Спектр радиоволн
от орбиты до глубин
из космоса в смартфон
Мы не видим радиоволны, но именно с их помощью передается большая часть современной информации: от телефонных разговоров до связи с самолетами и спутниками. Кажется, что сигналу достаточно просто «долететь» до получателя, однако на самом деле его путь напрямую зависит от среды, через которую он распространяется.
В космосе радиоволны почти свободно преодолевают огромные расстояния. В атмосфере они могут отражаться от объектов, позволяя радарам определить их местоположение, на земле
сталкиваются с рельефом, зданиями и другими препятствиями, а под водой быстро затухают — там приходится использовать другие физические принципы.
Именно поэтому универсального способа передачи сигнала не существует. Для каждой среды инженеры разрабатывают собственные технологии, учитывая законы распространения волн и особенности окружающего пространства.
Подробнее — в спецпроекте «Известий» при поддержке холдинга Росэл Госкорпорации Ростех.
Росэл
Холдинг Росэл Госкорпорации Ростех — один из крупнейших российских разработчиков и производителей радиоэлектроники. В его состав входит порядка 120 предприятий и научных организаций, расположенных по всей России.
Компании холдинга создают продукцию полного цикла — от разработки материалов и электронной компонентной базы до производства готовых радиоэлектронных комплексов, применяемых в государственном секторе, на объектах промышленной инфраструктуры и в различных гражданских отраслях.
Мощная научно-производственная база позволяет холдингу разрабатывать и создавать технологии, способные работать в самых разных условиях — от космического пространства до глубоководных акваторий.
Желая посмотреть прогноз погоды или найти оптимальный маршрут с помощью смартфона, мы редко задумываемся, насколько огромный путь проходит нужная нам информация.
За доли секунды радиосигнал связывает наземные станции с аппаратами, движущимися вокруг Земли с огромной скоростью — до 8 км/с на низких орбитах и порядка 4 км/с на геостационарных.
Вопреки распространенному мифу, в космосе связь не работает лучше. Да, там нет дождей, облаков и гор, которые могут ослабить сигнал, но зато много других ограничителей — космическое излучение, перепады температур и трудности с ремонтом оборудования после запуска. Поэтому спутниковая связь строится как сложная система, где надежность каждого элемента имеет значение.
Свое начало сигнал берет на поверхности Земли: станция кодирует данные и передает их на спутник с помощью мощных антенн. На орбите бортовая аппаратура принимает эти волны, усиливает, обрабатывает и либо отправляет дальше, либо использует для выполнения команды.
В обратном направлении спутник непрерывно передает телеметрию — информацию о состоянии своих систем: положении на орбите, температуре оборудования, уровне заряда, работе двигателей и десятках других параметров.
Благодаря этому инженеры могут контролировать аппарат и при необходимости корректировать его работу.
Чтобы передача данных оставалась стабильной даже на расстоянии в тысячи километров, спутниковое оборудование использует целый набор специализированных компонентов. Например, лампы бегущей волны усиливают высокочастотный сигнал перед передачей на Землю.
Внутри прибора радиоволна взаимодействует с потоком электронов, благодаря чему сигнал становится значительно мощнее и может преодолевать огромные расстояния.
Внутри прибора радиоволна взаимодействует с потоком электронов, благодаря чему сигнал становится значительно мощнее и может преодолевать огромные расстояния.
Эта технология стала применяться в космической сфере еще в 60-х годах, но остается востребованной в современных системах спутниковой связи благодаря высокой эффективности на больших мощностях.
Не менее важна и точность. Ее обеспечивают кварцевые резонаторы — они задают стабильную частоту, синхронизируя работу электронной аппаратуры. А за чистоту сигнала отвечают дискретные и интегральные LC-фильтры, которые отделяют полезную информацию от помех и позволяют приемному оборудованию выделить переданные данные.
Обеспечение связи — лишь одна из задач спутника. Чтобы он сохранял расчетную орбиту, его необходимо периодически корректировать. Здесь в дело вступают специальные пиротехнические воспламенители — компактные, но крайне надежные устройства, от которых зависит работа двигательной установки в нужный момент.
В космосе у него нет права на ошибку: если устройство не сработает, спутник не сможет выполнить необходимый маневр.
Не менее важны и материалы, из которых собирается космическая электроника. Например, при производстве электронных модулей применяются специальные нанопасты. Они обеспечивают невероятно прочное соединение, способное выдерживать экстремальные нагрузки космоса, в том числе многократные циклы резкого охлаждения и нагрева, а также обладают экстремальными тепло- и электропроводностью.
Современная космическая связь — это не только спутники на орбите. Для отдельных задач используются и высотные аэростаты — стратостаты. Они могут служить платформой для размещения оборудования связи в качестве альтернативы низкоорбитальным спутниковым системам, а также средств контроля и мониторинга, включая комплексы для гиперспектральной съемки и геосканирования.
Сеть из нескольких стратостатов, координируемых через наземные станции и межмашинное взаимодействие, способна обеспечить непрерывное покрытие обширных территорий без слепых зон и при необходимости быстро перераспределять ресурсы.
Стратостат
CмотретьВ космосе очень сложно, а порой и вовсе невозможно заменить вышедшую из строя деталь, поэтому надежность начинают контролировать еще на этапе разработки — от материалов и компонентов до программного обеспечения. Именно поэтому развитие собственной электронной компонентной базы остается одной из ключевых задач современной космической отрасли России.
Чем больше критически важных технологий создается внутри страны, тем устойчивее работают системы связи, навигации, дистанционного зондирования Земли и другие спутниковые сервисы, без которых сегодня уже невозможно представить привычную жизнь.
Наш взор ограничивают многие вещи — темнота, погодные условия и большое расстояние. Преодолеть эти факторы помогают радиоволны. Они невидимы для человеческого глаза, но позволяют обнаруживать объекты — самолеты, беспилотники, корабли и многое другое с помощью физики независимо от времени суток.
В основе этой технологии лежит радиолокация, принцип работы которой напоминает эхо. Радиолокационная станция излучает электромагнитный сигнал, который распространяется в пространстве со скоростью света.
Если на его пути встречается объект, часть энергии отражается обратно. Приемное устройство фиксирует такой сигнал, а вычислительная система анализирует время его возвращения, изменение частоты и другие параметры. На основе этих данных определяется расстояние до объекта, его скорость, направление движения и положение в пространстве.
Современные радиолокационные комплексы не просто обнаруживают цель, они также способны одновременно определять множество объектов, отличать самолет от стаи птиц, отслеживать траекторию полета и передавать информацию другим системам управления.
Именно поэтому радиолокация используется в гражданской авиации, метеорологии, навигации, системах безопасности и управлении воздушным движением.
Для высокой точности таких систем необходимо использовать специализированную электронику очень высокой частоты (СВЧ). Сверхвысокие частоты позволяют формировать узкие направленные лучи, получать более детальное изображение пространства и быстрее передавать данные. Чем выше требования, тем выше характеристики электронных компонентов, из которых собрана аппаратура.
Однако обнаружить объект — лишь половина задачи. Полученные данные нужно передать, обработать и превратить в понятную информацию. Для этого радиолокационные комплексы работают вместе с системами связи, вычислительной техникой и специальным программным обеспечением.
Именно поэтому радиолокация используется в гражданской авиации, метеорологии, навигации, системах безопасности и управлении воздушным движением.
Для высокой точности таких систем необходимо использовать специализированную электронику очень высокой частоты (СВЧ). Сверхвысокие частоты позволяют формировать узкие направленные лучи, получать более детальное изображение пространства и быстрее передавать данные. Чем выше требования, тем выше характеристики электронных компонентов, из которых собрана аппаратура.
Однако обнаружить объект — лишь половина задачи. Полученные данные нужно передать, обработать и превратить в понятную информацию. Для этого радиолокационные комплексы работают вместе с системами связи, вычислительной техникой и специальным программным обеспечением.
За считанные секунды отраженный сигнал проходит путь от антенны до цифровой модели воздушной обстановки, которую видит оператор или автоматизированная система управления.
Практически каждый современный летательный аппарат оснащен собственными средствами связи и навигации. Бортовая аппаратура обеспечивает обмен данными с наземными службами, а аппаратура селективного вызова позволяет быстро получать адресные сообщения и команды, предназначенные именно этому самолету или группе воздушных судов.
Для определения скорости относительно земной поверхности и угла сноса используются доплеровские измерители — они анализируют изменение частоты отраженного сигнала и помогают уточнять параметры полета и точнее выдерживать курс.
Чем выше расположено оборудование, тем большую территорию оно способно охватить. Поэтому на больших высотах функции связи и наблюдения выполняют дирижабли и аэростаты.
На них размещают системы дальнего видеонаблюдения, технику для ретрансляции радиосигналов, а также комплексы поиска и определения координат мобильных телефонов.
В воздушном пространстве все чаще применяют беспилотные летательные аппараты, которые используются для мониторинга, картографирования, сельского хозяйства и других задач.
Современные БПЛА могут оснащаться различными оптико-электронными нагрузками, работающими в телевизионном (ТВ) и инфракрасном (ИК) диапазонах. Такие системы позволяют получать данные о состоянии сельскохозяйственных территорий: контролировать состояние посевов и почв, анализировать уровень увлажненности и другие важные параметры.
Помимо наблюдения, беспилотные комплексы выполняют и практические задачи. Так, системы опрыскивания БПЛА «Феникс-Э» помогают проводить адресное внесение удобрений, предпосевную обработку почвы и борьбу с насекомыми-вредителями, включая саранчу. Это позволяет точнее использовать ресурсы и быстрее реагировать на изменения состояния сельскохозяйственных объектов.
БпЛА «Феникс-Э»
CмотретьНезависимо от местонахождения техники — на поверхности земли, воды или в небе — принцип ее работы остается общим: радиоволна становится носителем информации. Она помогает обнаружить объект, определить его координаты, передать данные и связать между собой множество элементов единой системы.
Именно поэтому развитие радиолокационных комплексов, СВЧ-электроники и систем связи остается одной из ключевых задач современной радиоэлектроники — от надежности этих технологий зависит безопасность воздушного пространства и эффективность работы множества гражданских и специальных систем.
Кажется, что современная инфраструктура состоит преимущественно из материальных объектов: дорог, заводов, электростанций, различных транспортных средств или сельскохозяйственной техники. Но в действительности ее работа во многом зависит не только от механизмов, но и от непрерывного обмена данными.
Сотни тысяч датчиков, камер, антенн и вычислительных систем каждую секунду собирают информацию, передают ее по каналам связи и помогают принимать решения быстрее, чем это сделал бы человек.
Практически любой современный объект является источником данных. Сенсоры фиксируют температуру, давление, уровень вибрации, качество воздуха, координаты техники или состояние оборудования. Затем эта информация поступает в системы мониторинга, где обрабатывается и переводится в форму, понятную оператору.
Например, таким образом работают комплексы мониторинга наземной инфраструктуры «Зенит» и программно-аппаратные решения для контроля экологической обстановки «Палантир». Их задача — объединить разрозненные данные в единую цифровую систему, которая помогает своевременно обнаруживать изменения и предупреждать возможные риски.
Однако одних систем мониторинга недостаточно: полученные данные необходимо оперативно довести до специалистов, которые координируют работу на месте и принимают решения.
Там, где мобильная связь неприменима или недостаточно надежна, используют специализированные системы цифровой радиосвязи.
Например, комплекс «Созвездие DMR» обеспечивает оперативную групповую связь и позволяет определять местоположение абонентов, что особенно важно при проведении спасательных работ, на промышленных предприятиях и в работе экстренных служб.
Если обычная инфраструктура недоступна, обеспечить передачу данных на большие расстояния помогают станции тропосферной связи, такие как «Гроза 1,5». Они используют особенности распространения радиоволн в нижних слоях атмосферы и позволяют организовать связь там, где прокладка кабелей или строительство базовых станций невозможны.
Полученные данные служат для работы автоматизированных систем управления. Роботы, беспилотная техника и интеллектуальное оборудование постоянно анализируют информацию от собственных датчиков, определяют свое положение в пространстве и выбирают дальнейшие действия.
Программно-аппаратный комплекс «Палантир»
CмотретьНапример, комплекс «Созвездие DMR» обеспечивает оперативную групповую связь и позволяет определять местоположение абонентов, что особенно важно при проведении спасательных работ, на промышленных предприятиях и в работе экстренных служб.
Если обычная инфраструктура недоступна, обеспечить передачу данных на большие расстояния помогают станции тропосферной связи, такие как «Гроза 1,5». Они используют особенности распространения радиоволн в нижних слоях атмосферы и позволяют организовать связь там, где прокладка кабелей или строительство базовых станций невозможны.
Полученные данные служат для работы автоматизированных систем управления. Роботы, беспилотная техника и интеллектуальное оборудование постоянно анализируют информацию от собственных датчиков, определяют свое положение в пространстве и выбирают дальнейшие действия.
Даже современная сельскохозяйственная техника, например интеллектуальные сеялки, использует элементы автоматического управления, чтобы точно соблюдать заданную траекторию движения и равномерно распределять семена по полю.
Не менее важную роль играют средства наблюдения. Универсальные телевизионные камеры способны работать в сложных климатических условиях. В аэропортах для повышения безопасности применяется автоматизированная система орнитологической безопасности ОРНИ. Она обнаруживает птиц, отслеживает траекторию их полета и помогает снизить риск столкновения с воздушными судами.
Сеялка
CмотретьСегодня в эфире одновременно работают средства связи, навигационные системы, БПЛА и множество других устройств. Если нарушить работу одного из каналов, последствия скажутся на всей системе управления.
Именно поэтому развивается направление радиоэлектронной борьбы. Его задача — не физическое воздействие на объект, а работа с самим сигналом. Комплексы радиоэлектронного подавления, такие как «СЕРП-ВС13Д», способны обнаруживать каналы управления беспилотными аппаратами и создавать радиопомехи, нарушая передачу команд или работу спутниковой навигации.
Для защиты транспорта используются специализированные системы, например «ПРЕС-ВМ», помогающие снизить угрозу со стороны управляемых дронов за счет подавления их каналов связи.
Частью единой цифровой экосистемы являются и те устройства, которые не связаны с передачей данных напрямую. Так, персональные медицинские помощники обеспечивают дистанционный контроль состояния человека, передавая показатели врачам в режиме реального времени.
Зарядные станции для электромобилей обмениваются информацией с энергосистемой, распределяя нагрузку и контролируя процесс зарядки. А промышленные системы, такие как дистанционные комплексы «ГРЕСС», позволяют выполнять потенциально опасные операции с высокой точностью и минимальным участием человека.
Для защиты транспорта используются специализированные системы, например «ПРЕС-ВМ», помогающие снизить угрозу со стороны управляемых дронов за счет подавления их каналов связи.
Частью единой цифровой экосистемы являются и те устройства, которые не связаны с передачей данных напрямую. Так, персональные медицинские помощники обеспечивают дистанционный контроль состояния человека, передавая показатели врачам в режиме реального времени.
Зарядные станции для электромобилей обмениваются информацией с энергосистемой, распределяя нагрузку и контролируя процесс зарядки. А промышленные системы, такие как дистанционные комплексы «ГРЕСС», позволяют выполнять потенциально опасные операции с высокой точностью и минимальным участием человека.
Таким образом, современный мир все меньше зависит от отдельных устройств и все больше от того, насколько быстро и надежно они могут обмениваться информацией.
Именно поэтому радиоэлектроника становится основой цифровой инфраструктуры: она объединяет датчики, средства связи, вычислительные системы и автоматизированные комплексы в единую сеть, где главным ресурсом становятся не механизмы, а данные и сигналы, связывающие их между собой.
Современные суда используют сразу несколько технологий связи, поскольку работают одновременно в двух средах — на поверхности воды и под водой.
В первом случае для приема эфирных сигналов могут использоваться всенаправленные антенны, такие как «Нептун-АФУ-ТВ», а для устойчивой передачи данных на больших расстояниях — корабельные станции спутниковой связи «Призма» или спутниковые станции семейства «Нептун». Они позволяют поддерживать связь судна с берегом даже там, где отсутствует наземная инфраструктура.
Современные суда используют сразу несколько технологий связи, поскольку работают одновременно в двух средах — на поверхности воды и под водой.
В первом случае для приема эфирных сигналов могут использоваться всенаправленные антенны, такие как «Нептун-АФУ-ТВ», а для устойчивой передачи данных на больших расстояниях — корабельные станции спутниковой связи «Призма» или спутниковые станции семейства «Нептун». Они позволяют поддерживать связь судна с берегом даже там, где отсутствует наземная инфраструктура.
Однако при погружении привычные законы радиосвязи перестают работать. Если в воздухе ее волны способны преодолевать сотни километров, то в морской среде они быстро затухают.
Причина в высокой электропроводности воды: она поглощает энергию электромагнитных волн, не позволяя сигналу преодолевать большие расстояния. Именно поэтому связь в таких условиях остается одной из самых сложных инженерных задач.
Это не означает, что передать информацию на глубине невозможно, просто здесь в силу вступают другие физические принципы.
Вместо радиоволн инженеры используют звук — точнее, акустические волны, которые гораздо лучше работают в водной среде. На этом принципе основаны гидроакустические системы, позволяющие обнаруживать объекты, определять расстояние до них и обмениваться информацией в условиях, где обычная радиосвязь оказывается бессильна.
На самом деле, работа гидроакустики во многом напоминает радиолокацию. Передатчик излучает звуковой импульс, который распространяется в воде, отражается от объекта и возвращается обратно. По времени прохождения сигнала и характеристикам отраженной волны можно определить направление, расстояние и даже особенности цели.
Такой метод может использоваться как для навигации, так и для поиска объектов, исследования морского дна и обеспечения безопасности судоходства.
И все же полностью отказаться от радиосвязи на глубине не получится — акустика не решает всех задач. Когда нужно передать информацию на большие расстояния, например, подводным лодкам, используются сверхнизкие частоты.
Они способны проникать сквозь толщу воды значительно глубже обычных, хотя скорость передачи данных при этом невелика. Поэтому средства радиосвязи для таких аппаратов проектируются с учетом особых требований — здесь важнее надежность сигнала, чем его объем.
Современные подводные лодки редко работают изолированно. Все чаще для исследования акваторий, мониторинга инфраструктуры или выполнения других задач применяются беспилотные подводные аппараты.
Им важно уметь не только передавать информацию, но и точно определять собственное положение: под водой спутниковая навигация недоступна, поэтому координаты необходимо фиксировать до погружения и после всплытия.
Так, навигационный модуль ГНСС-2 помогает определить координаты на поверхности перед погружением и после всплытия, а также обеспечивает точную привязку маршрута к спутниковым навигационным системам.
Таким образом, морская связь представляет собой не одну узконаправленную технологию, а целую систему, в которой каждая среда диктует свои правила.
Средства радиосвязи для подводных лодок
Под водой информацию передают акустические волны и специальные средства связи, на поверхности работают радиосистемы и спутниковые каналы, а вместе они создают непрерывную сеть обмена данными — от глубин океана до орбитальных спутников.
Именно сочетание разных физических принципов позволяет человеку уверенно ориентироваться и передавать информацию даже там, где привычные способы перестают работать.