«Техника-молодежи» 1984 №7, с.38-41
Статистика свидетельствует: каждые полтора часа в Мировом океане происходит бедствие. Если помощь поспевает в первые восемь часов, шансы потерпевших на спасение равны 50%. Если помощь опаздывает на сутки, остается всего один шанс из десяти. Ученые из разных стран мира, в том числе и СССР, продолжают совершенствовать космические системы поиска аварийных судов. |  В море — советский аварийный буй. |
«SOS... SOS... SOS...»
...Ураган обрушился на побережье Флориды внезапно — срывал крыши, выворачивал деревья, опрокидывал автомобили. Эфир надрывался истошными мольбами о помощи. Запертым в гаванях спасателям оставалось лишь вслушиваться, как под напором волн стонут мощные бетонные волнорезы. И ждать, пока, насладившись дьявольским пиршеством, стихия предоставит возможность попытаться спасти тех, кого еще можно будет спасти.
Капитан Педро Лопес, прозванный приятелями «счастливчиком», любил море. И, может быть, именно за эту любовь судьба сберегала его, подбрасывая в последний момент тот самый единственный шанс, который отделяет бытие от небытия. И он продолжал выходить в море даже тогда, когда отшлифованное десятилетиями чутье моряка предупреждало о грозящей опасности. Сегодня, похоже, терпению фортуны пришел конец. Их осталось всего двое, капитан и его корабль. «Святая Мария» погружалась, ежеминутно заглатывая гигантские порции забортной воды...
Капитан окинул взглядом заваленную обломками палубу. Рухнувшая мачта легла точно на радиорубку. На месте спасательных шлюпок болтались обрывки талей. Все было разгромлено ураганом, искорежено, перепутано, смято. С трудом пробравшись в рубку, он отыскал запасную портативную рацию, проверил питание и послал сигнал аварийного вызова. Он повторял его снова и снова в надежде, что береговой центр в Майами все-таки услышит его просьбу о помощи. И, уже совсем отчаявшись, он выбрался на палубу и еще раз послал сигнал вверх. Зачем? Ведь было немыслимо рассчитывать на какой-либо самолет.
...Когда на горизонте появилась точка, принявшая вскоре очертания сторожевика береговой охраны, Педро не поверил своим глазам. Грохнувшись на колени, он стал истово молиться...
Между тем произошло следующее. Аварийный сигнал все же был перехвачен, но не самолетом, а советским спутником серии «Космос», запущенным в рамках международной программы КОСПАС — САРСАТ, участниками которой в то время были СССР, США, Франция и Канада. Бортовая аппаратура спутника зафиксировала сигнал и передала его американской наземной станции слежения в штате Иллинойс. Наземная аппаратура расшифровала информацию, определив точные географические координаты, которые были переданы сначала окружному центру в Майами, а оттуда — спасателям из Питтобурга на побережье Флориды. Высланный ими катер поспел как раз вовремя: через полчаса спасать было бы уже некого.
Таким образом, чуда не было. И все же капитан Педро Лопес, видимо, действительно был счастливчиком. Ему повезло втройне. Во-первых, в том, что над районом бедствия в это время пролетал советский спутник «Космос-1383». Во-вторых, в поле зрения спутника одновременно со «Святой Марией» оказалась и наземная станция слежения, то есть сигнал был принят немедленно. В-третьих, информация со спутников пользовалась приоритетом: система КОСПАС — САРСАТ проходила опытную эксплуатацию, уточнялись ее возможности.
Однако везение в океане — вещь крайне редкая, почти невероятная. В жестоких поединках со стихией гибнут люди, в океанских пучинах исчезают огромные материальные ценности. Поисковые работы оборачиваются порой астрономическими суммами. По данным известного Регистра Ллойда, каждый год тонут свыше 380 только крупных судов, причем примерно десять из них исчезают вообще бесследно вместе с грузами и экипажем. Что произошло на борту: взрыв, пожар, или, быть может, «сработал» один из загадочных сюрпризов океана, описанием которых пестрит научная фантастика? Об этом, к сожалению, остается только гадать. Трудно себе представить, чтобы крупное океанское судно, оснащенное современной техникой, не попыталось в критической ситуации выйти на связь и запросить помощь...
Появление спутниковых систем наблюдения способно, по мнению специалистов, внести в ситуацию коренной перелом. Первым шагом было создание космических систем связи и космической навигации. Следующим — появление глобальной поисково-спасательной системы КОСПАС — САРСАТ.
Но у этой совершенной в техническом отношении системы обнаружился и серьезный недостаток. Взгляните на рисунок. Низкоорбитальные спутники КОСПАСа, пролетающие на высотах 800-1000 км, «просматривают» полосу шириной примерно в 6000 км (в данном случае зоны оптической и радиовидимости совпадают). Их аппаратура может одновременно принять, обработать и запомнить несколько десятков сигналов бедствия. Но вот передать их на Землю спутник сможет только тогда, когда он находится в зоне наземной станции слежения. Все остальное время собранная и обработанная информация бесцельно хранится в блоках его электронной памяти. В наиболее неблагоприятном случае задержка в передаче может достигать четырех часов, в течение которых спасатели теряют драгоценное время, а потерпевшие — надежду на спасение.
Стремление сделать поисково-спасательные системы более надежными дало толчок новым исследованиям.
НИЗКООРБИТАЛЬНЫЙ ИЛИ ГЕОСТАЦИОНАРНЫЙ?
На первый взгляд этот вопрос может показаться банальным. В самом деле, сегодня чуть ли не каждому школьнику известно, что в поле зрения геостационарного спутника, вращающегося синхронно с Землей на высоте 36 000 км, попадает почти треть земной поверхности, в том числе, конечно, и суша (рис. внизу). А раз так, то проблема связи судна с береговыми службами должна решаться очень просто: судно посылает сигнал на спутник, тот ретранслирует его обратно на Землю — и радиомост готов. Так оно, собственно, и происходит, например, в системе морской космической связи ИНМАРСАТ. Из любой точки океана вы можете через спутник позвонить по телефону даже себе на квартиру. Связь оперативная, а главное, надежная.
Естественно, сразу возникают вопросы. Почему, например, специалисты, безусловно знающие возможности геостационарных спутников, все же отдали предпочтение низкоорбитальным? Почему, взвесив все «за» и «против», они не учли столь важного параметра, как фактор времени?
Все дело в том, что оказание помощи терпящим бедствие судам и самолетам, чрезвычайно затрудненное и в обычных условиях, становится практически невозможным, если неизвестны точные координаты катастрофы. При выборе системы точность решала все. А именно здесь у низкоорбитальных спутников все преимущества. Расчеты предсказывали: используя известный эффект Допплера (изменение частоты сигнала при взаимном перемещении приемника и передатчика), скоростной спутник может автоматически определять координаты с отклонением всего в 1-2 морские мили. Причем совершенно безразлично, будет ли посылаться радиосигнал специализированным аварийным буем, или же будет использоваться обычная портативная рация, имеющая частоты 406 или 121,5 МГц. Это были очень весомые аргументы. Ради таких возможностей стоило пойти на дополнительные затраты для создания специализированных спутников и наземных станций космического наблюдения. Что и было сделано в рамках международного проекта КОСПАС — САРСАТ.
Эта система оказалась очень эффективной. На начало марта нынешнего года спасено уже 183 человека. Причем в большинстве случаев аппаратура спутников оказалась более «чуткой», чем береговые радиоцентры или поисковые самолеты. Анализ накопленного за полтора года опыта эксплуатации КОСПАСа лишний раз подтвердил: решать проблему обеспечения безопасности мореплавания можно только в комплексе, используя все возможности, которыми располагает современная техника. Ведь фактор-то времени остался.
И тогда вновь обратились к геостационарным спутникам. Основная трудность заключалась в том, что до сих пор эти спутники использовались лишь в качестве ретрансляторов, приспособленных к вполне определенным условиям. Но одно дело, когда в космос направляется мощный сигнал судовой радиостанции, дополнительно сфокусированный остронаправленной антенной. И совсем другая ситуация, когда судовой аппаратурой воспользоваться нельзя и приходится иметь дело со слабеньким сигналом аварийного радиобуя или рации, антенной которых служит обычный четвертьволновый штырь. Здесь было пока много неясного. И прежде всего требовалось получить ответ на вопрос: насколько надежной будет радиотрасса? А ответ мог дать только эксперимент.
Схемы охвата спутниками земной поверхности. Вверху — низкоорбитальными, внизу — геостационарными. |
Существовали и иные трудности. Например, как определять координаты места бедствия? Ведь для неподвижного относительно Земли спутника эффект Допплера не имеет места. И если исключить передачу координат «открытым текстом», то в информационной посылке не нашлось бы ничего, за что можно было бы зацепиться, чтобы их определить. Единственной возможностью было подключение аварийного буя к навигационной системе корабля или самолета с тем, чтобы координаты записывались в память буя либо непрерывно, либо периодически. При этом из сферы обслуживания сразу выпадал целый класс мелкотоннажных судов различного назначения, которые не обладали совершенным навигационным оборудованием, но тем не менее могли нуждаться в помощи, как и всякие другие.
Так что вопрос, на какой орбите должен находиться космический наблюдатель, оказался отнюдь не банальным.
В пользу геостационарных спутников говорили два обстоятельства. Во-первых, быстрая передача информации о бедствии — фактор времени утратил свою остроту. Другим аргументом были экономические соображения. Дело в том, что строительство наземных станций слежения за спутниками требует больших капитальных затрат, а также времени. Здесь же представлялась возможность использовать часть уже имеющегося оборудования действующей системы ИНМАРСАТ: спутники, приемные антенны, часть электронной аппаратуры, энергетические установки. Станции слежения ИНМАРСАТа уже работают, их остается только дооборудовать.
Оба эти фактора оказались столь весомыми, что руководство ИНМАРСАТа обратилось к Международному союзу электросвязи с просьбой произвести необходимые исследования и выявить возможности создания новой международной системы поиска и спасения, основой которой были бы геостационарные спутники. В дальнейшем эта система могла бы стать гармоничным дополнением к ныне действующей системе КОСПАС — САРСАТ.
РОЖДЕНИЕ САДКО
Совещание в кабинете главного инженера затягивалось. На повестке дня был всего один вопрос: разработка и изготовление радиоэлектронной аппаратуры для участия в комплексных испытаниях новой космической спасательной системы. Срок — один год.
Занося данные в блокноты, начальники отделов и секторов с сомнением качали головами — уж очень жесткие устанавливались сроки! Поясним: для научно-исследовательского института, загруженного текущими делами, включение в план дополнительной тематики — событие крайне нежелательное, ибо связано с ломкой устоявшихся производственных процессов. Опытные специалисты прекрасно представляли себе, что значит «создать аппаратуру». Предстояло выполнить необходимые расчеты, составить электрические схемы, отладить их на макетах, разработать конструкцию отдельных узлов и всего изделия в целом, изготовить в металле, вновь отладить, «прогнать» по тестам, испытать в различных условиях...
Подготовка аварийного буя к спуску на воду. Приемная станция в Виллафранка. В центре — процессор, разработанный советскими учеными.  |
Международный союз электросвязи предложил странам — участницам проекта (кроме нашей страны, ими были США, ФРГ, Великобритания и Норвегия) изготовить радиооборудование самостоятельно, чтобы затем в совместных испытаниях выявить наиболее совершенные образцы и рекомендовать их к массовому тиражированию. Вопрос стоял так: если можешь — сделай, не можешь — не берись.
— Поручить эту работу молодежи было, пожалуй, единственным выходом, — вспоминает руководитель разработки Станислав Арташесович Даниэлян. — Конечно, сомневались: справятся ли? Уж очень необычной, да и сложной была эта задача.
Они справились. Вместе с Даниэляном разработку возглавили кандидат технических наук Александр Мацков и научный сотрудник Александр Вахранев. С ними работали те, кто действительно был увлечен идеей, — ведь со свободным временем пришлось надолго распроститься. Так были разработаны приемный процессор и аварийный радиобуй.
Спустя год с небольшим на конференции молодых специалистов отрасли мелькнет короткое сообщение: коллективом молодежи института разработана и успешно испытана Система автоматизированной доставки корреспонденции (САДКО), предназначенная для работы в составе космической спасательной системы, использующей геостационарные спутники. Забегая вперед, скажем, что результаты испытании были неизменно стабильными, что особенно важно, когда речь идет о сравнении с аналогичной аппаратурой известных зарубежных фирм.
...Мы познакомились с САДКО уже позже, после завершения испытаний. Радиобуй впечатление производил. Он стоял в лаборатории, стройный, чуть ниже человеческого роста, с обтекателем антенны, похожим на дельфиний нос. Где-то в недрах этой конструкции находились два радиопередатчика, блоки управления, памяти, телеметрии, источник питания — одним словом, все необходимое для того, чтобы на языке математических символов составить телеграмму о бедствии и отправить ее в эфир. Чуть поодаль — стойка с электроникой (приемный процессор) и телетайп. Телетайп работал, распечатывая на бумажной ленте расшифровку одного из тестов, который запустили специально для нас, чтобы показать аппаратуру в действии. Ровные строчки цифр несли информацию о личном номере корабля, характере аварии, географических координатах, точном времени и курсе. Получив эти данные в реальных условиях, спасатели рассчитают фактическое местоположение корабля и дадут целеуказание судам и самолетам.
— Приемный процессор — самая сложная часть аппаратуры, — рассказывает Даниэлян. — Он должен не только выделить слабый сигнал из шумов и помех, но и по обрывкам телеграммы восстановить ее первоначальный текст. Эта задача под силу только вычислительной технике, поэтому в состав процессора входит встроенная микро-ЭВМ, а вся обработка информации ведется в цифровой форме. При этом используется специальный метод: при приеме сообщение по частям накапливается в ячейках памяти, анализируется и выделяется самая «надежная» его часть. Для определения начала телеграммы аппаратура радиобуя формирует опознавательные импульсы.
Мы осматриваем САДКО. Здесь, в лаборатории, четкость работы кажется привычной, если хотите, обыденной. И тогда подумалось: сколько же сил и умения пришлось приложить, чтобы вот так же четко эта сложнейшая аппаратура работала в условиях экстремальных, когда нужно было всесторонне оценить ее возможности? А подготовка к испытаниям шла полным ходом. В конце 1981 года ракета «Ариана», запущенная с французского полигона в Гвиане, вывела на геостационарную орбиту спутник связи «Марекс-А», имеющий канал связи с наземной станцией слежения в Виллафранка дел Кастильо (Испания). А на севере Норвегии готовился уникальный эксперимент...
ДЕВЯТЬ БАЛЛОВ НА МАГНИТНОЙ ЛЕНТЕ
Смоделировать шторм пытались неоднократно, но вот его электронной модели, пожалуй, не создавал еще никто. В самом деле: шторм и радиоволны — что может их связывать? Ну, скажем, ситуация — радиосвязь и поныне остается единственной соломинкой, за которую может «ухватиться» терпящее бедствие судно или самолет. Штормы часто сопровождаются грозами, и сигнал, посланный с судна, тонет в море помех. Вот, пожалуй, и все.
Появление спутниковых спасательных систем заставило взглянуть на проблему с другой стороны. Оказалось, что волнение на море способно столь сильно «изуродовать» радиосигнал с буя, что для приема приходится применять специальные методы его обработки. Положение усугубляется на краях зоны радиовидимости, то есть в местах, откуда спутник связи виден под очень малым углом над горизонтом, и радиотрасса проходит почти горизонтально. Ведь буй не корабль, его швыряет, как щепку, на пути радиолуча стеной встают волны, превращая четкую последовательность сигналов в хаотическое нагромождение из обрывков сообщений. От водной поверхности возникают отражения, которые воспринимаются как помехи. Так что интерес к проблеме вполне понятен.
Перед организаторами испытаний встала дилемма: либо посылать исследовательское судно вместе с буями и экипажем в девятибалльный шторм и тем самым подвергать его излишнему риску, либо искать какие-то иные способы отладки системы. И выход был найден. Группа западногерманских инженеров отправилась на северное побережье Норвегии, установила на скале фьорда приемник и магнитофон и день за днем скрупулезно записывала реальные радиосигналы от реального радиобуя, сбрасываемого при различном волнении на разном расстоянии от берега.
Эксперимент, безусловно, был уникальным. Полученные данные позволили организовать первую фазу совместных испытаний наземной приемной аппаратуры, не покидая Виллафранка, и вместе с тем произвести всестороннюю оценку представленных образцов аппаратуры.
«Участниками эксперимента» были: спутник связи «Марекс-А», наземная станция слежения, приемные процессоры стран-участниц и... электронная модель шторма. Последняя была нужна для того, чтобы предварительно исказить сигнал, посылаемый на спутник, придать ему вид, максимально приближенный к реальности. Спутник ретранслировал принятый сигнал обратно на Землю, где он распределялся между аппаратурой стран-участниц таким образом, чтобы вся она находилась в равных условиях. Таким образом оценивалась чувствительность приемников, их помехозащищенность, время, затрачиваемое на восстановление полного текста телеграммы о «бедствии». Одновременно аппаратуру готовили к заключительному этапу испытаний — уже в реальных условиях.
СЕВЕРНЫЙ ВАРИАНТ
В январе 1983 года из Гамбурга в Норвежское море отплыло исследовательское судно «Гаусс», принадлежащее Гидрографическому институту ФРГ. Путь его лежал мимо Эдинбурга вдоль Шетландских островов к самой северной точке Европы — мысу Норд-Кап. Развернутый на тысячах километров международный эксперимент должен был дать ответ на главный вопрос: сможет ли система обеспечить надежный прием из мест, откуда спутник связи виден под углом всего в один градус? И если наземное оборудование уже было испытано в Виллафранка, то аварийным радиобуям еще предстояло выдержать схватку со стихией.
...Когда мы спросили Сергея Гурского и Сергея Цветкова, участников разработки и испытаний, как вело себя их детище, они ответили:
— Особенно радовались, когда передатчик нашего буя, рассчитанный вначале на излучение 10 Вт, обеспечил надежную связь всего при 0,8-0,9 Вт — это мощность карманного фонаря. И этот показатель оказался стабильным, превзойдя все наши ожидания...
...«Гаусс» дрейфовал милях в пятидесяти от побережья. На корабле жили по испанскому времени. Ночью заряжали аккумуляторы. Утром руководитель экспедиции Уве Хаммершмидт через все тот же «Марекс-А» связывался по телексу с Виллафранка с руководителем испытаний Малькольмом Джонсоном — уточнял программу работы на очередной день. После того как хронометр в капитанской каюте отсчитывал положенное время, мощный корабельный кран опускал за борт буй — матку, к которой по цепочке пристегивались буи стран-участниц. «Гаусс» отходил и ложился в дрейф. Затем по радиокоманде с борта судна включались аварийные передатчики, и начинался очередной сеанс связи Океан — Космос — Земля.
А в Виллафранка, прильнув к экранам спектроанализаторов, с нетерпением ждали. Мелькнет в хаосе шумов голубоватый всплеск — значит, есть сигнал. Нет — ищи причину. А где она: здесь ли, в Виллафранка, или там, эа тысячу километров, в бушующем море? Протоколы испытаний фиксировали всякое: буи переворачивались, под ударами волн отказывала электроника. К чести наших разработчиков, их изделия вели себя безукоризненно в любых условиях.
 Наземная станция слежения в Виллафранка дел Кастильо. |
Передатчик буя работал десятиминутными сеансами, за каждый из которых телеграмма о бедствии повторялась 50 раз. В условиях, когда радиотрасса была почти горизонтальной, далеко не каждый раз телеграмма доходила до адресата или же доходила не полностью. Но наземная аппаратура и рассчитана именно на такие условия работы. Приняв сигнал, станция слежения передавала его на приемный процессор. Электроника регистрировала посылку, «очищала» ее от шумов и помех и отправляла в соответствующую ячейку накопителя. Анализируя накопленную информацию, ЭВМ восстанавливала первоначальный полный текст сообщения. Советской аппаратуре на это требовалось в среднем около пяти минут — показатель очень высокий.
ОКЕАН — КОСМОС — ЗЕМЛЯ
Подведем итоги. Комплексные испытания новой поисково-спасательной системы с использованием геостационарных ретрансляторов подтвердили прогнозы: радиотрасса оказалась надежной. Подтвердилось и качество советской разработки — наша аппаратура лишь совсем немного уступила западногерманской, гораздо более сложной и дорогой.
Попробуем заглянуть в будущее. Система КОСПАС — САРСАТ, безусловно, получит дальнейшее развитие — таково мнение большинства специалистов. Но она получит мощное подспорье. Ведь даже трех геостационарных спутников, расположенных над акваториями Атлантического, Индийского и Тихого океанов, достаточно для того, чтобы получить практически полную картину происходящего в Мировом океане. Как будут взаимодействовать эти системы? Возможен, например, такой вариант. Суда и самолеты оснащаются аварийными радиобуями, приспособленными для работы как с низкоорбитальными, так и с геостационарными спутниками. Если по каким-либо причинам не удалось ввести в буй точные координаты, можно сделать это ориентировочно. Это даст возможность оповестить суда и самолеты, находящиеся в этом районе. Более точные координаты будут автоматически определены спутниками системы КОСПАС — САРСАТ. Но в любом случае информация о бедствии будет передана в считанные минуты.
И наконец, последнее. Результаты этого уникального эксперимента сейчас тщательно анализируются. Какой облик примет единая спутниковая поисково-спасательная система, покажет будущее.