РКС 2021 1

РКС РОССИЙСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Научно-технический журнал РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И  ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Том 8. Выпуск 1. 2021



РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2021, том 8, выпуск 1, c. 3–10 КОСМИЧЕСКИЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ. РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ УДК 62-932.2 DOI 10.30894/issn2409-0239.2021.8.1.3.10 Тенденции совершенствования межспутниковой радиолинии системы ГЛОНАСС Р. В. Бакитько, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Д. А. Астахов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация М. В. Моисеев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Р. Ф. Салахов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Рассматривается построение аппаратуры межспутниковых радиолиний (МРЛ) расширенной системы ГЛОНАСС сле- дующего поколения, включающей высокоорбитальный космический комплекс (ВКК). Анализируются пути повышения энергети- ческого потенциала и точностных характеристик в двух вариантах: совместимом и не совместимом с существующей системой. Рассматриваются два этапа развития межспутниковых радиолиний. На первом этапе создается межспутниковая радиоли- ния с увеличенным на 8 дБ энергетическим потенциалом (среднескоростная), совместимая с действующей и обеспечивающая увеличение средней скорости передачи данных до 700 бит/с и уменьшение погрешности измерения псевдодальности до 10 см/с. На втором этапе создается межспутниковая радиолиния с увеличенным на 16 дБ энергетическим потенциалом (высоко- скоростная), независимая от действующей и обеспечивающая увеличение средней скорости передачи данных до 20 000 бит/с и уменьшение погрешности измерения псевдодальности до 3 см/с. Оба варианта реализуются на основе активной антенной фазированной решетки (АФАР). Обсуждается вопрос организа- ции связи между навигационными космическими аппаратами с помощью узких лучей. Приводятся структурные схемы двух вариантов аппаратуры с АФАР в двух частотных диапазонах: S и X. Ключевые слова: глобальные навигационные спутниковые системы, ГЛОНАСС, межспутниковая радиолиния, энергетический потенциал радиолинии Trends to Improve the Inter-Satellite Radio Link of the GLONASS System R. V. Bakit’ko, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation D. A. Astakhov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation M. V. Moiseyev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation R. F. Salakhov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The paper considers the construction of the inter-satellite radio links (ISRLs) hardware of the expanded next generation GLONASS system including the high-orbit space complex. Ways of increasing the energy potential and accuracy characteristics are analyzed in two variants: compatible and incompatible with the existing system. Two stages of the ISRL development are considered. At the first stage the ISRL is created with power potential increased by 8 dB (medium-speed) compatible with the current one and providing an increase in the average data rate up to 700 bps and decrease of a pseudorange measurement error up to 10 cm/s. At the second stage the ISRL is created with power potential (high-speed) increased by 16 dB independent of the current one and providing an increase in the average data rate up to 20,000 bps and decrease of a pseudorange measurement error up to 3 cm/s. Both options are based on the active phased array antenna (APAR). The issue of organizing communication between navigation spacecraft using narrow beams is discussed. The structural diagrams of two hardware variants with the APAR in two frequency bands S and X are given. Keywords: global navigation satellite systems, GLONASS, inter-satellite radio link, energy potential of a radio link

4 Р. В. БАКИТЬКО, Д. А. АСТАХОВ, М. В. МОИСЕЕВ, Р. Ф. САЛАХОВ В системе ГЛОНАСС функционирует межспут- Далее для сокращения вводится параметр P G, никовая радиолиния (МРЛ), имеющая ограничен- характеризующий эквивалентную мощность с уче- ную пропускную способность и невысокую точность том коэффициентов усиления передающей и при- измерения межспутниковых расстояний — псевдо- емной антенн: дальностей. Актуальной является задача увеличе- ния пропускной способности на порядок и снижения P G = Pпер + Gпер + Gпрм. (2) погрешности измерений в 3–4 раза [1] в условиях ограничения по излучаемой мощности. Этого мож- Для обеспечения задаваемого порогового по- но достигнуть при увеличении энергопотенциала тенциала Hп он должен быть равен: радиолинии в 6–8 раз. Единственный путь дости- жения этой цели — использование многоэлемент- P G = Hп + Lпотерь + N0 − Lраспр. (3) ных антенных систем с большим коэффициентом усиления, но с узкой диаграммой направленности. При N0 = −204 дБ/Гц и Lпотерь = 2 дБ В действующей МРЛ системы ГЛОНАСС P G = Hп − 202 дБ/Гц − Lраспр, (4) средний измеренный по разным парам навигацион- Lраспр = (λ/4D)2, ных космических аппаратов (НКА) энергетический потенциал составляет 38 дБ/Гц. При таком энерге- где D — расстояние между КА (м), тическом потенциале обеспечена средняя скорость передачи данных около 100 бит/с и погрешность λ — длина волны (м). измерения псевдодальности 30 см/с. В табл. 1 приведены требуемые значения P G Рассматриваются два этапа развития МРЛ. для двух значений Hп при D = 4,71·107 м для трех На первом этапе создается МРЛ с увеличен- значений длины волны λ. ным на 8 дБ энергетическим потенциалом (средне- скоростная), совместимая с действующей и обеспе- Т а б л и ц а 1. Требуемые значения P G чивающая увеличение средней скорости передачи данных до 700 бит/с или в импульсном режиме Hп λ1 = 1,36 ×· λ2 = 3,75 ×· λ3 = 2,00 ×· передачи при скважности 5 (кратковременная) — 3500 бит/с и уменьшение погрешности измерения × 10−1 м × 10−2 м × 10−2 м псевдодальности до 10 см/с. На втором этапе создается МРЛ с увели- 46 дБ/Гц +39,8 дБ +51,0 дБ +56,5 дБ ченным на 16 дБ энергетическим потенциалом (высокоскоростная), независимая от действующей 54 дБ/Гц +47,8 дБ +59,0 дБ +64,5 дБ и обеспечивающая увеличение средней скорости передачи данных до 20 000 бит/с и уменьшение по- Для сопоставления: в действующей МРЛ P G = грешности измерения псевдодальности до 3 см/с. = 26,5 дБ, что соответствует результатам летных В действующей МРЛ используются достаточ- испытаний [1]. Ширина диаграммы Δθ и диаметр d но эффективные помехоустойчивое кодирование и алгоритм измерения навигационных параметров. антенн, имеющих требуемое значение коэффици- Поэтому остается только путь увеличения энер- гетического потенциала. Причем достигнуть этого ента усиления при одинаковых приемной и переда- необходимо без увеличения энергетических затрат. ющей антеннах (Gпер = Gпрм), рассчитаны по фор- На первом этапе необходимо увеличить энергети- мулам [2]: ческий потенциал до 46 дБ/Гц и на втором этапе — до 54 дБ/Гц. Δθ = 30 000 , (5) Энергетический потенциал (дБ) радиолинии G (6) определяется известным выражением [2]: d = λ · √ H = Pпер + Gпер + Gпрм − Lпотерь − N0 + Lраспр. (1) π 2G. Мощности передатчиков для каждого значе- ния длины волны приняты разными в соответствии с реализуемостью на отечественной электронно- компонентной базе (ЭКБ). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

ТЕНДЕНЦИИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕЖСПУТНИКОВОЙ РАДИОЛИНИИ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС 5 Т а б л и ц а 2. Параметры антенн Коэффициент усиления антенны связан с ши- риной диаграммы направленности по двум сечени- Параметр λ1 = 1,36×· λ2 = 3,75×· λ3 = 2,00×· ям Δθ1 и Δθ2 приблизительным соотношением [2] × 10−1 м × 10−2 м × 10−2 м Мощность Pпер, 19 16 13 G = 30 000 . (7) Δθ1 · Δθ2 дБВт Коэффициент 10,4/14,4 17,5/21,5 21,8/25,8 К примеру, антенна действующей МРЛ имеет: усиления G, дБ 55,0/28,0 20,6/11,5 15,2/8,5 Δθ1 = 30◦, Δθ2 = 360◦. 0,19/0,33 0,14/0,25 0,10/0,18 Ширина диа- Соответственно из (7) имеем: G1 = 2,8 (4,5 дБ), граммы Δθ, ◦ что совпадает с реальным значением. Диаметр d, м Если вместо одной 360-градусной приемной антенны установить N приемных антенн с ши- Результаты расчета приведены в табл. 2 для риной диаграммы 360/N , перекрывающих тот же значений Hп = 46 дБ/54 дБ. сектор, то каждая антенна в своем секторе будет иметь усиление N · G1. Из табл. 2 следует, что во всех диапазонах диа- грамма направленности оказывается у´же пределов Сигналы антенн нельзя суммировать, а необ- изменения углов визирования НКА, которые в груп- ходимо каждый обрабатывать отдельным приемни- пировке ГЛОНАСС достигают 160◦. Это означает, ком. Для передающей антенны такой подход невоз- что надо устанавливать несколько антенн либо наво- можен, так как придется устанавливать N передат- дить антенну. В случае использования управляемых чиков, что на практике нереализуемо. антенн предпочтение надо отдать диапазону Ku. Антенна меньше, а необходимая точность наведения На этой основе построена представленная антенны при ширине диаграммы направленности 7◦ ниже модификация МРЛ-С для нового поколения составляет около 2◦, что реализуемо. НКА ГЛОНАСС (с КА «Глонасс-К2-М» № 27): Далее обсуждаются два варианта построения – прием/передача с временным разделением МРЛ: среднескоростной с энергетическим потен- на одной несущей частоте 2212,5 МГц. циалом 46 дБ и высокоскоростной — с потенциа- лом 54 дБ. Переключение режима производится по жест- кой временной циклограмме. Рассматриваются две Среднескоростной вариант совместим с дей- циклограммы для каждого НКА: ствующей МРЛ и является ее развитием. Как по- казано в [1], каждый НКА должен взаимодей- 1) 5 с — передача, 15 с прием (20 с) как ствовать с другими НКА группировки в пределах в БАМИ для работы со «старыми» НКА; 30–90◦ относительно направления на центр Земли (ось X НКА) и 360◦ — в горизонтальной плоско- 2) 3 с — передача, 9 с прием (12 с); при работе сти. В действующей МРЛ этот сектор перекрыва- новых НКА; ется приемной и передающей антеннами с усиле- нием в максимуме при β = 40◦ 4,5 дБ каждая, т. е. – прием каждым НКА одновременно всех из- Gпер + Gпрм = 9 дБ. лучающих НКА в углах 37–90◦ относительно на- правления на центр Земли (оси ); Для получения произведения коэффициентов усиления передающей и приемной антенн в том же – скорость передачи данных: секторе 20,8 дБ (см. табл. 2) необходимо либо уве- личить усиление каждой на 5,9 дБ, либо увели- 1) между «новыми» НКА — 700 бит/с средняя чить усиление только приемной антенны до зна- (кратковременная 3500 бит/с); чения 16,3 дБ. Последнее реализовать проще, ис- пользуя несколько отдельных приемных антенн. 2) между «новым» и «старым» НКА — 100 бит/с (кратковременная 500 бит/с); – погрешность измерения псевдодальности между «новыми» НКА — 5 см (СКО); – антенная система: 1) на передачу всенаправленная (аналогичная БАМИ); РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

6 Р. В. БАКИТЬКО, Д. А. АСТАХОВ, М. В. МОИСЕЕВ, Р. Ф. САЛАХОВ 2) на прием 6-лучевая 25-элементная активная Антенные элементы — цилиндрические спи- антенная фазированная решетка (АФАР), формирующая одновременно 6 лучей для ральные с шириной диаграммы направленности слежения за 6 излучающими НКА, с уси- 40 × 60◦ и усилением 10,5 дБ. лением каждого луча 16,5 дБ (рис. 1). Структурная схема блока цифрового формиро- вания лучей приведена на рис. 3. Рис. 3. Структурная схема блока цифрового формирова- ния лучей Рис. 1. Структурная схема БА МРЛ-С Каждый луч формируется четырьмя соседни- ми излучателями с коэффициентом усиления около Передающий тракт содержит цифровой фор- 10,5 дБ каждый. Коэффициент усиления каждого мирователь межспутникового радиосигнала, уси- луча (собственно антенны) 16,3 дБ по половинной литель мощности и антенну. Выходная мощность мощности. Максимум усиления — при угле 37–40◦. усилителя мощности — 80 Вт. В направлении оси антенна должна ослаблять сиг- нал на 12–15 дБ. Приемный тракт содержит цифровую 25-эле- ментную АФАР, формирующую 6 независимых лу- Структурная схема лучеобразующей матрицы чей и 12-канальный приемник для непрерывного со- приведена на рис. 4. провождения всех «видимых», включая неизлучаю- щие, НКА. Лучи управляются переключениями в мульти- плексоре и изменением амплитудно-фазового рас- Здесь предложен вариант конфигурации ан- пределения внутри каждой четверки. Рассмотрен- тенны — коническая кольцевая поверхность с уг- лом 40–45◦ с двумя поясами излучателей по 15 и 10 штук. Возможны и другие решения, но это представляется простым в реализации (рис. 2). Рис. 2. Схематическое изображение АФАР Рис. 4. Структурная схема лучеобразующей матрицы РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

ТЕНДЕНЦИИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕЖСПУТНИКОВОЙ РАДИОЛИНИИ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС 7 ный вариант решает задачу первого этапа: обес- Рис. 5. Структура связи между НКА с частотным раз- печивается энергопотенциал радиолинии 46 дБГц делением с двумя рабочими частотами между новыми НКА и совместимость с действую- щей МРЛ с энергопотенциалом 38 дБГц. – непрерывные передача и прием на любой из частот — f1 = 8000 МГц и f2 = 8500 МГц (пред- Задача создания МРЛ второго этапа решает- варительно); ся на основе антенн с узкими диаграммами направ- ленности и частотным разделением приемника и пе- – двусторонняя непрерывная связь любого КА редатчика (дуплексный режим). Рассматривается одновременно не менее чем с 4 НКА в углах места МРЛ в двух диапазонах частот: X и Ku. Диа- относительно оси Х 37–90◦; граммы узкие, поэтому возникает необходимость наводить антенны на абонента. Одновременно на- – скорость передачи данных не менее до работать с несколькими НКА, следовательно, 10 000 бит/с; для каждого, с которым организуется взаимодей- ствие, нужна отдельная антенна или отдельный – запросные измерения межспутниковых рас- луч. Естественно возникает задача минимизации стояний вместо псевдодальностей в реальном вре- количества лучей. мени с погрешностью: Дуплексный режим работы взаимодействую- 1) кодовых не хуже 3 см (СКО); щих НКА позволяет измерять дальность запрос- ным методом в реальном времени. Это увеличивает 2) по фазе несущей не хуже 1 см (СКО); оперативность МРЛ и значительно разгружает ка- нал передачи данных по сравнению с беззапрос- – отсутствие механически перемещающихся ным методом (как в БАМИ). Но возникают два частей. вида НКА, которые различаются частотами приема и передачи. НКА1 передает на частоте f1 и при- Такая МРЛ несовместима с функционирую- нимает на частоте f2, а НКА2 передает на часто- щей в настоящее время БАМИ. те f2 и принимает на частоте f1. Взаимодейство- вать могут только разные виды НКА. Это обсто- Из табл. 1 следует, что для получения энер- ятельство ограничивает возможности связи НКА. гопотенциала 54 дБГц в диапазоне Х необходимо Однако такое решение облегчает задачу частотной иметь P G = 59,0 дБВт. координации в Международном союзе электросвя- зи (МСЭ) и упрощает конструкцию аппаратуры (фильтры развязки между приемным и передаю- щим трактами). Структура связей в группировке дана на рис. 5. Каждый НКА может взаимодействовать с 4 НКА в своей плоскости и с 2 НКА других плоскостей. Для этого каждый НКА должен иметь 6 управляемых антенн или АФАР, формирующую 6 управляемых лучей. Количество лучей можно со- кратить до 4, но тогда придется работать пооче- редно с некоторыми НКА. Такое решение берется далее за основу. Основные характеристики МРЛ с узкими упра- вляемыми диаграммами направленности и дуплекс- ным режимом работы: – время доставки информации о целостно- сти — 5 с с вероятностью не менее 0,99; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

8 Р. В. БАКИТЬКО, Д. А. АСТАХОВ, М. В. МОИСЕЕВ, Р. Ф. САЛАХОВ Предварительные характеристики плоской Прием и передача производятся на разных ча- АФАР, полученные на модели: стотах в двух комбинациях (частотных литерах), задаваемых по программе или по команде с Земли: – число активных элементов 12 × 8, – перекрываемый рабочий сектор ±45◦ отно- Л1 — f1 прием, f2 передача; сительно нормали, Л2 — f1 передача, f2 прием. Приемник ЦПРМ содержит 4 независимых ка- – коэффициент усиления в секторе не менее нала по числу АФАР. Каждый канал может при- 23,5 дБ, нимать сигналы с разными кодами до 6 по номе- рам КА. – излучаемая мощность не менее 15 дБВт. Цифровой формирователь радиосигналов син- Таким образом, рассматриваемая АФАР обес- тезирует четыре радиосигнала для 4 АФАР. печивает получение P G = 62,0 дБВт, что на 3 дБ больше, чем необходимо. Радиосигналы содержат две ортогональные компоненты, модулированные разными ПСП Структура бортового радиокомплекса с АФАР и цифровой информацией со скоростью не менее приведена на рис. 6. 10 кбит/с на каждой. Структурная схема АФАР приведена на рис. 7. Рис. 6. Структура бортового радиокомплекса с АФАР В состав радиокомплекса входит приемно-фор- Рис. 7. Структурная схема АФАР мирующее устройство (ПФУ) МРЛ высокоорби- Параметры АФАР: тального космического комплекса (ВКК), включаю- – ЭИИМ — 38,5 дБВт, – эквивалентная спектральная плотность шума щее цифровой приемник ЦПРМ, цифровой фор- приемника — −204 дБВт/Гц, – коэффициент усиления приемной АФАР — мирователь радиосигнала (ЦФРС) и четыре от- 23,5 дБ, дельные АФАР, развернутые под 90◦ по азимуту, – потребляемая мощность — 130 Вт, каждая перекрывающая свой сектор не менее чем – габариты 250 × 160 × 100 мм, на 100◦. По углу места плоскости АФАР откло- – масса 6,0 кг. нены от оси КА на 40◦ и перекрывают сек- тор, в котором могут находится НКА, с большим запасом. Каждая АФАР в своем секторе формирует управляемый приемо-передающий луч шириной около 10◦. Таким образом, любой КА может вза- имодействовать с другими 4 КА. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

ТЕНДЕНЦИИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕЖСПУТНИКОВОЙ РАДИОЛИНИИ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС 9 Рис. 8. Эскиз размещения АФАР на КА Блоки АФАР размещаются на КА относитель- но оси Х, направленной к центру Земли, согласно Рис. 9. Отношение дальности к косинусу угла места для рис. 8. ВКА 1–ВКА 2, ВКА1–ВКА 3, ВКА 1–ВКА 4 МРЛ высокоорбитального ется при движении по орбитам, что иллюстриру- космического комплекса ГЛОНАСС ется на рис. 9. (МРЛ ВКК) Удобно ввести масштабный коэффициент M , Параметры орбит высокоорбитальных косми- равный: ческих аппаратов (ВКА) приведены в табл. 3. M = rгл/ = 0,6 или M = −2,2 дБ, Т а б л и ц а 3. Параметры орбит высокоорбитальных космических аппаратов где rгл — радиус орбиты НКА ГЛОНАСС, a — апогей орбиты НКА ВКК. Номер Ω, ◦ ωπ, ◦ i, ◦ a, км e u, ◦ Таким образом, при тех же параметрах аппа- 0 1 130,03 270 64,8 42 164,14 0,072 ратуры энергопотенциал межспутниковой радиоли- нии ВКК будет на 2,2 дБ меньше. 2 130,03 270 64,8 42 164,14 0,072 295,09 Информационные характеристики радиолиний приведены в табл. 4. Т а б л и ц а 4. Информационные характеристики радио- линий 3 250,03 270 64,8 42 164,14 0,072 226,27 Энергетический Скорость 4 250,03 270 64,8 42 164,14 0,072 163,72 5 10,03 270 64,8 42 164,14 0,072 108,94 Радиолиния потенциал, передачи 6 10,03 270 64,8 42 164,14 0,072 56,52 Среднескоростная дБ/Гц (средняя), бит/с Высокоскоростная 43,8 400 51,8 12 000 Орбиты ВКА почти круговые, поэтому мож- МРЛ между космическими но применить такой же принцип построения антен- группировками ГЛОНАСС и ВКК ных систем МРЛ с учетом масштабного коэффици- ента M , учитывающего отношение расстояний На рис. 10 представлено взаимное положение в космических группировках ГЛОНАСС и ВКК. КА двух группировок. Действительно, отношение D/ cos β, которое у кру- говых орбит постоянно, здесь незначительно меня- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

10 Р. В. БАКИТЬКО, Д. А. АСТАХОВ, М. В. МОИСЕЕВ, Р. Ф. САЛАХОВ НКА в этой радиолинии должна быть другой. Ис- пользование с целью унификации тех же антенн ограничит время до 20–30 % от общего време- ни взаимной видимости. В настоящее время об- суждается, достаточно ли этого или необходимо устанавливать на НКА дополнительную антенную систему. Список литературы Рис. 10. Взаимное положение КА двух группировок 1. Научно-технический отчет о НИР «Исследование вопросов совершенствования бортовой аппаратуры Углы визирования β1 и β2 в разных направ- перспективного КА среднеорбитального сегмента лениях оказываются разными. Угол β1 меняется ГЛОНАСС и развития функциональных дополне- в пределах 360◦. Следовательно, антенная система ний системы ГЛОНАСС и ассистирующих техноло- гий в интересах повышения тактико-технических ха- рактеристик системы ГЛОНАСС». Шифр «Развитие- РКС-Э3», 2014. 226 c. 2. Антенны УКВ: В 2-х частях Часть 1 / Г. З. Айзен- берг, В. Г. Ямпольский, О. Н. Терешин; под общей редакцией Г. З. Айзенберга. М.: Связь. 1977. 381 с. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2021, том 8, выпуск 1, c. 11–23 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ УДК 551.466 + 621.396 DOI 10.30894/issn2409-0239.2021.8.1.11.23 Спутниковая СВЧ-радиометрия для решения задач дистанционного зондирования Земли И. А. Барсуков, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация В. В. Болдырев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация М. И. Гаврилов, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Г. Е. Евсеев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. Н. Егоров, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация П. А. Ильгасов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация В. Ю. Панцов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Н. И. Стрельников, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. М. Стрельцов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация И. В. Черный, д. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Г. М. Чернявский, член-корр. РАН, д. т. н., профессор, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация В. В. Яковлев, к. ф-м. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Рассматриваются вопросы развития в России направления спутниковой СВЧ-радиометрии в интересах оператив- ной метеорологии и океанографии. Проводится анализ современного состояния российских и зарубежных радиометрических средств ДЗЗ в микроволновом диапазоне. Анализируются технические характеристики бортовых многоканальных микровол- новых радиометров, совмещающих в себе функции сканера и зондировщика. Рассматриваются вопросы метрологического обеспечения микроволновых измерений аппаратуры, установленной на отечественных спутниках серии «Метеор-М». Под- робно анализируется оригинальный метод внутренней калибровки микроволнового сканера/зондировщика МТВЗА-ГЯ с целью формирования шкалы антенных температур. Блок калибровки МТВЗА-ГЯ обеспечивает измерение интенсивности излучения двух согласованных нагрузок с известными яркостными температурами («горячей» и «холодной»). В качестве «горячей» на- грузки используется бортовой калибратор — имитатор абсолютно черного тела, яркостная температура которого находится в пределах 240–300 K. В качестве «холодной» нагрузки используется фоновое реликтовое излучение с яркостной температурой 2,73 K, которое принимается калибровочной антенной, ориентированной в космическое пространство. Абсолютная (внешняя) калибровка представляет собой переход от антенных к яркостным температурам и выполняется с помощью высокоточных радиационных расчетов для специально выбранных природных полигонов. Рассматриваются вопросы предварительной обра- ботки данных МТВЗА-ГЯ и приводятся примеры микроволновых изображений Земли в шкале яркостных температур. Ключевые слова: дистанционное зондирование, СВЧ-радиометрия, внутренняя и абсолютная калибровки, антенна, микровол- новый сканер/зондировщик, антенные и яркостные температуры, спутник, радиометр, обработка данных ДЗЗ

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2021, том 8, выпуск 1, c. 11–23 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ Satellite Microwave Radiometry for Earth Remote Sensing I. A. Barsukov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation V. V. Boldyrev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation M. I. Gavrilov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation G. E. Evseev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. N. Egorov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation P. A. Il’gasov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation V. Yu. Pantsov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation N. I. Strel’nikov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. M. Strel’tsov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation I. V. Chernyy, Dr. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation G. M. Chernyavskiy, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation V. V. Yakovlev, Cand. Sci. (Phys.-Math.), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The issues of development of the direction of satellite microwave radiometry in Russia in the interests of operational meteorology and oceanography are considered. The analysis of the current state of Russian and foreign radiometric ERS equipment in the microwave range is carried out. The technical characteristics of onboard multichannel microwave radiometers, combining the functions of a scanner and a sounder, are analyzed. The issues of metrological support of microwave measurements of equipment installed on Russian satellites of the Meteor-M series are considered. The original method of internal calibration of the MTVZA-GYA microwave scanner/sounding device is analyzed in detail in order to form the antenna temperature scale. The MTVZA-GYA calibration unit measures the radiation intensity of two matched loads with known brightness temperatures (“hot” and “cold”). An on-board calibrator is used as a “hot” load, it serves as an imitator of an absolutely black body, its brightness temperature of which is in the range of 240–300 K. Absolute (external) calibration is a transition from antenna to brightness temperatures and is performed using high-precision radiation calculations for specially selected natural testing sites. The issues of preliminary processing of MTVZA-GYA data are considered and examples of microwave images of the Earth in the scale of brightness temperatures are given. Keywords: remote sensing, microwave radiometry, internal and absolute calibration, antenna, microwave scanner/sounder, antenna and brightness temperatures, satellite, radiometer, remote sensing data processing

СПУТНИКОВАЯ СВЧ-РАДИОМЕТРИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДЗЗ 13 Главная задача спутникового дистанционного Практическое применение спутниковых микро- зондирования Земли (ДЗЗ) — получение количе- волновых радиометров началось в конце 1970-х гг., ственных сведений о явлениях и процессах в атмо- когда в США был запущен спутник Nimbus-7 cо сфере и на поверхности Земли на различных про- сканирующим микроволновым радиометром на бор- странственно-временных масштабах. Эти сведения ту SMMR. Радиометр принимал излучение Земли необходимы для понимания взаимосвязей между на вертикальной и горизонтальной поляризациях различными сферами Земли и для принятия важ- на частотах 6,6, 10,7, 18, 21 и 37 ГГц в полосе ных решений, влияющих на условия жизни лю- обзора шириной 780 км при угле падения 50◦ [3]. дей. Одним из важнейших спутниковых методов Измерения использовались для получения глобаль- изучения окружающей среды является пассивное ных данных о температуре поверхности океана, (радиометрическое) микроволновое зондирование, скорости ветра, интегрального содержания водя- обеспечивающее получение количественной инфор- ного пара в атмосфере и капельной воды в облаках, мации о характеристиках и эволюции среды неза- о характеристиках ледяного покрова. висимо от времени суток и облачности. В 1979–1991 гг. со спутников NOOA-6, -7 -9, Задачи, решаемые методом СВЧ-радиометрии -10, -11 и -12 проводились измерения зондировщи- в интересах оперативной метеорологии и океано- ком MSU в диапазоне частот 50–58 ГГц, которые графии, включают: использовались для восстановления профиля темпе- ратуры тропосферы и стратосферы [3, 4]. В 1987 г. • определение вертикального профиля темпера- на орбиту Земли в рамках метеорологической спут- туры атмосферы; никовой программы министерства обороны США был запущен космический аппарат (КА) DMSP F08 • определение вертикального профиля влажно- с микроволновым сканером SSMI на борту. Ска- сти атмосферы; нирующий радиометр SSMI принимал излучение Земли на частотах 19,3, 22,2, 37,0 и 85,5 ГГц • определение интегральной влажности (паро- на вертикальной и горизонтальной поляризациях. содержания) атмосферы; По данным измерений определялись параметры подстилающей поверхности и интегральные пара- • определение водозапаса облаков; метры атмосферы [3, 5]. • определение интенсивности (водосодержания Установленный на КА DMSP F11 в 1991 г. слоя) осадков; приборный комплекс, наряду со сканером SSM/I, включал зондировщики SSM/T-1 и SSM/T-2, пред- • определение скорости и направления привод- назначенные для определения профиля температу- ного ветра; ры тропосферы и стратосферы по измерениям на нескольких частотах в диапазоне 50–58 ГГц и про- • определение температуры поверхности океана; филя влажности в тропосфере по измерениям в об- ласти сильной линии поглощения водяного пара на • определение влажности почв; 183,31 ГГц соответственно [6]. С 1998 г. на спут- никах серии NOAA также устанавливаются темпе- • определение температуры поверхности земных ратурный AMSU-A и влажностный AMSU-B зон- покровов; дировщики [7], предназначенные для обеспечения стран — членов ВМО стандартной гидрометеороло- • мониторинг ледовых покровов (сплоченность, гической информацией. Включение данных AMSU- возраст, тип льда); A/-B в схемы численного прогноза погоды привело к существенному повышению качества прогноза. • мониторинг снежных покровов (водный экви- валент, толщина); Первый отечественный сканер «Икар–Дельта», предназначенный для экспериментов по опреде- • диагностику внутриокеанических процессов лению интегральных метеопараметров атмосферы, (синоптические вихри, фронтальные зоны, те- чения и др.). Первые в мире микроволновые измерения Зем- ли были осуществлены более 50 лет тому назад с отечественного спутника «Космос-243», который был запущен 23 сентября 1968 г. Измерения с ор- биты велись на частотах 3,4, 9,6, 22,2 и 37,0 ГГц в трассовом режиме [1–3]. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

14 И. А. БАРСУКОВ, В. В. БОЛДЫРЕВ, М. И. ГАВРИЛОВ, Г. Е. ЕВСЕЕВ, А. Н. ЕГОРОВ И ДР. был выведен на орбиту в 1996 г. в составе модуля метеорологических спутников серии «Метеор-М». «Мир–Природа» [8]. Затем на орбиту был выведен По данным МТВЗА-ГЯ могут быть восстановле- сканер МИВЗА в составе КА «Метеор-3М» [9]. ны паросодержание атмосферы, водозапас облаков, скорость приводного ветра, вертикальные профили В России спутниковая СВЧ-радиометрия явля- температуры и влажности атмосферы и т. д. ется одной из немногих динамично развивающихся технологий ДЗЗ благодаря исследованиям и разра- По информационным характеристикам и об- боткам ФГУП «Центр космических наблюдений» ласти применения радиометр МТВЗА-ГЯ соот- (впоследствии — Научно-технологический центр ветствует зарубежным аналогам — зондировщи- «Космонит», а ныне — отделение 60 АО «Россий- кам AMSU-A, AMSU-B (спутники NOAA, США; ские космические системы»). MetOp, ЕС); ATMS (спутник SNPP, США) [17]; сканерам AMSR-E (спутник Aqua, США), AMSR2 За указанный период коллективом были соз- (спутник GCOM-W1, Япония) [18] и скане- даны приборы для КА «Метеор-3М» (МТВЗА, ру/зондировщику SSMIS (спутники DMSP F16– запуск осуществлен в 2001 г.); КА «Сич-1М» F19, США). (МТВЗА-ОК, запуск осуществлен в 2004 г.); КА «Метеор-М» (МТВЗА-ГЯ, запуск КА № 1 осу- Основные технические характеристики микро- ществлен в 2009 г., запуск КА № 2 осуществлен волнового сканера/зондировщика МТВЗА-ГЯ при- в 2014 г., запуск КА № 2-1 в 2017 г. был ава- ведены в табл. 1. рийным, запуск КА № 2-2 осуществлен в 2019 г.); МКА «Канопус-СТ» (МИРАМ-К, запуск в 2015 г. Т а б л и ц а 1. Технические характеристики МТВЗА-ГЯ был аварийным) [10–14]. Идет разработка перспек- тивного СВЧ-радиометра МТВЗА-ГЯ-МП для КА Параметр Значение «Метеор-МП», запуск которого планируется после Диапазон, ГГц 2025 г. [15]. 10,6, 18,7, 23,8, 31,5, 36,5, 42, 48, 52–57, В 2001 г. начались летные испытания много- функционального СВЧ-радиометра МТВЗА в со- 91,65, 183,31 ставе КА «Метеор-3М». Рабочий диапазон частот МТВЗА составлял 18–183 ГГц. Прием излучения Количество каналов 29 осуществлялся по 21 каналу [10]. Такие характе- ристики ознаменовали окончание монополии США Апертура антенны, м 0,65 в области спутниковой микроволновой метеоро- логии. Угол визирования, град 53,3 К моменту запуска на орбиту конструкция при- Угол падения, град 65 бора МТВЗА не имела аналогов и являлась уни- 16–198 кальной. В МТВЗА были конструктивно объедине- Пространственное разреше- ны функции сканера, аналогичного SSM/I, и зонди- ние, км ровщиков, таких как SSM/T-1/Т-2 и AMSU-A/-B. Прибор стал первым в мировой практике спутни- Чувствительность, К/пиксель 0,3–0,9 ковым сканером/зондировщиком, предназначенным для определения стандартных гидрометеорологиче- Полоса обзора, км 1500–2500 ских параметров атмосферы и подстилающей по- верхности в квазиреальном масштабе времени. Два Сканирование коническое, круговое года спустя в 2003 г. был выведен на орбиту аме- риканский аналог МТВЗА — сканер/зондировщик Режим работы непрерывный SSMIS в составе КА DMSP F16 [16]. Период сканирования, с 2,5 В настоящее время микроволновый ска- 10−04 нер/зондировщик МТВЗА-ГЯ является одним из Нестабильность вращения основных видов целевой аппаратуры на борту сканера Поток данных, кбит/с 35 Объем ЗУ, Мбайт 256 Масса, не более, кг 94 Потребление, не более, Вт 80 РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

СПУТНИКОВАЯ СВЧ-РАДИОМЕТРИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДЗЗ 15 Т а б л и ц а 2. Информационные характеристики радиометрических каналов МТВЗА-ГЯ, приведенные к орбите КА «Метеор-М» (высота 830 км) Центральная Поляри- Количество Ширина Пространственное Приведенный Чувстви- Высота частота, ГГц зация полос полосы, разрешение пиксель тельность максимума не хуже, МГц (антенное пятно), изображения, К/пиксель весовой км × км км × км функции, км 10,6 V, H 1 100 89 × 198 32 × 32 0,5 – 18,7 V, H 1 200 52 × 116 32 × 32 0,4 – 23,8 V, H 1 400 42 × 94 32 × 32 0,3 – 31,5 V, H 1 1000 35 × 76 32 × 32 0,3 – 36,5 V, H 1 1000 30 × 67 32 × 32 0,3 – 42,0 V, H 1 1000 26 × 60 32 × 32 0,4 – 48,0 V, H 1 1000 24 × 43 32 × 32 0,4 – 91,655 V, H 2 2500 14 × 30 16 × 16 0,6 – 52,80 V 1 400 21 × 48 48 × 48 0,4 2 53,30 V 1 400 21 × 48 48 × 48 0,4 4 53,80 V 1 400 21 × 48 48 × 48 0,4 6 54,64 V 1 400 21 × 48 48 × 48 0,4 10 55,63 V 1 400 21 × 48 48 × 48 0,4 14 F0 ± 0,1 H 4 50 21 × 48 48 × 48 0,4 20 48 × 48 0,7 25 F0 ± 0,05 H 4 20 21 × 48 96 × 96 0,5 29 96 × 96 0,7 35 F0 ± 0,025 H 4 10 21 × 48 96 × 96 0,9 42 32 × 32 0,8 4,7 F0 ± 0,01 H 4 5 21 × 48 F0 ± 0,005 H 4 3 21 × 48 183,31 1,4 V 2 500 9 × 21 183,31 3,0 V 2 1000 9 × 21 32 × 32 0,6 2,9 183,31 7,0 V 2 1500 9 × 21 32 × 32 0,5 1,5 F0 = 57,2903 ± 0,3222 ГГц, V — вертикальная поляризация, H — горизонтальная поляризация Радиометрические каналы сканера МТВЗА-ГЯ МТВЗА-ГЯ для орбиты КА «Метеор-М» высотой включают рабочие частоты в окнах прозрачно- 830 км приведены в табл. 2. сти атмосферы 10,6, 18,7, 23,8, 31,5, 36,5, 42, 48 и 91 ГГц, а зондировщика — в полосе поглоще- Антенная система МТВЗА-ГЯ представляет со- ния кислорода 52–57 ГГц и в области резонанс- бой однозеркальную антенну с боковым облучени- ной линии водяного пара 183,31 ГГц. Информаци- ем параболического зеркала апертурой 0,65 м. Груп- онные характеристики радиометрических каналов повой многочастотный антенный облучатель нахо- дится в фокальной плоскости и включает четыре РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

16 И. А. БАРСУКОВ, В. В. БОЛДЫРЕВ, М. И. ГАВРИЛОВ, Г. Е. ЕВСЕЕВ, А. Н. ЕГОРОВ И ДР. рупора, каждый из которых оптимизирован в диапа- с элементом пространственного разрешения микро- зоне 10,6–23,8, 31,5–48, 52–91 и 176–190 ГГц [19]. волнового радиометра в каналах 91 ГГц и 183 ГГц. Поэтому масштаб 16 × 16 км выбран в качестве В сканерных каналах измерения проводятся на пространственного элемента квантования сигнала двух ортогональных поляризациях. Кросс-поляри- (для всех радиометрических каналов). зационная развязка — не хуже −23 дБ. На этапе предварительной обработки данных К достоинствам МТВЗА-ГЯ следует отне- в наземных условиях производится процедура про- сти комбинацию в одном приборе каналов скане- странственного усреднения (сглаживания) изобра- ра и зондировщика, наличие новых частот 42,0 жений в отдельных каналах до размеров пиксе- и 48,0 ГГц и зондирование под углом 65◦, что от- ля 32 × 32 км и 48 × 48 км (табл. 2), что обес- крывает дополнительные возможности для оценки печивает повышение чувствительности в два и три гидрометеорологических параметров и наблюдения раза соответственно. С этой целью для стратосфер- внутриокеанических процессов [20], а также рас- ных каналов (высота максимума весовой функ- ширение полосы обзора до 2500 км. ции 29–42 км), информация которых используется главным образом для климатических исследова- Схема кругового конического сканирования ний, приведенный пиксель имеет размер 96×96 км. МТВЗА-ГЯ построена таким образом, что визи- рование производится в направлении кормы КА Система сканирования представляет собой (рис. 1). Направление скана — слева направо с ра- прецизионную вращающуюся платформу, на ко- бочим сектором 105◦ (от −90◦ до 15◦ относительно торой размещены: параболическая антенна, облу- трассы спутника), что обеспечивает полосу обзора чатели, приемники СВЧ-излучения, микропроцес- 1500 км. Угол визирования составляет 53,3◦, а угол сорный блок предварительной обработки данных падения — 65◦. Несимметричность сектора скани- и вторичные источники питания. Данная конструк- рования связана с максимальной реализацией поля ция необходима для того, чтобы обеспечить по- незатенения элементами конструкции КА. стоянство угла визирования и положения поляри- зационного базиса прибора на протяжении всего За период сканирования 2,5 с перемещение рабочего сектора, что имеет принципиальное зна- нормали спутника составляет 16 км, что сравнимо чение для каналов в окнах прозрачности атмосфе- ры (сканерные каналы), где доминирующий вклад Рис. 1. Геометрия наблюдения МТВЗА-ГЯ с орбиты составляет поляризованное излучение подстилаю- КА «Метеор-М» щей поверхности. Организованная таким образом схема сканирования позволяет исключить влияние третьего параметра Стокса на результаты поляри- зационных измерений, что характерно для схемы линейного кругового сканирования, которая приме- няется в зондировщиках [17]. В спутниковом СВЧ-радиометре МТВЗА-ГЯ реализован оригинальный метод внутренней калиб- ровки [13, 14], учитывающий особенности постро- ения и функционирования прибора (компенсацион- ная схема построения приемников, режим кони- ческого кругового сканирования, многочастотный режим измерений). Бортовая калибровка радиометрических кана- лов МТВЗА-ГЯ с целью определения шкалы антен- ных температур проводится по двухточечной схе- ме на каждом периоде сканирования вне рабочего сектора. Блок калибровки МТВЗА-ГЯ обеспечива- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

СПУТНИКОВАЯ СВЧ-РАДИОМЕТРИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДЗЗ 17 ет измерение интенсивности излучения двух со- Положительные приращения в пределах 3–8 мK гласованных нагрузок с известными яркостными обусловлены излучением Млечного Пути, и из-за температурами («горячей» и «холодной»). В каче- малости величины по сравнению с собственными стве «горячей» нагрузки используется бортовой ка- шумами СВЧ-радиометра их можно не учитывать. либратор — имитатор абсолютно черного тела, яр- костная температура которого находится в преде- Погрешность измерения физической температу- лах 240–300 K. ры калибратора не превышает 0,05 ◦C. Поэтому по- грешность (стабильность) яркостной шкалы опреде- В качестве «холодной» нагрузки используется ляется в основном инструментальным шумом (вели- фоновое реликтовое излучение с яркостной темпе- чиной «шумовой дорожки» при соответствующей ратурой 2,73 K [13, 14], которое принимается ка- постоянной времени). Для всех радиометрических либровочной антенной, ориентированной в косми- каналов прибора МТВЗА-ГЯ погрешность шкалы ческое пространство. антенных температур составляет 0,5–1,2 K [23]. В предположении линейности калибровочной Таким образом, в соответствии с выражени- функции (функции перехода от сигнала Uсi к антен- ем (1) яркостная шкала СВЧ-радиометра МТВЗА- ным температурам) величина Tai для каждого пиксе- ГЯ привязана к уровню реликтового излучения ля в рабочем секторе определяется выражением космического пространства. Можно поэтому обос- нованно утверждать, что измерения МТВЗА-ГЯ ха- Tai = (Tг − Tх ) (Uсi − Uхi) + Tх, (1) рактеризуются высокой абсолютной стабильностью Uгi − Uхi (рис. 2). где Tг = εtг — яркостная температура калибрато- В действительности зависимость (1) является ра («горячей» нагрузки) в кельвинах, tг — физи- нелинейной из-за наличия квадратичного детекто- ческая температура калибратора, ε — излучатель- ра в тракте микроволнового радиометра. Погреш- ная способность калибратора (составляет не ме- ность, обусловленная нелинейностью радиометри- ческого тракта, является, однако, систематической нее 0,999), i — индекс радиометрического канала, и не превышает 0,4 K. Ею, как правило, прене- Tx = 2,73 K — яркостная температура реликтового брегают, поскольку измерения яркостной темпе- фона («холодной» нагрузки), U i — выходное напря- ратуры производятся со случайной погрешностью жение в милливольтах. 0,5–1,5 K/пиксель и, кроме того, систематиче- ская погрешность абсолютной калибровки борто- Для уменьшения погрешности внутренней ка- вых микроволновых радиометров составляет поряд- либровки величины Tгi, Uгi, Uxi и их разности в вы- ка 2–3 K [5, 7]. Отметим здесь, что в зарубежном ражении (1) усредняются по данным измерений аналоге МТВЗА-ГЯ — радиометре ATMS на спут- на m последовательных сканах (10 < m < 60, ве- нике SNPP — впервые использована нелинейная личина m уточняется на этапе летных испытаний процедура внутренней калибровки [17]. прибора). В период летных испытаний космических ап- В качестве примера на рис. 2 приведены запи- паратов «Метеор-М» проводится оценка парамет- ров радиометрических каналов и диаграммы направ- си калибровочных сигналов МТВЗА-ГЯ в канале ленности антенны МТВЗА-ГЯ, в том числе кана- 183,31 ± 7,0 ГГц для трех витков КА «Метеор-М» лов зондировщика, с помощью уникальной процеду- № 2-2 за 06 августа 2019 г. Физическая температу- ры лимбовых измерений. Данная процедура вклю- чает временно´е изменение орбитальной ориентации ра калибратора при переходе с солнечной стороны КА (на нескольких витках) таким образом, чтобы орбиты на теневую меняется от −27 до −31 ◦C. Яр- рабочий сектор сканирования частично захватывал костная температура калибратора изменяется соот- космическое пространство и обеспечивалась воз- можность лимбовых измерений. При этом, анали- ветствующим образом в пределах от 242 до 246 K. зируя характер изменения излучения на границах При этом яркостная температура космического таких контрастных областей, как диск планеты, пространства регистрируется на всех витках спут- ника на уровне 2,73 K. Известно [21, 22], что яр- костная температура реликтового излучения ха- рактеризуется высоким постоянством и изотропно- стью: вариации излучения не превышают ±0,1 мK. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

18 И. А. БАРСУКОВ, В. В. БОЛДЫРЕВ, М. И. ГАВРИЛОВ, Г. Е. ЕВСЕЕВ, А. Н. ЕГОРОВ И ДР. Рис. 2. Опорные калибровочные сигналы СВЧ-радиометра МТВЗА-ГЯ в канале 183,31 ± 7,0 ГГц (КА «Метеор-М» № 2-2, 06.08.2019, витки 452, 453 и 454): а) физическая температура калибратора; б) яркостная температура калибратора; в) яркостная температура космического пространства. Регистрограммы получены для постоянной времени τ = 30 мс. Дисперсия шумов на «горячей» нагрузке — 0,37 К (τ = 30 мс), что соответствует чувстви- тельности канала 0,065 K (τ = 1 с) и 0,45 K/пиксель РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

СПУТНИКОВАЯ СВЧ-РАДИОМЕТРИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДЗЗ 19 радиогоризонт и космический реликтовый фон, ландии демонстрируют высокую долговременную можно оценить ширину главного лепестка диаграм- стабильность работы МТВЗА-ГЯ [29]. мы направленности антенны, ее потоковую эффек- тивность и уровень боковых лепестков [24], а так- Следует отметить, что систематические по- же определить погрешность внутренней калибров- грешности, которые возникают при внутренней ки шкалы антенных температур [23]. и абсолютной калибровках спутникового СВЧ-ра- диометра, в конечном счете могут быть скорректи- Подобная методика оценки технических харак- рованы при валидации восстановленных метеопа- теристик микроволновых радиометров в орбиталь- раметров на этапе тематической обработки данных ных условиях, связанная с маневром космического с учетом результатов численного моделирования на аппарата, применялась для многих микроволновых основе радиационной модели и информации назем- радиометров, например AMSR-E (спутник Aqua), ных буйковых и радиозондовых измерений [31–33]. TMI (спутник TRMM), SSMIS (спутники DMSP), WindSat (спутник Coriolis), ATMS (спутник Suomi Микроволновый сканер/зондировщик МТВЗА- NPP) [17, 25–27]. ГЯ обладает измерительными свойствами и предна- значен для получения количественных характери- Переход от шкалы антенных температур СВЧ- стик гидрометеорологических параметров атмосфе- радиометра к шкале яркостных температур осу- ры и подстилающей поверхности на основе измере- ществляется на основе учета параметров диаграм- ний интенсивности восходящего излучения Земли мы направленности антенны с помощью линейной в СВЧ-диапазоне. функции вида: Как известно [34], в СВЧ-диапазоне не суще- Tяn = AnTan + Cn, (2) ствует национальных (государственных) стандартов яркости, в отличие от видимого и ИК-диапазонов. где An, Cn — коэффициенты, которые характе- Тем не менее вопросы метрологического обеспече- ризуют, соответственно, потоковую эффективность ния СВЧ-измерений успешно решаются, и пассив- антенны и вклад фонового излучения, принимае- ные микроволновые методы широко применяются мого через боковые лепестки. Они определяются в спутниковой метеорологии уже на протяжении по- при абсолютной (внешней) калибровке c использо- следних 40 лет [2–5]. ванием модельных данных, полученных по радиа- ционной модели системы «атмосфера — подстила- Успешность решения указанных задач опре- ющая поверхность». Входными данными в модели деляется как техническими характеристиками ап- служат результаты подспутниковых (полигонных) паратуры, так и методическим и алгоритмическим измерений. обеспечением и является результатом применения комплексного подхода, включая вопросы калибров- Выражение (2) справедливо для антенн с пото- ки аппаратуры, тематической обработки данных ковой эффективностью не менее 90 % [23]. Следо- и валидации полученных продуктов. вательно, сами параметры антенны не входят в вы- ражение (2), а должны лишь подтверждать доста- Таким образом, схема метрологического обес- точную потоковую эффективность антенны. Здесь печения СВЧ-радиометра МТВЗА-ГЯ включает три также не учитывается паразитный уровень сигна- уровня. ла с ортогональной поляризацией, поскольку для антенны с кроссполяризационной развязкой ме- Первый уровень — внутренняя калибровка нее −23 дБ им можно пренебречь. и представление данных в шкале антенных тем- ператур. Процедура абсолютной калибровки СВЧ-ра- диометра МТВЗА-ГЯ подробно рассмотрена в ра- Второй уровень — абсолютная (внешняя) ка- ботах [28–30]. Результаты сравнения времен- либровка и представление данных в шкале яркост- ных рядов МТВЗА-ГЯ и СВЧ-радиометра AMSR2 ных температур. (на спутнике Японии GCOM-W1) над тестовыми областями в лесах Амазонки, в Антарктиде и Грен- Третий уровень — получение гидрометеороло- гических параметров атмосферы и подстилающей поверхности в соответствующих единицах измере- ний на основе алгоритмов тематической обработки спутниковой информации и процедуры валидации РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

20 И. А. БАРСУКОВ, В. В. БОЛДЫРЕВ, М. И. ГАВРИЛОВ, Г. Е. ЕВСЕЕВ, А. Н. ЕГОРОВ И ДР. восстановленных параметров в соответствии с ре- Т а б л и ц а 3. График запусков КА серии «Метеор-М» комендациями Всемирной метеорологической орга- низации и Росгидромета. КА Год Орбита запуска В соответствии с Федеральной космической программой планируется осуществить восемь за- «Метеор-М» № 1 2009 Утренняя (09:00) пусков КА «Метеор-М» (табл. 3). Таким обра- зом, с учетом срока активного существования, ко- «Метеор-М» № 2 2014 Утренняя (09:00) торый составляет не менее 5 лет, использование СВЧ-радиометра МТВЗА-ГЯ по целевому назначе- «Метеор-М» № 2-1 2017 Аварийный запуск нию в составе КА «Метеор-М» планируется вплоть до 2030 г. При этом будет осуществляться эксплуа- «Метеор-М» № 2-2 2019 Послеполуденная (15:00) тация космической системы из двух спутников, на- ходящихся на утренней и послеполуденной орбитах. «Метеор-М» № 2-3 2021 Утренняя (09:00) Рассмотренная выше (рис. 1) схема сканирова- «Метеор-М» № 2-4 2022 Послеполуденная (15:00) ния МТВЗА-ГЯ с полосой обзора 1500 км была реа- лизована на КА «Метеор-М» № 1 и № 2, которые «Метеор-М» № 2-5 2024 Утренняя (09:00) функционировали на солнечно-синхронной утрен- ней орбите с временем пересечения экватора 09:00. «Метеор-М» № 2-6 2025 Послеполуденная (15:00) На самом деле, существует потенциальная сти от местоположения Солнца и их влияния на возможность реализовать полосу обзора СВЧ-ра- затенение рабочего сектора МТВЗА-ГЯ. диометра МТВЗА-ГЯ с орбиты высотой 830 км, шириной не менее 2000 км. Учитывая тот факт, В результате исследований отмечено, что за- что КА «Метеор-М» № 2-2 выведен на послеполу- тенение рабочего сектора МТВЗА-ГЯ происхо- денную орбиту (15:00), в период летных испыта- дит только на нисходящих витках и полезная ний МТВЗА-ГЯ проведены исследования положе- зона по-прежнему ограничивается сектором 105◦. ния солнечных панелей КА на витке в зависимо- В то же время на восходящих витках положение солнечных панелей открывает обзор более 120◦, что позволяет реализовать полосу обзора вплоть до 2500 км. Рис. 3. СВЧ-изображение Земли в канале 31,5 ГГц (ГП) МТВЗА-ГЯ КА «Метеор-М» № 2-2, 30.09.2019. Нисходящие витки. Полоса обзора 1500 км РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

СПУТНИКОВАЯ СВЧ-РАДИОМЕТРИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДЗЗ 21 Рис. 4. СВЧ-изображение Земли в канале 31,5 ГГц (ГП) МТВЗА-ГЯ КА «Метеор-М» № 2-2, 30.09.2019 г. Восходящие витки. Полоса обзора 2500 км В качестве примера на рис. 3–4 приведены Technique, validation, and results 1979–91 // Jour- изображения Земли для нисходящих и восходя- nal Climate, 1993, № 6. P. 1194–1204. щих витков. На нисходящих витках полоса обзора МТВЗА-ГЯ составляет 1500 км, на восходящих 5. Hollinger J. P., Pierce J. L., Poe G. A. SSM/I instru- витках полоса обзора достигает 2500 км. ment and evaluation // IEEE Transaction Geoscience and Remote Sensing, 1990, vol. 28, № 5. P. 781–790. Данные результаты будут учитываться при со- здании СВЧ-радиометров МТВЗА-ГЯ-МП для КА 6. Falcone V. J., Griffin M. K., Isaacs R. G. et al. «Метеор-МП» [15] с целью реализации полосы об- SSM/T-2 calibration data analyses // Proc. зора 2500 км в штатном режиме. CO-MEAS’93 Symposium Albuquerque, NM. 1993. P. 165–168. Список литературы 7. Rosenkranz P. W. Retrieval of temperature and mois- 1. Башаринов А.Е., Гурвич А. С., Егоров С. Т. Радио- ture profiles from AMSU-A and AMSU-B measure- излучение Земли как планеты. М.: Наука, 1974. ments // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sens- 187 с. ing, 2001, vol. 39, № 11. P. 2429–2435. 2. Кутуза Б. Г., Митник Л. М., Аквилонова А. Б. 8. Jackson T. J., Hsu A. Y., Shutko A. et al. Priroda Первый в мире эксперимент по микроволновому microwave radiometer observations in the Southern зондированию Земли из космоса на спутнике «Кос- Great Plains 1997 hydrology experiment // Intern. J. мос-243» // Современные проблемы дистанционного Remote Sensing, 2002, vol. 23, № 2. P. 231–248. зондирования Земли из космоса, 2019, т. 16, № 6. С. 9–30. 9. Алексеев П. В., Викторов А. С., Волков А. М. и др. Микроволновый сканирующий радиометр ин- 3. Кутуза Б. Г., Данилычев М. В., Яковлев О. И. тегрального влажностного зондирования атмосферы Спутниковый мониторинг Земли: Микроволновая (МИВЗА) // Исследования Земли из космоса, 2003, радиометрия атмосферы и поверхности. М.: Ленанд, № 6. С. 68–76. 2016. 338 с. 10. Черный И. В., Чернявский Г. М., Успенский А. Б., 4. Spencer R. W., Christy J. R. Precision lower strato- Пегасов В. М. СВЧ-радиометр МТВЗА спутника spheric temperature monitoring with the MSU: «Метеор-3М» № 1: Предварительные результаты летных испытаний // Исследование Земли из кос- моса, 2003, № 6. С. 1–15. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

22 И. А. БАРСУКОВ, В. В. БОЛДЫРЕВ, М. И. ГАВРИЛОВ, Г. Е. ЕВСЕЕВ, А. Н. ЕГОРОВ И ДР. 11. Наконечный В. П., Панцов В. Ю., Прохоров Ю. Н. 20. Cherny I. V., Raizer V. Yu. Passive Microwave Re- и др. Оптико-микроволновый сканер/зондировщик mote Sensing of Oceans. Wiley-Praxis, Chichester, МТВЗА-ОК / Современные проблемы дистанцион- 1998. 195 р. ного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружа- 21. Кардашев Н. С., Струков И. А. Спутниковый ра- ющей среды, потенциально опасных объектов и яв- диоастрономический эксперимент «Реликт» / Нау- лений. Сб. научных статей. М.: Полиграф сервис, ка и человечество. М.: Знание, 1987. C. 173–185. 2004. C. 139–145. 22. COBE Archives Page. http://aether.lbl.gov/www/ 12. Чернявский Г. М. Отечественные технологии спут- projects/cobe/COBE_home/cobe_home.html (Дата никовой СВЧ-радиометрии // Аэрокосмический обращения 29.12.2020). курьер, 2007, № 6. С. 22–24. 23. Барсуков И. А., Никитин О. В., Стрельцов А. М., 13. Болдырев В. В., Ильгасов П. А., Панцов В. Ю. и др. Черный И. В. Калибровка СВЧ-радиометра Спутниковый микроволновый сканер/зондировщик МТВЗА-ГЯ // Космонавтика и ракетостроение, МТВЗА-ГЯ // Современные проблемы дистанцион- 2010, вып. 1 (58). С. 131–137. ного зондирования Земли из космоса. Сб. научных статей, 2008, т. 1, вып. 5. С. 243–248. 24. Веселов В. М., Милицкий Ю. А., Мировский В. Г. и др. Экспериментальная методика определения 14. Барсуков И. А., Никитин О. В., Стрельцов А. М. параметров антенн радиотепловых бортовых ком- и др. Предварительная обработка данных СВЧ-ра- плексов // Исследование Земли из космоса, 1981, диометра МТВЗА-ГЯ КА «Метеор-М» № 1 / Со- № 2. С. 63–75. временные проблемы дистанционного зондирова- ния Земли из космоса. Сб. трудов Всероссийской 25. Wentz F. J., Ashcroft P., Gentemann C. Post-launch научной конференции. М.: ДоМира, 2011. Т. 8, calibration of the TRMM Microwave Imager // IEEE № 2. С. 257–264. Transactions Geoscience and Remote Sensing, 2001, vol. 39, № 2. P. 415–422. 15. Cherny I. V., Chernyavsky G. M., Mitnik L. M. et al. Advanced Microwave Imager/Sounder MTVZA- 26. Imaoka K., Fujimoto Y., Kachi M. et al. Post-launch GY-MP for new Russian meteorological satellite // calibration and data evaluation of AMSR-E // In Proc. IGARSS’2017. Taxes, USA, 2017. P. 1220–1223. Proc. IGARSS, 2003, Jul. 21–25, vol. 1. P. 666–668. 16. Kunkee D. B., Hong Y., Thompson D. A. et al. Analy- 27. Jones W. L., Park J. D., Soisuvarn S. et al. Deep- sis of the Special Sensor Microwave Imager Sounder space calibration of the WindSat radiometer // IEEE (SSMIS) fields-of-view on DMSP F-16 // IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing, 2006, Trans. Geosci. Remote Sens., 2008, vol. 46, № 4. vol. 44, № 3. P. 476–495. P. 934–945. 28. Успенский А. Б., Асмус В. В., Козлов А. А. и др. 17. Weng F., Zou X., Sun N. et al. Calibration of Suomi Абсолютная калибровка каналов атмосферного National Polar-Orbiting Partnership (NPP) Advanced зондирования спутникового микроволнового радио- Technology Microwave Sounder (ATMS) // J. Geo- метра МТВЗА-ГЯ // Исследование Земли из кос- phys. Res. Atmosphere, 2013, vol. 118. P. 1–14. моса, 2016, № 5. С. 57–70. 18. Imaoka K., Kachi M., Kasahara M. et al. Instru- 29. Чернявский Г. М., Митник М. Л., Кулешов В. П. ment performance and calibration of AMSR-E and и др. Микроволновое зондирование океана, атмо- AMSR2 // International Archives Photogrammetry, сферы и земных покровов по данным спутника Remote Sensing and Spatial Information Science, «Метеор-М» № 2 // Современные проблемы ди- 2010, V. XXXVIII, Part 8, Kyoto, Japan. станционного зондирования Земли из космоса. Сб. научных статей, 2018, т. 15, № 4. С. 78–100. 19. Gorobets N. N., Dakhov V. M., Cherny I. V. Millimeter-range multi-channel two polarization horn 30. Чернявский Г. М., Митник М. Л., Кулешов В. П. antenna / Third Intern. Symp. “Physics and Engi- и др. Моделирование яркостных температур и пер- neering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves”. вые результаты, полученные микроволновым ра- Kharkov, 1998. P. 618–619. диометром MTВЗA-ГЯ со спутника «Метеор-М» № 2-2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2020, т. 17, № 3. С. 51–65. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

СПУТНИКОВАЯ СВЧ-РАДИОМЕТРИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДЗЗ 23 31. Митник Л. М., Митник М. Л., Чернявский Г. М. 33. Гранков А. Г., Мильшин А. А., Шелобанова Н. К. и др. Приводный ветер и морской лед в Барен- и др. Многолетние вариации водяного пара в Се- цевом море по данным микроволновых измере- верной Атлантике по данным спутниковых микро- ний со спутников «Метеор-М № 1» и GCOM-W1 волновых измерений // Ракетно-космическое при- в январе–марте 2013 г. // Исследование Земли из боростроение и информационные системы, 2015, космоса, 2015, № 6. С. 36–46. т. 2, вып. 2. С. 47–52. 32. Митник Л. М., Митник М. Л., Гурвич И. А. и др. 34. Юрчук Э. Ф., Арсаев И. Е. Метрологическое обес- Исследование эволюции тропических циклонов печение микроволновых радиометров дистанцион- в северо-западной части Тихого океана по данным ного зондирования Земли // Всероссийская науч- СВЧ-радиометров МТВЗА-ГЯ со спутника «Ме- но-техническая конференция «Актуальные пробле- теор-М» № 1 и AMSR-E со спутника Aqua // мы ракетно-космического приборостроения и ин- Современные проблемы дистанционного зондирова- формационных технологий». 28–30 апреля 2008 г. ния Земли из космоса, 2012, т. 9, № 4. С. 121–128. Сб. трудов. М.: ОАО «Российские космические си- стемы». РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2021, том 8, выпуск 1, c. 24–38 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ УДК 629.78 DOI 10.30894/issn2409-0239.2021.8.1.24.38 Разработка бортового модуля управления на базе вычислительного IP-ядра К. Е. Воронов, к. т. н., доцент, [email protected] Самарский национальный исследовательский университет им. С. П. Королева, г. Самара, Российская Федерация К. И. Сухачев, к. т. н., доцент, [email protected] Самарский национальный исследовательский университет им. С. П. Королева, г. Самара, Российская Федерация Д. С. Воробьев, [email protected] Самарский национальный исследовательский университет им. С. П. Королева, г. Самара, Российская Федерация Аннотация. В статье представлены результат реализации синтезируемого микроконтроллера в интегральных микросхемах ПЛИС небольшого объема и вариант построения системы управления бортового модуля управления на базе разработанного решения. Показана возможность создания полноценного микроконтроллера на базе ПЛИС типа 5578ТС034 и более емких микроконтроллеров. Приведено описание структуры микроконтроллера, процессорного ядра и периферии. Представлена си- стема команд процессора. Разработаны IP-модули периферийных устройств и некоторых интерфейсов. Предложен вариант создания системы управления с использованием разработанного микроконтроллера. В дальней- шем планируется увеличение функциональных возможностей синтезируемого микроконтроллера посредством оптимизации IP-модулей и добавления новых. При разработке системы управления применялась отечественная компонентная база. Ключевые слова: ПЛИС, IP-ядро, микроконтроллеры Development of Control Module Based on a Computing IP-Core K. E. Voronov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Samara National Research University, Samara, Russian Federation K. I. Sukhachev, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Samara National Research University, Samara, Russian Federation D. S. Vorobev, [email protected] Samara National Research University, Samara, Russian Federation Abstract. The article presents the result of the implementation of a synthesized microcontroller in integrated circuits of small FPGAs and a variant of building a control system for an onboard control module based on the developed solution. The possibility of creating a full-fledged microcontroller based on a type 5578TC034 FPGA and more capacious microcontrollers is shown. The description of the structure of the microcontroller, processor core and periphery is given. The processor instruction system is presented. Ip-modules of peripheral devices and some interfaces have been developed. A variant of creating a control system using the developed microcontroller is proposed. In the future, it is planned to increase the functionality of the synthesized microcontroller by optimizing ip-modules and adding new ones. When developing the control system, a domestic component base was used. Keywords: FPGA, ip-core, microcontrollers

РАЗРАБОТКА БОРТОВОГО МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО IP-ЯДРА 25 Введение можно упростить, при этом не усложняя логику работы самих IP-модулей. Имея набор наиболее В ряде случаев при разработке электронной часто применяемых модулей и процессорное ядро, аппаратуры приоритетным является использование можно собирать аналог МК. Данный МК будет об- отечественной элементной базы. В условиях актив- ладать уникальным, необходимым только в разра- но расширяющейся номенклатуры возникает необхо- батываемом проекте функционалом. димость реализации универсального решения с воз- можностью применения в различных проектах. Сложностью на пути реализации описанной концепции является то, что доступные ПЛИС об- Часто при разработке возникает ситуация, ког- ладают небольшой логической емкостью и многие да от системы управления (СУ) не требуется вы- уже готовые решения, IP-ядра и модули плохо или соких скоростей обработки информации и большой вообще несовместимы с ними. ПЛИС серии 5576 вычислительной мощности, но необходимы высокая и 5578 — аналоги семейства FLEX 10КЕ Intel надежность и многоуровневый характер функциони- (Altera) [3]. Особенности внутренней организации рования. К типовым задачам, решаемым СУ, отно- серии FLEX реализация в них какой-либо логиче- сятся исполнение несложных алгоритмов, обработка ской функции занимает в среднем на 50 % больше информации с датчиков и аналого-цифровых преоб- ресурсов ИМС по сравнению, например, с серией разователей, сохранение обработанной информации Cyclone IV, а задержки прохождения сигнала, как в банке памяти, формирование пакетов информа- правило, выше. ции, ведение записи событий. Иногда возникает необходимость реализации специальных функций. Задачи Рассматривая приведенный перечень задач, ре- Исходя из вышесказанного были поставлены шаемых системой управления, можно сделать вы- следующие задачи: вод, что во многих случаях достаточно использова- ние несложных микроконтроллеров (МК). Образ- 1) разработать архитектуру процессорного цов отечественного производства с подходящими IP-ядра с учетом особенностей применяемой эле- параметрами и доступных на рынке на данный мо- ментной базы: мент не так уж много, например можно выделить контроллер 1986ВЕ8Т производства АО «ПКК Ми- – малый объем эквивалентных логических ландр». Данный 32-разрядный контроллер разрабо- элементов ПЛИС (4992 — для 5578ТС034); тан на базе процессорного ядра ARM Cortex-M4F, обладает высокой производительностью и развитой – значительные задержки прохождения сиг- периферией. Однако для решения большинства пе- налов; речисленных задач СУ его возможности избыточны и с экономической точки зрения покупка иногда – отсутствие аппаратных умножителей; бывает нецелесообразной. – малый объем доступной внутренней памяти ПЛИС (40 960–48 000 бит); Другим возможным вариантом компонентной – для однократно программируемой ПЛИС — базы для реализации СУ являются интегральные невозможности задавать начальное состояние триг- микросхемы (ИМС) ПЛИС [1, 2], например произ- геров и элементов памяти при загрузке. водства АО «ВЗПП-С». Среди подходящих ПЛИС В качестве внешней однократной памяти для на данный момент можно выделить два варианта — хранения программ желательно ориентироваться это 5576ХС6Т и 5578ТС034 на 2880 и 4992 эквива- на ИМС 1645РТ2У (32Кх8); лентных логических элемента соответственно [3]. 2) разработать минимальный набор команд Выбор данных ПЛИС является экономически бо- для IP-ядра процессора, позволяющий в ручном ре- лее выгодными решениями, чем использование мощ- жиме осуществлять набор ассемблерных программ; ного микроконтроллера. Комбинирование функцио- 3) разработать набор периферийных IP-моду- нальных модулей и процессорного ядра позволяет лей, необходимых для работы процессорного ядра, снизить нагрузку на процессор, тем самым его таких как контроллер прерываний, аппаратные тай- меры-счетчики, контроллер периферии, контроллер РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

26 К. Е. ВОРОНОВ, К. И. СУХАЧЕВ, Д. С. ВОРОБЬЕВ внешней памяти и памяти программ, IP-модули ос- цессора используется внутренняя память ПЛИС. новных распространенных интерфейсов — UART, Для ИМС 5578ТС034 доступно всего 48 Кбит, I2C, SPI; а для 5578ТС094 уже 594 Кбит. В зависимости от выполняемой программы конфигурацию ip-ядра, 4) разработать скоростной интерфейс без при- набор команд, разрядность регистров, а также менения дополнительных ИМС-преобразователей объем подключаемой ОЗУ можно изменять. Целе- для гальванической развязки, последовательный сообразно часть встроенной памяти ПЛИС отдать скоростной интерфейс для обмена между ПЛИС различным исполнительным модулям, а оставшуюся в границах одной платы, управляемый ШИМ-кон- память использовать в качестве ОЗУ процессора. троллер с расширенными возможностями настрой- ки (парафазный режим, регулировка разрядности С точки зрения описания ЦП представляет со- ШИМ и установка мертвого времени). Все пере- бой единый модуль, написанный на языке Verilog, численные IP-ядра необходимо оптимизировать под который включает в себя систему управления про- используемую элементную базу; цессором с дешифратором инструкций, контрол- лером прерываний, счетчиком инструкций и кон- 5) на базе разработанных решений сконфигу- троллером шин периферии и ОЗУ, а также АЛУ, рировать синтезируемый микроконтроллер. РОН, РСН и устройство маршрутизации. Структу- ра ip-ядра процессора представлена на рис. 1. В данной статье приведены этапы и результа- ты разработки синтезируемого микроконтроллера, Командное слово процессора состоит из 6 бит оптимизированного для реализации в однократно инструкций и 16 бит данных операнда адреса или программируемых ПЛИС серии 5576 и 5578. расширения в зависимости от инструкции. Преду- смотрена возможность работы с внешней 8ми бит- Описание IP-ядра процессора ной памятью, для хранения программ, в таком случае командное слово расширяется до 24 бит Разработанное ip-ядро процессора имеет гар- (3-х байт). вардскую архитектуру. Разрядность входов ариф- метико-логического устройства (АЛУ) составля- Структура командного слова приведена на ет 16 бит, а выход АЛУ имеет ширину 32 би- рис. 2. Два добавленных бита используются как та. Входы АЛУ буферизированы регистрами об- указатель длины команды. щего назначения (РОН): 32-битным регистром А и 16-битным регистром B. Регистр А через муль- Система управления (СУ), обеспечивает коор- типлексор соединен с выходом АЛУ, это сдела- динацию работы всех внутренних блоков процес- но для возможности проведения операций сложе- сора, осуществляет обработку прерываний, декоди- ния и умножения 16-ти битных чисел. Напри- рование полученных инструкций, и, в зависимости мер, операция A = A ∗ B происходит за один от инструкции управляет коммутатором, соединяя процессорный такт, и после умножения резуль- нужным образом внутренние регистры, шин, вхо- тат помещается в регистр А, исходное же зна- дов и выходов АЛУ. СУ также производит вычис- чение регистра А стирается. Флаги переполнения ление адреса следующей команды. Один процес- в таком случае не нужны так как результат единич- сорный цикл системы управления состоит из по- ной операции не может превышать разрядность ре- следовательности следующих операций: гистра А. Кроме РОН в ip-ядре реализованы реги- стры специального назначения (РСН), для работы 1) Осуществляется проверка блокировки пре- с шинами периферии и оперативной памяти (ОЗУ), рываний, если такой блокировки нет, то осу- данные шины одинаковы по составу и имеют 16 бит ществляется проверка на нахождение в преры- адреса, 16 бит данных на запись и чтение, а также вании. В случае, если процессор обрабатывает сигнал разрешения записи. Максимальный объем инструкции прерывания, то процесс продолжает- ОЗУ, который можно подключить к такой шине ся в обычном режиме, т. е. осуществляется пе- составляет 131 килобайт. Для ОЗУ ядра про- реход к следующей операции цикла. Предусмот- рена возможность при выходе из порывания прове- рить, не возникало ли новых запросов на преры- вание от периферии в момент обработки текущего. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

РАЗРАБОТКА БОРТОВОГО МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО IP-ЯДРА 27 Рис. 1. Структура ip-ядра процессора Рис. 2. Структура командного слова процессора Данная возможность реализована с помощью памя- 3) Выполняется проверка на нулевое значение ти запросов во внешнем контроллере прерываний. счетчика команд. Данное состояние может быть На данном шаге выполняется генерация сигнала либо сразу после включения системы, либо после для сторожевого таймера; перезагрузки. В таком случае осуществляется пе- ревод на адрес первой команды в памяти программ, 2) Проверка на запрос по прерыванию. Если данный адрес находится после области адресов пе- такой запрос детектирован, то вызывается проце- реходов по прерываниям; дура сохранения текущего значения счетчика ко- манд и регистров в буфер, после чего происхо- 4) На данной стадии происходит ожидание дит присвоение счетчику команд значения, со- установки значения на входе контроллера памяти ответствующего вектору детектированного преры- программ (длительность зависит от режима рабо- вания. При завершении программы прерывания, ты и непосредственно от скорости ИМС внешней происходит автоматическое восстановление из бу- памяти); фера значений счетчика команд и регистров, та- ким образом продолжается выполнение основной 5) Осуществляется декодирование инструк- программы. Если запроса на прерывание нет, то ции, определяется ее тип, выделяется операнд и ад- система управления переходит к следующей опе- рес, содержащиеся в командном слове; рации. 6) На последней операции происходит исполне- ние текущей инструкции. Данный процесс зависит РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

28 К. Е. ВОРОНОВ, К. И. СУХАЧЕВ, Д. С. ВОРОБЬЕВ от типа инструкции и может занимать от одного менения, связанные с отсутствием внутренней опе- до нескольких тактов. Если выполняемая инструк- ративной памяти. ция является одной из инструкций перехода, то осу- ществляется изменение значения счетчика команд Встроенный в ip-ядро таймер управляется ко- на значение, соответствующее операнду данной ин- мандой delayA, описанной в табл. 4. Особен- струкции или по механизму косвенной адресации, ностью данного таймера является то, что при выпол- в противоположенном случае после выполнения дей- нении инструкции delayA не пропадает чувствитель- ствий, вызванных текущей инструкцией, осуществ- ность процессора к запросам на прерывание, и при ляется переход на адрес следующей команды. Ад- обработке прерывания счетчик не останавливается, рес следующей инструкции зависит от режима ра- что дает возможность предсказуемо и точно реали- боты с внешней памятью. Далее происходит возврат зовывать необходимую длительность задержки. Си- к первому пункту процессорного цикла. стема обработки прерываний разделена на две ча- сти: встроенный в ядро ЦП обработчик, и внеш- Максимально полно о принципе и структуре ний контроллер прерываний, являющийся приори- процессора можно судить по его системе команд, тетным среди устройств, работающих по периферий- которая представлена в табл. 1–4. ной шине. Обработчик прерываний реализует пере- ход к заданной области памяти программ в зависи- Некоторые инструкции в табл. 1 являются мости от вектора прерывания, а также обеспечива- избыточными и служат для сокращения объема ет буферизацию актуальных данных, содержащихся программы. В целях оптимизации можно удалить в регистрах ip-ядра. Одновременно обработчик мо- часть логики ЦП, реализующую неиспользуемые жет работать только с одним прерыванием и име- в актуальной программе инструкции. В табл. 2 ет всего 16 векторов возможных переходов, однако представлен список команд переходов. его возможности существенно расширяет внешний контроллер прерываний. Так, например, все моду- В список арифметических команд (табл. 3) ли UART вызывают прерывание с номером 4, од- включены операции умножения и деления на ап- нако, сделав запрос до контроллера прерываний по паратно-реализованных блоках, подключать данные периферийной шине, можно выяснить, какой имен- модули без крайней необходимости нецелесообразно но модуль вызвал прерывание и по какой причине. из-за отсутствия умножителей в ПЛИС5578ТС034. Контроллер прерываний имеет внутреннюю память, в которой хранится история последних запросов. Контроллер в базовой версии имеет 63 коман- Данная особенность позволяет при выходе из пре- ды; с учетом расширений, доступных для неко- рывания, по шипе периферии обратится к памяти торых из них, общее число доступных операций контроллера прерываний и проверить историю за- составляет 78. В систему управления ЦП входит просов, которые могли возникнуть при обработке те- также контроллер шин для с шинами ОЗУ и пери- кущего прерывания. Если возникает ситуация с од- ферии. Его задача формировать сигналы разреше- новременным появлением запросов на прерывание, ния записи по мере готовности данных на соответ- то они обрабатываются согласно заранее установ- ствующих регистрах. адреса и данных. Контроллер ленным приоритетам. При запрете обработки пре- шин вносит задержку в один такт на выполнение рываний процессорный цикл сокращается, и основ- операции с ОЗУ и периферией незначительно сни- ная программа выполняются быстрее. Важно, что жая общую производительность системы, однако внешний контроллер прерываний продолжает рабо- в совокупности с полностью синхронным дизайном тать в полнофункциональном режиме с сохранением всей логики как самого ip-ядра, так и вспомога- истории прерываний, что позволяет реализовать ре- тельных и периферийных модулей, делает систему жим, при котором основная программа выполняется более стабильной и непривязанной к аппаратным максимально быстро и программным методом перио- особенностям ПЛИС. Для верификации результа- дически проверяет память контроллера прерываний. тов разработки были произведены успешные сбор- ки проекта и моделирования для разных семейств Контроллер памяти программ (КПП) не явля- ПЛИС, таких как FLEX, MAXII, cycloneIII и cy- ется обязательным в том случае, если для хранения cloneIV. Для CPLD в проект пришлось вводить из- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

РАЗРАБОТКА БОРТОВОГО МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО IP-ЯДРА 29 Т а б л и ц а 1. Общая система команд чтения — записи разработанного процессора № Инструкции Описание 1 AX Запись в младшие 16 бит 32-разрядного регистра А данных из текущей инструкции: A[15:0]<=Operand[15:0] 2 BX Запись в 16-битный регистр В данных из текущей инструкции: B[15:0]<=Operand[15:0] 3 RX Запись в 16-битный регистр адреса ОЗУ R данных из текущей инструкции: R[15:0]<=Operand[15:0] 4 PX Запись в 16-битный регистр адреса периферии P данных из текущей инструкции: P[15:0]<=Operand[15:0] 5 RamXR Запись данных из текущей инструкции в ОЗУ по адресу, записанному в регистре R: RAM(R)<=Operand[15:0] 6 RamXR+ Запись данных из текущей инструкции в ОЗУ по адресу, записанному в регистре адреса R, с его последующим инкрементированием: RAM(R)<=Operand[15:0]; R+1 7 PrhXP Запись данных из текущей инструкции в периферию по адресу, записанному в регистр адреса периферии P: PRH(P)<=Operand[15:0] 8 PrhXP+ Запись данных из текущей инструкции в периферию по адресу, записанному в регистр адре- са P, с его последующим инкрементированием: PRH(P)<=Instruction[15:0]; P+1 9 RamA Запись в ОЗУ содержимого младших разрядов регистра А. При нулевом операнде после инструкции запись осуществляется по адресу из регистра R. При ненулевом операнде запись происходит в ячейку ОЗУ с адресом, равным операнду из текущей команды: 0:RAM(R)<=A[15:0]; !0:RAM(X)<=A[15:0]; X<=Operand[15:0] 10 RamB Запись в ОЗУ содержимого регистра B. При нулевом операнде после инструкции запись осуществляется по адресу из регистра R. При ненулевом операнде запись происходит в ячейку ОЗУ с адресом, равным операнду из текущей команды: 0:RAM(R)<=B[15:0]; !0:RAM(X)<=B[15:0]; X<=Operand[15:0] 11 RamAB Запись в ОЗУ содержимого младших разрядов регистра А по адресу из регистра B: RAM(B)<=A[15:0] 12 RamBA Запись в ОЗУ содержимого регистра B по адресу из младших разрядов регистра А: RAM(A)<=B[15:0] 13 Read Prh При расширении инструкций, равном 0, осуществляется запись из периферийного устройства с адресом из регистра P в ячейку ОЗУ с адресом из регистра R. При расширении инструкций, равном 1, осуществляется запись из периферийного устройства с адресом из регистра P в младшие разряды регистра A. При расширении инструкций, равном 2, осуществляется запись из периферийного устройства с адресом из регистра P в регистр B: 0:RAM(R)<=PRH(P); 1:A<=PRH(P); 2:B<=PRH(P) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

30 К. Е. ВОРОНОВ, К. И. СУХАЧЕВ, Д. С. ВОРОБЬЕВ Т а б л и ц а 1. Окончание № Инструкции Описание 14 Write Prh При расширении инструкций, равном 0, осуществляется запись в периферийное устройство с адресом из регистра P содержимого младших разрядов регистра A. При расширении инструкций, равном 1, осуществляется запись в периферийное устройство с адресом из регистра P содержимого регистра B. При расширении инструкций, равном 2, осуществляется запись в периферийное устройство с адресом из регистра P в содержимые ячейки ОЗУ с адресом из регистра R: 0:PRH(P)<=A[15:0]; 1:PRH(P)<=B[15:0]; 2:PRH(P)<=RAM(R) 15 PrhBX Запись в периферийное устройство с адресом, равным операнду текущей команды содержи- мого регистра B: PRH(X)<=B[15:0]; X<=Operand[15:0] 16 ARamX Запись в младшие разряды регистра A содержимого ячейки ОЗУ с адресом, равным операнду текущей команды: A[15:0]<=RAM(X); X<=Operand[15:0] 17 BRamX Запись в регистр B содержимого ячейки ОЗУ с адресом, равным операнду текущей команды: B[15:0]<=RAM(X); X<=Operand[15:0] 18 Read Ram При расширении инструкций, равном 0, осуществляется запись в младшие разряды регистра A содержимого ячейки ОЗУ с адресом из регистра R. При расширении инструкций, равном 1, осуществляется запись в регистр B содержимого ячейки ОЗУ с адресом из регистра R: 0:A[15:0]<=RAM(R); 1:B[15:0]<=RAM(R) 19 Read Ram+ При расширении инструкций, равном 0, осуществляется запись в младшие разряды регистра A содержимого ячейки ОЗУ с адресом из регистра R с его последующим инкрементированием. При расширении инструкций, равном 1, осуществляется запись в регистр B содержимого ячейки ОЗУ с адресом из регистра R с его последующим инкрементированием: 0:A[15:0]<=RAM(R); 1:B[15:0]<=RAM(R); X<=X+1 20 ARamB Запись в младшие разряды регистра A содержимого ячейки ОЗУ с адресом из регистра B: A[15:0]<=RAM(X); X<=B[15:0] 21 BRamA Запись в регистр B содержимого ячейки ОЗУ с адресом из младших разрядов регистра A: B[15:0]<=RAM(X); X<=A[15:0] 22 REG Обмен информации между регистрами: При расширении инструкций, равном 0, запись: A[15:0]<=B[15:0]. При расширении инструкций, равном 1, запись: B[15:0]<=A[15:0]. При расширении инструкций, равном 2, обмен: B<=>A[15:0]. При расширении инструкций, равном 3, запись: R[15:0]<=A[15:0]. При расширении инструкций, равном 4, запись: R[15:0]<=B[15:0]. При расширении инструкций, равном 3, запись: P[15:0]<=A[15:0]. При расширении инструкций, равном 4, запись: P[15:0]<=B[15:0] Т а б л и ц а 2. Общая система команд переходов процессора «КВАРК» 23 jmp+ Команда безусловного перехода Увеличение значения счетчика команд на значение, равное операнду из текущей команды 24 jmpx Команда безусловного перехода Присвоение счетчику команд значения операнда из текущей команды РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

РАЗРАБОТКА БОРТОВОГО МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО IP-ЯДРА 31 Т а б л и ц а 2. Окончание 25 jmprg Команда косвенного перехода При расширении инструкций, равном 0, — присвоение счетчику команд значения из младших разрядов регистра A. При расширении инструкций, равном 1, — присвоение счетчику команд значения из регистра B 26 jmpRAMX Команда косвенного перехода Присвоение счетчику команд значения ячейки ОЗУ с адресом из операнда текущей команды 27 CM Команда условного перехода При расширении инструкций, не равном 0, при выполнении условия if(A[15:0]>B[15:0]) — при- своение счетчику команд значения операнда из текущей команды; если условие if(A[15:0]>B[15:0]) не выполняется, происходит увеличение значения счетчика команд на величину указателя длины команды. При расширении инструкций, равном 0, при выполнении условия if(A[15:0]>B[15:0]) — ин- крементирование значения счетчика команд; если условие if(A[15:0]>B[15:0]) не выполня- ется, происходит увеличение значения счетчика команд на удвоенную величину указателя дли- ны команды 28 CL Команда условного перехода При расширении инструкций, не равном 0, при выполнении условия if(A[15:0]<B[15:0]) — при- своение счетчику команд значения операнда из текущей команды; если условие if(A[15:0]<B[15:0]) не выполняется, происходит увеличение значения счетчика команд на ве- личину указателя длины команды. При расширении инструкций, равном 0, при выполнении условия if(A[15:0]<B[15:0]) — ин- крементирование значения счетчика команд; если условие if(A[15:0]<B[15:0]) не выполня- ется, происходит увеличение значения счетчика команд на удвоенную величину указателя дли- ны команды 29 CE Команда условного перехода При расширении инструкций, не равном 0, при выполнении условия if(A[15:0]==B[15:0]) — присвоение счетчику команд значения операнда из текущей команды; если условие if(A[15:0]==B[15:0]) не выполняется, происходит увеличение значения счетчика команд на величину указателя длины команды. При расширении инструкций, равном 0, при выполнении условия if(A[15:0]==B[15:0]) — ин- крементирование значения счетчика команд; если условие if(A[15:0]==B[15:0]) не выполня- ется, происходит увеличение значения счетчика команд на удвоенную величину указателя дли- ны команды 30 CN Команда условного перехода При расширении инструкций, не равном 0, при выполнении условия: if(A[15:0]!=B[15:0]) — присвоение счетчику команд значения операнда из текущей команды; если условие if(A[15:0]!=B[15:0]) не выполняется, происходит увеличение значения счетчика команд на величину указателя длины команды. При расширении инструкций, равном 0, при выполнении условия if(A[15:0]==B[15:0]) — ин- крементирование значения счетчика команд; если условие if(A[15:0]==B[15:0]) не выполняется, происходит увеличение значения счетчика команд на удвоенную величину указателя длины команды 31 AEZ Команда условного перехода При расширении инструкций, не равном 0, при выполнении условия if(A[15:0]!=0) — присво- ение счетчику команд значения операнда из текущей команды; если условие не выполняется, происходит увеличение значения счетчика команд на величину указателя длины команды. При расширении инструкций, равном 0, при выполнении условия if(A[15:0]!=0 — инкремен- тирование значения счетчика команд; если условие не выполняется, происходит увеличение значения счетчика команд на удвоенную величину указателя длины команды РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

32 К. Е. ВОРОНОВ, К. И. СУХАЧЕВ, Д. С. ВОРОБЬЕВ Т а б л и ц а 3. Общая система команд логических и арифметических операций процессора 32 split Замена частей внутри регистра При расширении инструкций, равном 0: A[31:16]<=A[15:0]; A[15:0]<=A[31:16]; При расширении инструкций, равном 1: B[15:8]<=B[7:0]; B[7:0]<=B[15:8] 33 rotB Вращение регистра B, замена младшего бита старшим и т.д. B[15:0]>>>B[0:15] 34 and Побитная логическая операция «И» между регистром B и младшими разрядами регистра A При расширении инструкций, равном 0: A[15:0]<=A[15:0]&B[15:0]; При расширении инструкций, равном 1: B[15:0]<=B[15:0]&A[15:0] 35 or Побитная логическая операция «ИЛИ» между регистром B и младшими разрядами регистра A При расширении инструкций, равном 0: A[15:0]<=A[15:0] |B[15:0]; При расширении инструкций, равном 1: B[15:0]<=B[15:0] |A[15:0] 36 not Побитная логическая операция «НЕ» При расширении инструкций, равном 0: A[31:0]<=∼A[31:0]; При расширении инструкций, равном 1: B[15:0]<=∼B[15:0]; При расширении инструкций, равном 2: A[15:0]<=∼B[15:0]; При расширении инструкций, равном 3: B[15:0]<=∼A[15:0] 37 xor Побитная логическая операция «исключающее ИЛИ» При расширении инструкций, равном 0: A[15:0]<=A[15:0]ˆB[15:0]; При расширении инструкций, равном 1: B[15:0]<=B[15:0]ˆB[15:0] 38 add Операция сложения: A[31:0]<=A[31:0]+B[15:0] 39 sub Операция вычитания: A[31:0]<=A[31:0]−B[15:0] 40 mlt Операция умножения: A[31:0]<=A[15:0]*B[15:0] 41 div Операция деления: A[15:0]<=A[15:0]/B[15:0] 42 incx Сложение с константой При старшем бите Operand[15]==1: A[31:0]<=A[31:0]+Operand[14:0]; При старшем бите Operand[15]==0: B[15:0]<=B[15:0]+Operand[14:0] 43 decx Вычитание константы При старшем бите Operand[15]==1: A[31:0]<=A[31:0]−Operand[14:0]; При старшем бите Operand[15]==0: B[15:0]<=B[15:0]−Operand[14:0] программ применяется память с шиной данных грамм и образуют командное слово. Режим парал- равной или большей, чем программное слово про- лельного хранения за одно обращение к памяти цессора, другим важным условием является рабо- позволяет считать все командное слово, что обеспе- тоспособность памяти на частоте ядра. Однако це- чивает работу на максимальной скорости для ИМС лью разработки является оптимизация для опре- памяти. Данный режим обеспечивает максимально деленной элементной базы, поэтому КПП вклю- доступный объем памяти программ. чен в структуру и позволяет подключать до трех 8-битных ПЗУ типа 1645РТ2У. КПП поддерживает Второй режим — работа с тремя ИМС памяти несколько режимов работы с памятью. в мажоритарном режиме «2 из 3». В каждой ИМС ПЗУ хранятся целиком командное слово в трех со- Первый режим — память программ функцио- седних ячейках, данные с которых последователь- нирует в режиме параллельного хранения. Из каж- но считываются и проходят через мажоритарный дой ИМС одновременно считывается по байту, элемент вместе с данными из других ИМС па- которые объединяются контроллером памяти про- мяти. Мажоритарный режим обеспечивает более РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

РАЗРАБОТКА БОРТОВОГО МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО IP-ЯДРА 33 Т а б л и ц а 4. Общая система команд работы с прерываниями процессора 44 softint Вызов программного прерывания 45 intcomp Команда выхода из прерывания 46 intoff Запрет вызова прерываний 47 inton Разрешение прерываний 48 ext_rom Переход на выполнение инструкции из периферийной памяти 49 int_rom Переход на выполнение инструкции из памяти программ 50 wait Переход в режим ожидания внешнего события 63 delayA Вызов программируемого ожидания, равного числу тактов из регистра A, во время ожидания продолжается работа основной последовательности (обработка прерываний доступна). При вызове прерывания при активном ожидании счетчик не останавливается, и при выходе из прерывания, если счетчик успел обнулиться, сразу сработает переход на следующую команду; если счетчик еще не обнулен, то операция ожидания будет продолжена: delay=CLK*A[31:0] (interrupts available) низкую скорость считывания программы по срав- Результаты испытаний процессора нению с режимом параллельного хранения и ис- пользует только треть доступной памяти программ, Ядро процессора отдельно проходило провер- однако повышает надежности системы. ку в различных конфигурациях и под различные семейства ПЛИС с тестовой программой, исполь- Третий режим КПП — режим одной ИМС ПЗУ. зующей набор инструкций облегченного режима. В единственной ИМС памяти хранятся все команд- Усредненные результаты представлены в табл. 5. ное слово в виде 3 байт в соседних ячейках, ана- логично с мажоритарным режимом. Данные считы- Из результатов, приведенных в табл. 5, вид- ваются последовательно и КПП формируют команд- но, что если брать за основу ПЛИС 5578ТС034, ное слово. Скорость работы в данном режиме равна то можно говорить об оптимальном варианте ядра предыдущему, но не обеспечивается повышение на- дежности системы. Третий режим является самым Т а б л и ц а 5. Результаты компилирования ip-ядра про- экономичным и позволяет сократить число корпусов цессора СМК ИМС ПЗУ. ПЛИС КПП реализует дополнительный режим, ко- торый активируется при программном запросе на Варианты FLEX Cyclone Cyclone MAX II переход к выполнению программы из внешней па- III IV мяти, при этом КПП формирует командные слова из данных, полученных по периферийной шине от Облег- объем контроллера внешней памяти. Дополнительный ре- чен- (элемен- 1930 860 868 870 жим проигрывает всем остальным по скорости, так как для формирование командного слова необхо- ный тов) димо выполнение длительной процедуры по счи- тыванию 3 байт из внешней, периферийной памя- MIPS 14,2 38,2 35 28,6 ти. Данный режим позволяет расширить простран- ство доступной памяти программ до любого необ- Опти- объем 1310 1379 1370 ходимого объема. Использование указателя длины маль- (элемен- 2752 команды позволяет оптимизировать использование ПЗУ, так как ядро автоматически будет учитывать ный тов) смещение адресации команд в памяти. MIPS 12 36,8 35 24,3 Макси- объем 1760 1731 — маль- (элемен- 3440 ный тов) MIPS 5,4 30 27,3 — РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

34 К. Е. ВОРОНОВ, К. И. СУХАЧЕВ, Д. С. ВОРОБЬЕВ (полный набор команд, но без аппаратного умно- процессора, а также выводить сигнал в том числе жения и деления), для ПЛИС 5576ХС6Т лучше ШИМ на внешние выводы ПЛИС. Сериализатор использовать уменьшенный набор команд, так как ШП является специальным модулем, преобразую- оптимальный вариант занимает больше 90 % объе- щим параллельный формат ШП в последователь- ма ИМС. ный, и служит для масштабирования периферий- ных устройств, подключенный к ядру, путем разво- Описание структуры рачивания ШП и продолжения ее в соседней ИМС синтезируемого контроллера ПЛИС. Такой подход сокращает количество меж- кристальных связей, а при необходимости повы- В структуру микроконтроллера кроме непо- шения надежности связи существует возможность средственно ядра и сильно сопряженных с ним мажоритирования последовательных каналов сери- блоков входят разработанные IP-модули различных ализатора ШП. систем, в основном это модули подключаемый по шине периферии. Структурная схема СМК пред- В структуре СМК существует две основные ставлена на рис. 3. шины — это шина периферии (ШП) и шина флагов и прерываний (ШФП). Взаимодействие с перифе- На структурной схеме СМК, кроме ранее рас- рийными устройствами происходит при операциях смотренных блоков ядра, контроллеров прерыва- чтения и записи по ШП. Каждое устройство ШП ний и памяти программ присутствуют периферий- имеет уникальный адрес и при обращении к нему ные блоки, отвечающие за связь с внешним окру- на следующем такте выставляет на своем выводе жением: контроллеры периферийных устройств, результат запроса, запись в периферийные устрой- интерфейсов, вводов/выводов и внешней памяти. ства происходит по адресу записи и сигналу раз- Другая группа блоков осуществляет ряд внутрен- решения записи. Все взаимодействия по ШП явля- них операций, к таким модулям относятся сторо- ются синхронными с сигналом тактирования ядра. жевой таймер, устройство запуска и блок тайме- Прерывания могут генерировать все внутренние ров-счетчиков. Каждый таймер-счетчик из блока блоки — от контроллеров интерфейсов до стороже- может генерировать сигналы прерывания для ядра вого таймера. Сторожевой таймер является устрой- ством, которое имеет программное управление, Рис. 3. Структура синтезируемого микроконтроллера РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

РАЗРАБОТКА БОРТОВОГО МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО IP-ЯДРА 35 и его необходимо предварительно активировать счетчика команд, при котором произошло послед- и настроить из программы, так как он является пе- нее зависание программы. риферийным устройством со своим уникальным ад- ресом. Основным настраиваемым параметром для Взаимодействие с другими модулями, подклю- сторожевого таймера является максимальное время ченными к ШП, построено аналогичным образом. отсутствия импульсов от счетчика инструкций яд- Модули необходимо инициализировать, отправив ра процессора. Сторожевой таймер позволяет при им конфигурационные пакеты, содержащие в том обращении к нему считать информацию о ранее числе команду активации. Некоторые модули за- детектированных нештатных ситуациях и значение нимают несколько адресов в области адресов ШП, что связано с тем, что они работают в разных Т а б л и ц а 6. Исходный набор периферии СМК на ядре «КВАРК» Модуль Кол-во Характеристики Примечание Таймер- 2 16-разрядный счетчик с 10-разрядным предделителем, возмож- Может являться ис- счетчик ностью установки триггера и формирования однофазного ШИМ точником прерываний ШИМ- 4 Специализированный ШИМ-контроллер для управления преоб- Максимальная часто- контроллер разователями различной топологии. Контроллер имеет возмож- та 625 КГц ность формирования парафазного ШИМ-сигнала, выбора раз- рядности от 6 до 16 бит и возможность установки длительно- сти мертвого времени Контроллер 1 32 ввода и 32 выхода. Вводы могут являться источником пре- Все возможности вво- ввода/вывода рываний или событий дов/выводов ПЛИС Контроллер 1 Предназначен для работы по интерфейсу SPI с микросхемами Может быть масшта- внешней flash-памяти (1636РР4У). Есть возможность работать на час- бирован для увеличе- памяти тоте, равной половине тактового сигнала ПЛИС. Поддерживает ния объема подклю- до трех параллельно подключенных ИМС в режиме «2 из 3» ченной памяти UART 4 Поддерживает работу в полнодуплексном режиме. Скорость Может являться ис- от 9600 до 921 600. точником прерываний Возможность включения проверки на четность и нечетность. Приемник и передатчик независимы I2C 2 Поддерживает работу с частотой 100 кГц или 400 кГц. Функ- Может являться ис- ционирует в режиме мастера. Возможность создания непрерыв- точником прерываний ной сессии с устройством SPI 2 Скорость соединения задается из программы. Максимальная Может являться ис- частота равна половине частоты тактирования модуля точником прерываний IWCC 2 Интерфейс с кодированием по стандарту IEEE 802.3. Разрабо- Может являться ис- тан для высоконадежного межкристального и межблочного со- точником прерываний единения на расстояниях до 30 м. Может использоваться для при отправке или при- соединения с КПА по витой паре с возможностью гальваниче- еме ской трансформаторной развязки. Доступные скорости 1–10 Мбит/с. Пакеты по 16 бит. Аппарат- ная реализация CRC8. Длина сессии не ограничена. SWI 1 Интерфейс для внутриплатных соединений ИМС ПЛИС по од- Может являться ис- ному проводу на скорости до 1,8 Мбайт/с. Самотактирующийся, точником прерываний пакеты по 16 бит РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

36 К. Е. ВОРОНОВ, К. И. СУХАЧЕВ, Д. С. ВОРОБЬЕВ режимах и нуждаются в нескольких конфигураци- Т а б л и ц а 7. Результаты компилирования СМК онных пакетах, так как содержат много настраива- Пара- ПЛИС емых параметров. Все интерфейсные модули имеют метр несколько адресов. EPF10K100 EPF10K100 EP3C16F EP4CE40 EBC356-3 EBC356-1 256C6 F29C6 При формировании контроллера была разрабо- тана развитая структура периферийных устройств, 4944 4944 3175 3200 избыточная для целевой ИМС ПЛИС. Данное ре- Объем (99 %) (99 %) (6 %) (3 %) шение позволяет, отключая не используемые в те- Произво- 100 % 172 % 540 % 525 % кущем проекте модули, получать оптимальную дитель- 67 % структуру, которая способна выполнять необходи- ность 67 % 6% 3% мые функции и конфигурироваться в объеме до- ступных логических вентилей ПЛИС. В качестве Память первоначального шаблона разработан СМК с на- бором периферийных устройств, представленным EP4CE40F29C6; EP3C16F484C6. Для всех вариан- в табл. 6, для него разработана таблица адресов, тов было проведено моделирование с учетом задер- что позволяет каждый раз при изменении состава жек распространения сигналов. модулей СМК не заниматься распределением ад- ресного пространства ШП. Из полученных результатов видно, что для 5578ТС034 данный вариант конфигурации зани- После оптимизации для ИМС 5578ТС034 была мает почти весь объем логических элементов, од- выработана следующая конфигурация СМК: нако остается область неиспользованной памя- ти. Ее не удается синтезировать целым сектором 1) ip-ядро СМК с «оптимальным» набором ко- с единым адресом для 16-битного слова, однако манд (61 команда с расширениями); можно создать дополнительный буфер под нуж- ды ядра или периферии. В данной комплектации 2) контроллер памяти программ, поддержива- ОЗУ равно 2048 × 16 бит. Для самой медленной ющий подключение трех ИМС ПЗУ в мажоритар- ИМС семейства FLEX максимальная частота, по- ном режиме и возможность исполнения инструк- лученная во временном анализаторе, составляет ций из внешней flash памяти; 25 МГц, что значительно уступает другим семей- ствам. Однако предполагаемая память программ по 3) SPI контроллер внешней flash-памяти с ма- жоритарным входом; 4) ШИМ-контроллер; 5) периферийный таймер-счетчик (есть еще ТО имеет время установления истинных данных до встроенный в ядро); 100 нс, что делает именно ее узким местом си- 6) UART — 2 комплекта; стемы в плане скорости. Кроме того, архитекту- 7) SPI — 1 комплект; ра ЦП дает дополнительное время на прохождение 8) I2C — 1 комплект; сигнала, что позволило пройти моделирование на 9) IWCC — 1 комплект (для связи с КПА); удвоенной частоте для EPF10K100EBC356-3. 10) выход ШП в параллельном и последова- Важной особенностью конфигурации СМК яв- тельном виде (через сериализатор); ляется полностью синхронный дизайн, независи- 11) один сторожевой таймер; мый от аппаратных особенностей ПЛИС, это обес- 12) контроллер входов/выходов — 32 вхо- печивает возможность переноса проекта между лю- да/16 выходов; быми семействами ИМС. Важны только доступный 13) устройство запуска; объем ОЗУ и количество логических элементов. 14) контроллер прерываний с памятью запросов. На базе данной конфигурации СМК под ПЛИС Результаты компиляции СМК в указан- 5578ТС034 разработан вариант типовой системы ной конфигурации представлены в табл. 7. управления, структурная схема которой представле- В качестве аналога 5578TC034 выбрана ПЛИС на на рис. 4. Устройства со звездочкой на рис. 4 EPF10K100EBC356-3. Для сравнения были скомпи- необязательны для работы СМК и приведены как лированы проекты под ИМС: EPF10K100EBC356-1; пример использования возможностей СМК. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

РАЗРАБОТКА БОРТОВОГО МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО IP-ЯДРА 37 Рис. 4. Структура СУ синтезируемого микроконтроллера Процесс отладки структуры для 5578ТС034 печатной платы именно им стоит уделить особое осуществляется по JTAG и проводится до одно- внимание. кратного программирования ИМС. Для отладки Разработанная система управления имеет сле- программы процессора можно использовать любую дующие характеристики: flash память с параллельным интерфейсом. • 32 Кбайт однократной памяти программ, рабо- Внешние выводы ИМС жестко не привязаны тающей в мажоритарном режиме; и могут назначаться после трассировки печатной платы, однако существуют системные выводы, ко- • 2 Мбайт внешнего накопителя на базе flash- торые переназначить невозможно, при трассировке памяти, работающей в мажоритарном режиме; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

38 К. Е. ВОРОНОВ, К. И. СУХАЧЕВ, Д. С. ВОРОБЬЕВ • 4 Кбайт ОЗУ на базе внутренней памяти ИМС Примечание ПЛИС5578ТС034; Результаты данной работы были применены • работа на частоте до 25 МГц; 16-, 32-битная в разработке «Система генерации лазерного из- архитектура ядра; лучения диодная» [4] совместно с РКК «Энергия». • возможность масштабирования посредством Список литературы подключения дополнительных модулей по ШП; 1. Никитин А. А. Реализация радиационно-стойкого • наличие стандартных и специальных интер- кодирования в рамках межкристальной связи систем, фейсов; состоящих из нескольких программируемых логи- ческих интегральных схем // Космическая техника • наличие специальных блоков. и технологии, 2018, № 4 (23). C. 100–110. Выводы 2. Чекмарев С. А., Вергазов М. Ю., Лукин В. А. и др. Моделирование бортового компьютера на базе откры- Показана возможность создания полноценного тых IP-блоков для малых и сверхмалых космиче- микроконтроллера на базе отечественных ПЛИС ских аппаратов // Вестник Сибирского государствен- типа 5578ТС034 и более емких ИМС. Разрабо- ного аэрокосмического университета имени академи- таны IP-модули периферийных устройств и неко- ка М. Ю. Решетнева. Красноярск, 2011, вып. 2 (35). торых интерфейсов. Предложен вариант создания C. 141–146. системы управления с использованием разработан- ного контроллера, практическое применение разра- 3. АО «Воронежский завод полупроводниковых прибо- ботанной СУ. В дальнейших разработках плани- ров — Сборка». Каталог изделий 2020 г. руется увеличение функциональных возможностей http://www.vzpp-s.ru/production/catalog.pdf (Дата СМК посредством оптимизации IP-модулей и до- обращения 11.02.2021). бавления новых. 4. АКПС.441372.120ПЗ. «Система генерации лазерного излучения диодная». Пояснительная записка. Сама- ра: [б.и.], 2020. 132 с. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2021, том 8, выпуск 1, c. 39–47 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ УДК 629.5.058.76 DOI 10.30894/issn2409-0239.2021.8.1.39.47 Повышение эффективности телеметрических радиолиний кластера малоразмерных космических аппаратов А. И. Азаров, к. т. н., [email protected] Военная академия РВСН имени Петра Великого, г. Балашиха, Российская Федерация Е. В. Бударин, [email protected] НИИ Калининградского филиала Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н. В. Пушкова РАН, г. Калининград, Российская Федерация Аннотация. Статья посвящена исследованию энергетической и частотной эффективности частотно-модулированных сигналов с непрерывной фазой. Полученные по результатам исследования значения показателей эффективности позволили дополнить существующие диаграммы эффективности телеметрических радиолиний новыми значениями. Результаты работы упрощают задачу выбора сигналов для обеспечения информационного обмена по телеметрическим радиолиниям кластера в условиях ограничений, накладываемых на энергетические ресурсы. Проведен анализ показателей эффективности методов угловой модуляции, используемых в современных телеметриче- ских системах. Учтены особенности кластерного построения орбитальной группировки малоразмерных космических аппаратов. Предложено использование частотно-модулированных сигналов с непрерывной фазой, позволяющих повысить энергетическую эффективность телеметрических радиолиний за счет межсимвольных фазовых связей, присущих данному классу сигналов. По результатам имитационного моделирования определены значения показателей эффективности для предлагаемых сиг- налов. Учет межсимвольных фазовых связей осуществлен с помощью алгоритма Витерби. Определены значения индексов модуляции частотно-модулированных сигналов с непрерывной фазой, представляющие практический интерес. Применение предлагаемых сигналов позволяет получить энергетический выигрыш до 3 дБ по сравнению с сигналами, используемыми в настоящее время. Выделены значения индексов модуляции, использование которых нецелесообразно. Ключевые слова: кластер, малоразмерный космический аппарат, диаграмма эффективности, непрерывная частотная модуля- ция, показатель расхода энергетических ресурсов, помехоустойчивость Increasing the Efficiency of the Small Spacecraft Cluster Telemetry Radio Links A. I. Azarov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Military Academy of the Strategic Missile Forces named after Peter the Great, Balashikha, Russian Federation E. V. Budarin, [email protected] West Department of Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences, Kaliningrad, Russian Federation Abstract. The article is devoted to the study of the energy and frequency efficiency of frequency modulated signals with a continuous phase. The values of efficiency indicators obtained from the results of the study made it possible to supplement the existing diagrams of the efficiency of telemetric radio lines with new values. The results of the work simplify the task of selecting signals to ensure information exchange via telemetric radio lines of the cluster under the conditions of restrictions imposed on energy resources. The analysis of efficiency indicators of angular modulation methods used in modern telemetry systems is carried out. The fea- tures of the cluster construction of the orbital constellation of small spacecraft are taken into account. The use of frequency modulated signals with a continuous phase is proposed, which makes it possible to increase the energy efficiency of telemetry radio lines due to intersymbol phase connections inherent in this class of signals. Based on the results of the simulation, the values of performance indicators for the proposed signals are determined. Inter- symbol phase connections were taken into account using the Viterbi algorithm. The values of the modulation indices of frequency modulated signals with continuous phase, which are of practical interest, are determined. The use of the proposed signals makes it possible to obtain an energy gain of up to 3 dB in comparison with the signals used at present. The values of the modulation indices, the use of which is impractical, are highlighted. Keywords: cluster, small spacecraft, efficiency diagram, continuous frequency modulation, energy consumption indicator, noise immunity

40 А. И. АЗАРОВ, Е. В. БУДАРИН Введение Значительный объем информации о состоянии контролируемых систем МКА, бортовой аппарату- Современные научные и технологические ре- ры и протекающих в них процессах получается шения в изготовлении образцов ракетно-косми- в результате регистрации данных с помощью раз- ческой техники позволяют совершить качественный личных видов бортовых датчиков. Использование скачок в создании малоразмерных космических ап- радиотелеметрических систем дает возможность паратов (МКА) для решения широкого класса целе- вести непрерывный контроль состояния МКА. вых задач. Тенденция к уменьшению размеров КА является общемировой [7,9,18]. На рис. 1 представ- Организация информационного обмена по те- лены некоторые из используемых МКА. Ведутся леметрическим радиолиниям (ТМР) с заданны- работы по созданию космических систем на основе ми значениями целевых показателей происходит МКА. в условиях ограничений на энергетические и ча- стотные ресурсы, накладываемых мощностью пе- Космические системы, представляющие собой редатчиков и международным регламентом радио- высокоорганизованные иерархические системы, со- связи соответственно. стоящие из группы МКА различного целевого на- значения, управляемых и выполняющих целевую Выбор метода и параметров модуляции проек- задачу как единый объект, получили название кла- тируемой ТМР определяет расход энергетических стеров МКА. Кластерное построение орбитальной и частотных ресурсов телеметрической радиолинии группировки МКА позволяет на практике реали- при требуемых значениях целевых показателей. зовать ряд новых системных эффектов. К основ- Для решения задачи выбора определенного метода ным из них следует отнести возможность комплек- модуляции принято использовать диаграммы эффек- сирования информации, получаемой от разнород- тивности ТМР [4–6]. Особенностью ТМР-кластера ных бортовых комплексов специальной аппаратуры является дефицит энергетических ресурсов, вы- МКА, многодиапазонность и одновременность на- званный миниатюризацией космических аппаратов. блюдения объекта с нескольких МКА, обеспечение В этой связи становится актуальной задача иссле- эффекта стереосъемки. Появляется возможность дования класса сигналов с межсимвольной фазовой не только сократить время между сеансами связи, связью (МФС), позволяющих повысить энергети- но и существенно увеличить их длительность. ческую эффективность ТМР-кластера МКА и на- несения их показателей на известные диаграммы эффективности. Рис. 1. а — CubeSat (CША, масса 1,5 кг), б — МКА ТНС-0 (Россия, масса 4,8 кг) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ РАДИОЛИНИЙ КЛАСТЕРА 41 Анализ показателей При сравнении различных видов угловой моду- эффективности методов угловой ляции, используемых для информационного обме- модуляции, используемых на, пользуются критериями спектральной и энер- в телеметрических радиолиниях гетической эффективности ТМР [4–6]. Энергети- ческая эффективность определяется энергией, ко- В современных телеметрических радиолиниях торую необходимо затратить на передачу 1 бита для организации информационного обмена приме- информации с заданной достоверностью. Удельный няют разновидности PSK (Phase Shift Keying — расход энергии на передачу 1 бита информации фазовая манипуляция) или FSK (Frequency Shift Keying — частотная манипуляция), относящиеся β2 = Eb = N0 Es a , (1) к классу угловой модуляции. При PSK в соответ- N0 log2 ствии с символами передаваемого сообщения из- меняется фаза гармонического колебания. Сигнал где Eb — энергия, затрачиваемая на передачу 1 би- c PSK определяется соотношением та информации. s(t) = g(t) cos 2πfct + 2π(m − 1) , Спектральная эффективность определяется по- a лосой частот, необходимой для передачи информа- ции с определенной скоростью. Удельный расход необходимой полосы частот на передачу 1 бита ин- формации в 1 секунду — где 2πf = ω — частота несущего электромагнит- αн = Δfн , (2) ного колебания; R ϕ = 2π(m − 1) — определяет a возможных зна- где Δfн — необходимая полоса частот; a R — скорость передачи информации. чений фазы несущего электромагнитного колеба- Так как все символы радиосигналов с прямо- ния (основание кода) в зависимости от поступаю- угольной огибающей, PCMa–PSK и PCMa- (Diffe- щих на модулятор символов m. rential Phase Shift Keying — относительная фазовая Сигнал c FSK может быть представлен в виде: манипуляция) передают на частоте несущей, то для 2E этих сигналов 1 T log2 s(t) = cos(2πfct + 2πmΔf t), 0 t Ts, αн = . (3) a где Δf — разнос частот; Частота заполнения ортогональных в усилен- Последовательность многоосновных (a > 2) ном смысле радиосигналов PCMa–FSK принимает a символов источника сообщений отображается в со- ответствующих сдвигах частоты несущего коле- различных значений, поэтому удельный расход ча- бания. Многоосновный FSK-сигнал записывается в виде: стот для такого сигнала определяется по формуле αн = a a . (4) log2 n−1 Удельный расход энергии и удельный расход s(t) = Re g(t − kTs)ej2πfddk(t−kTs)ej2πf0(t−kTs) , необходимой полосы частот связаны друг с другом i=0 предельным соотношением (5), которое позволяет 0 t Ts, теоретически обосновать весьма важную для прак- тики возможность взаимообмена энергетических где g(t − kTs) — частотный импульс, описывающий и частотных ресурсов радиолинии при использова- закон изменения частоты на длительности сим- нии многоосновных методов модуляции и фиксиро- ванных вероятности Pб ошибки на бит и скорости вольного интервала Ts; (R = const) передачи информации: dk — случайная многоуровневая последова- 1 (5) тельность символов источника сообщения, прини- β2 = αн 2 αн − 1 . мающая значения из множества {2i−a−1; i = 1, a}. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

42 А. И. АЗАРОВ, Е. В. БУДАРИН Существенной особенностью ТМР-кластера сигналы получили обозначение СPM (Continuous является значительное снижение мощности пере- Phase Modulation — частотная модуляция с непре- датчиков МКА, вызванное отсутствием возможно- рывной фазой). СPM представляет собой усовер- сти установить на них мощные системы электро- шенствованный вид частотной манипуляции и поз- питания. Указанная особенность негативно сказы- воляет повысить помехоустойчивость ТМР за счет вается на помехоустойчивости ТМР. Помехоустой- МФС, присущих данному классу сигналов [9–17]. чивость двоичных цифровых линий связи опреде- Комплексный анализ энергетических и спектраль- ляется вероятностью Pб ошибки на бит: ных характеристик сигналов с CPM наиболее пол- но представлен в [9, 13]. Pб = 1 − Φ β2(1 − K1,2 , В общем случае сигнал с CPM на выходе мо- дулятора имеет вид: где K1,2 — коэффициент корреляции; s(t) = 2E cos ωt + ϕ(t : In) 0 t NT, Φ(x) — табулированная функция Крампа: T x z2 e2 Φ(x) = √1 dz = 1 + 1 er f √x . где ϕ(t : In) — приращение фазы несущего колеба- ния; 2π 2 2 2 −∞ In — значение n-го символа видеосигнала. Приращение фазы несущего колебания опре- Снижение помехоустойчивости приводит к ис- кажению телеметрических данных и невозможно- деляет закон изменения фазы сигнала с CPM на сти получить объективную информацию о техниче- ском состоянии МКА. В связи с этим остро встает границе символьного интервала: вопрос повышения энергетической эффективности ТМР. Традиционным способом повышения помехо- n−1 устойчивости представляется использование поме- хоустойчивого кодирования. Однако указанный спо- ϕ(t : In) = 2πfдT Ik + 2πfдq(t − nT ) = соб связан с внесением избыточности в передавае- мую последовательность, что влечет повышенный k=−∞ расход частотного ресурса. Кроме того, для орга- низации информационного обмена предписано ис- = θn + 2πhInq(t − nT ), пользовать методы модуляции с эффективным при- менением полосы частот, позволяющие выполнить где θn — начальная фаза n-го символа радиосигнала; требования к занимаемому частотному диапазону q(t) — фазовый импульс (ФИ), определяющий и обеспечить требуемый уровень внеполосных излу- чений ρ [7, 8]. закон приращения фазы на длительности символа радиосигнала; Исследование частотно-модулированных сигналов h — индекс модуляции, определяющий спек- с непрерывной фазой. тральные свойства и энергетическую эффектив- Экспериментальное определение ность сигналов с CPM. показателей эффективности Множество различных символов сигналов В связи с вышесказанным перспективным на- с CPM отличаются не только значениями частоты, правлением представляется исследование частот- но и значениями начальной фазы, вследствие чего но-модулированных сигналов с непрерывной фа- соседние символы обладают МФС, т. к. начальная зой (ЧМНФ). В международной практике данные фаза любого символа зависит от значений несколь- ких предыдущих информационных символов [10,13, 14, 16, 17]. В этом случае повышение помехоустой- чивости достигается за счет использования опти- мального алгоритма приема, позволяющего учесть корреляционные связи между символами передава- емого сигнала. В настоящее время широкое прак- тическое применение получил лишь один сигнал с CPM — сигнал MSK (Minimum Shift Keying — сигнал с минимальной частотной манипуляцией), РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021