фазы около 0,5 градуса для генераторов в диапазоне 8 – 12 ГГц. Для создания гетеродина было использовано 8 независимых генераторов, работающих в схеме фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и сумматор мощности. Для уменьшения фазовых шумов управляемых напряжением генераторов (ГУН) были применены биполярные транзисторы с гетеропереходом на материале SiGe типа BFP620F и диэлектрические резонаторы (ДР) с добротностью порядка 10⁴. Схема ФАПЧ строилась на базе микросхем синтезаторов частоты, производства Analog Devices. Частотные точки №1-4, №6-8 выполнялись отдельными генераторами с использованием микросхем синтезаторов ADF4106, имеющих уровень шума (noise floor) –219 dBc/Hz. Частотные точки №5.1-5.4 выполнялись одним генератором. В качестве синтезатора применялась микросхема с дробным делением типа ADF4153, имеющая уровень шума –213 dBc/Hz.

Основой опорного генератора является генератор, управляемы по частоте напряжением (ГУН), выполненный на SiGe НВТ типа BFP620F, который имеет малый уровень шумов на малых частотах, что позволяет получить малый уровень фазового шума генератора. Опорный генератор строился по схеме с последовательной обратной связью, диэлектрический резонатор (ДР) связан с микрополосковой линией, соединенной с базой транзистора. Собственная добротность ДР около 10⁴. Управление частотой генератора осуществлялось варактором, который с связывался с полем ДР отрезком микрополосковой линии. Буферный каскад на микросхеме NBB-310 увеличивает мощность до уровня около 20 мВт и развязывает ГУН от нагрузки.

Диапазон электронной перестройки генератора равняется около 1%. Уровень собственных шумов ГУН составляет –110 dBc/Hz на частоте 10 кГц, характерная частота фликкер шума (flicker corner) равняется 10 кГц. Выполненные расчеты показывают, что при работе петли ФАПЧ минимальный уровень флуктуации фазы достигается при полосе фильтра ФАПЧ в 2 кГц и составляют 0.5 и 0.7 градуса для синтезаторов на ADF4106 и ADF4153 соответственно. Эта величина в основном определяется шумами упомянутых выше микросхем, вклад шумов ГУН составляет около 5%.

Ширина полосы фильтра петли имеет значение около 2 кГц (расчетная величина). Уровень шума внутри петли составляет около -75 dBc/Hz, что близко к расчетной величине (-78 dBc/Hz). Фазовая ошибка (интеграл от фазовых шумов) составляет около 0,5 градуса, что обеспечивает допустимую величину фазовой ошибки (порядка 1 градуса) на частоте гетеродина (после удвоения частоты)

Восемь отдельных генераторов данного типа были объединены в общую конструкцию. Был применен сумматор на мостах Вилкинсона с дополнительным усилителем для объединения сигналов отдельных генераторов.

Для управления частотой синтезатора было создано специальное устройство управление. Устройство управления позволяет по команде, поданной с персонального компьютера, включать одну из частотных точек. Мощность гетеродина на выходе сумматора составляла около 10 мВт.

Ширина полосы анализатора спектра при измерениях составляла 1 кГц. Поэтому, для пересчета данных на рисунке к величине спектральной плотности на 1 Гц полосы частот, следует из приведенных данных вычесть 30 дБ. Таким образом, можно видеть, что на частоте, отстоящей от несущей на 10 кГц, уровень фазовых шумов составляет порядка минус 70 дБ.

Создание элементов приемопередающих систем миллиметрового диапазона на базе монолитных интегральных схем.

Для современных средства цифровой связи СВЧ диапазона требуются малогабаритные приемо-передающие устройства, надежно работающие в широком диапазоне внешних условий. Применение подобные средства находят как для наземных пунктов приема и передачи информации (стационарных и передвижных), так и для организации радиорелейных линий между летательными аппаратами и землей, а также между летательными аппаратами. Реализации этих требований возможна с использованием современных интегральных схем СВЧ диапазона. В рамках темы «Вектор» был создан действующие образцы приемо-передающих модулей СВЧ диапазона.

Приемо-передающие модули (ППМ) предназначены для работы в составе радиорелейного оборудования. ППМ предназначен для приема и генерации сигнала.

ППМ выполняется в виде единой конструкции с двумя выходными волноводами сечением 7,2 х 3,4 мм. В ППМ используются бескорпусные полупроводниковые приборы, монолитные интегральные усилители и транзисторы.

6.2. Построение упрощенных аналитических и численных моделей для вычисления энергетических спектров вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ) со свободными параметрами, моделирование ВЭЭ и на этой основе анализ характеристик генерации тока в эмиттере радиоизотопной батареи.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения работы.

На основе имеющейся базы экспериментальных данных в 2005 году была продолжена разработка аналитических формул, 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 ЦНИИМАШ представлены предложения по требующемуся финансированию работ, направленных на создание вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока. Подготовлен и подписан договор о научно-техническом сотрудничестве по радиационной электронике (исследования проблемы радиоизотопных источников тока для космических приложений) с ННЦ ²Харьковский физико-технический институт² НАНУ.

Публикации

1. Балебанов В.М., Ерохин Н.С., Зольникова Н.Н., Михайловская Л.А. Моделирование энергетических спектров ион-электронной эмиссии из тонких пленок радиоизотопного источника тока. – Препринт ИКИ РАН, 2006 г., 20 с.

2. Балебанов В.М., Ерохин Н.С. Радиоизотопная батарея нового типа для космических приложений.. Доклад на международной конференции ²Современные проблемы физики и астрофизики², Тбилиси, 19-21 сентября 2005 г.

6.3. Разработка бортового процессора для космического эксперимента (Униборт).

Выполненные этапы:

Этап 1: Разработка РД на функциональные узлы прибора ДПК и согласование интерфейсных параметров.

Этап 2: Разработка ТЗ на КИА ДПК. Разработка конструкторской документации (КД) на КИА.

Этап 4а: Корректировка ТЗ на прибор ДПК. Изготовление узлов лабораторного макета (ЛМ).

Этап 4б: Изготовление узлов ЛМ и разработка структуры базового ПО прибора ДПК.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения проекта.

Определен состав прибора ДПК:

- блок питания,

- блок аналоговой электроники,

- блок цифровой электроники,

- блок цифровых интерфейсов.

Разработана РД на узлы прибора ДПК. Определен тип электронных компонентов, применяемых в приборе ДПК и КИА ДПК. Разработана функциональная схема прибора ДПК.

6.4. Разработка инвестиционных предложений (техническая записка и бизнес-план по созданию и запуску на ГСО малых спутников связи нового поколения.

Проведен подробный зондаж разрабатывающих предприятиях и ответственных органах, Общее мнение, что данная работа должна быть продолжена. И имеет определенные шансы на успех.

В дополнении к намеченному пункту ответственным за данный участок работы был выполнен ряд работ по пункту 6.2., что отражено в их совместных публикациях.

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

По данному разделу были выполнены следующие работы:

¨ Разработана рабочая компоновка базовой платформы;

¨ Определен облик служебных систем:

- система ориентации и управления;

- система энергопитания;

- система сбора информации;

- радиосистема

¨ Определены требования к наземному пункту приема информации и управления;

¨ Разработан эскизный проект базовой платформы микроспутника;

¨ Изготовлен конструкторский макет микроспутника «Чибис»;

¨ Согласованы интерфейсы между научными приборами микроспутника «Чибис» и базовой платформой.

Результаты работы доложены на трех международных конференциях по микроспутникам, доклады опубликованы в соответствующих изданиях.

6.6. Разработка эскизной документации на комплекс научной аппаратуры для микроспутника «Чибис»

Основные результаты, полученные в ходе выполнения работы:

Разработаны ТЗ на приборы, входящие в комплекс научной аппаратуры, и эскизный проект на комплекс научной аппаратуры.

6.7. Разработка принципов и структурных схем автоматизированной системы электромеханических испытаний приборов высокоточных малогабаритных КА и автономных средств функционирования.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения работ данного раздела.

Проведена оценка влияния различных источников вибровозмущения на динамику космического аппарата.

Были проведено моделирование и анализ полученных результатов.

Из полученных результатов, можно сделать следующий вывод: при воздействии возмущений (дисбаланс на ДМ прототипе) на ГИВУСе максимальное значение амплитуды углового ускорения составляет 1.57Е-02 рад/сек² на частоте колебаний конструкции 11.95 Гц. Максимальное значение амплитуды угловой скорости на ГИВУСе составляет 2.10Е-04 рад/сек на частоте 19.99 Гц.

Анализ максимальных значений показал, что из двух прецизионных приборов ГИВУС, наибольшие угловые ускорения () и угловые скорости () возникают - на ГИВУС-е. Числовые значения величин, в зависимости вида возмущений, приведены ниже.

Реакция на моменты от ДМ по командам СОУС: ГИВУС - =8.54۰10^-03 град/сек²; =2.05۰10^-04 град/сек

Реакция на воздействия от ДМ (результаты испытаний прототипа): ГИВУС - = 8.54۰10^-03 град/сек² (11.95 Гц); =2.05۰10^-04 град/сек(11.95Гц)

Реакция на воздействия от ДМ (теоретический расчет по остаточному дисбалансу): ГИВУС - =4.21 град/сек²(42.9 Гц); =1.56۰10^-02 град/сек (42.9 Гц)

6.8. Развитие техники помехоустойчивого кодирования на базе многопороговых алгоритмов, ориентированных на каналы с большим уровнем шума.( Использование методов многопорогового декодирования в задачах исследования космоса)

По данному разделу были проведены следующие работы:

1. Исследование энергетических характеристик алгоритмов многопорогового декодирования, предназначенных для аппаратной реализации.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения работы.

В соответствии с рассмотренными методами многопорогового декодирования (МПД) проанализированы вопросы сложности их реализации. Показано, что число операций декодирования в пересчёте на один бит данных может быть на 1-2 десятичных порядка меньшим, чем у ряда других алгоритмов с сопоставимой сложностью реализации.

Рассмотрены особенности как программной, так и аппаратной реализации алгоритмов МПД. На основании макетирования МПД декодера на ПЛИС Xilinx типа Spartan-2 подтверждена возможность его высокосортной реализации для решения задачи декодирования данных от систем передачи цифровой информации в комплексах дистанционного зондирования Земли.

Продолжен анализ условий эффективного применения МПД алгоритмов в области канала, близкой к пропускной способность канала. Эти методы во многих случаях столь же эффективны, как и оптимальные переборные процедуры декодирования, оставаясь в то же время простейшими по сложности мажоритарными схемами с линейной от длины кода сложностью реализации. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно для реализации МПД декодеров для длинных кодов, когда даже квадратичная от длины кода сложность исправления ошибок оказывается неприемлемой для конкретных высокоскоростных систем связи.

Построены новые типы схем каскадирования при помехоустойчивом кодировании цифровых данных в каналах с большим уровнем шума. Для этих схем сделаны оценки эффективности и проведено моделирования работы алгоритма, которые показали хорошее соответствие теоретических оценок и результатов эксперимента.

2. Демонстрация возможностей разработанной технологии.

Разработан демонстрационный стенд для контроля характеристик свёрточных МПД декодеров с большим энергетическим выигрышем, созданных на базе ПЛИС Xilinx . На нём подтверждены высокие характеристики МПД декодера на этой ПЛИС, созданного при участии ИКИ. Данные характеристики по совокупности параметров энергетического выигрыша и производительности недостижимы для любых других алгоритмов декодирования. Эта ПЛИС полностью решает всё задачи, относящиеся к повышению достоверности передачи данных при дистанционном зондировании Земли и к дальней космической связи на ближайшие 5-7 лет.

Продолжены работы по развитию специализированного двуязычного веб-сайта ИКИ РАН www.mtdbest.iki.rssi.ru , на котором представлены материалы научного и учебного плана по методам помехоустойчивого кодирования.

Другие результаты выполнения данной работы:

Внедрённые в промышленность методы помехоустойчивого кодирования в отчетном году оценены премией Правительства России. Ответственный исполнитель данной работы является награжденным данной премией в соавторстве.

На конкурсе научных работ сотрудников ИКИ РАН 2005 г. цикл работ по помехоустойчивому кодированию (пункт 6.8. отчета) и сжатию данных (по теме ИНТЕЛЛЕКТ) В.Ф.Бабкина и В.В.Золотарёва решением Учёного совета ИКИ удостоен премии Института.

В.В.Золотарев является руководителем гранта РФФИ №90024-05-07, выполняемого на базе ИКИ РАН.