Когда Галилео Галилей изобрел телескоп, то одной из первых планет, на которую он направил его, была Венера. Три века спустя советские ученые первыми в мире сделали радиоснимок северного полюса нашей ближайшей соседки, со времен Галилея скрытой от взглядов астрономов. Эти горы, вулканические кратеры и долины до недавнего времени не видел никто, поэтому пока они не имеют названий. Изображение построено ЭВМ путем «сшивания» полос радиосъемки, полученных в ходе различных сеансов (это хорошо видно по неровным краям снимка). Каждая «ленточка» представляет собой отдельную полосу съемки шириной 150 км. В центре снимка — северный полюс Венеры. Параллели проведены через каждые 2°, меридианы — через 30°. Один градус в меридиональном направлении равен 105 км.

ГЕОРГИЙ АФАНАСЬЕВ,
наш спец. корр.

Радиопортрет Утренней звезды

...впервые в мире получен советскими учеными и инженерами. Детальная картина поверхности Утренней звезды, скрытой густыми облаками от наземных телескопов и телекамер автоматических межпланетных станций, выстроена благодаря новому способу исследования планет — космическому радиовидению, возникшему на стыке радиоэлектроники и вычислительной техники.

ЭВМ НАД ПОЛЮСОМ ВЕНЕРЫ

...На «проводе» была Венера. По телеэкрану медленно перемещалась белесая полоса, словно над планетой навис непроницаемый туман. Шла четвертая минута сеанса связи... Никто не мог сказать, правильно ли работает аппаратура на борту спутника, — поскольку никто не знал, что именно попало в поле зрения автоматической межпланетной станции (АМС) «Венера-15», наблюдавшей поверхность нашей ближайшей соседки сквозь толстый слой облаков. Пятая минута... Напряжение нарастало. По экрану поплыла темная косая линия...

— Правильно, так и должно быть. Аппаратура работает нормально, — раздался голос руководителя ОКБ Московского энергетического института, академика АН СССР Алексея Федоровича Богомолова.

И действительно, «молоко» на экране — а это оказалось ровное, лишенное рельефа пространство — вскоре сменилось четко различимой гористой местностью. Впечатление было такое, будто на борту межпланетной станции установлена обычная телекамера, передающая на Землю изображение проплывающих далеко внизу кратеров и каньонов. Но роль телекамеры на борту спутника исполнял... радиолокатор.

Каждый, кто хоть раз видел его экран, удивится: ничего похожего на телевизионную картинку он не показывает. Луч локатора, как известно, «ощупывает» окружающее пространство и ярко светящейся точкой на темном фоне экрана сигнализирует, что на его пути встретился какой-то предмет. А как предмет выглядит, локатор «не интересует»: изображение самолета — точка, изображение корабля — пятнышко. И если направить антенну на Землю, засветится равномерно весь экран: это будет означать, что каким-то обширным рельефом полностью закрыто все поле зрения локатора. Но тогда как же удалось рассмотреть горы на далекой планете?

Суть в том, что на борту АМС «Венера-15» и ее близнеца «Венеры-16» работало необычное оборудование: радиолокаторы бокового обзора (РБО) с так называемой синтезированной диаграммой направленности. А для расшифровки их сигналов и воссоздания на экране предметов, попавших в зону радиовидимости, использовались бортовые и наземные ЭВМ.

Орбиты межпланетных станций «Венера-15» и «Венера-16» были выбраны так, чтобы за один их виток Венера успевала повернуться вокруг своей оси ровно на ширину «высвеченной» локатором полосы. Каждый же спутник облетал планету с такой скоростью, что за время, протекшее между съемкой двух соседних кадров (в одном из режимов работы), он перемещался по орбите ровно на ширину кадра. Для страховки от случайностей «Венеры» снимали один и тот же район с промежутком в трое суток.

Чтобы пояснить принцип работы РБО, рассмотрим такой пример.

Рис. 1. Схема полета межпланетных станций над Венерой.

...Представим себе бакен на реке и набережную, участки которой, облицованные гранитом, чередуются с отлогими песчаными пляжами. Промчавшийся «Метеор» вздымает волну, которая, дойдя до берега и отразившись от него, разбивается на множество мелких волн, бегущих одна за другой теперь уже в обратном направлении. Ясно, что волны, отразившиеся от крутой гранитной набережной, раскачают бакен сильнее, нежели те, что идут от пологого песчаного откоса. Так вот, по характеру раскачивания бакена нетрудно определить, от какого берега пришла волна-отклик — от крутого или пологого. А зная скорость отраженных волн, можно по времени запаздывания «откликов» с большой точностью сказать, какие участки берега облицованы гранитом, а какие нет.

Теперь заменим «Метеор», создавший волну, передатчиком, излучающим радиоимпульсы, бакен — приемником, а берег — поверхностью Венеры. Получим действующую (в первом приближении, разумеется) модель РБО.

Рис. 2. Принцип действия РБО: чем дальше расположена точка рельефа, тем дольше сигнал находится в пути. Красный луч длиннее зеленого на расстояние «а», следовательно, путь, преодолеваемый красным импульсом туда-обратно, длиннее на «2а». Рис. 3. Схема поясняет образование доплеровского сдвига частоты: точки В-Г приближаются — частота сигнала выше, точки А — Б удаляются — частота сигнала ниже. Сигналы, отраженные от полосы Б-В (нулевой сдвиг), учитывались при построении изображения, остальные отбрасывались.

Итак, по времени задержки «откликов», поступивших на антенну РБО, можно судить об удаленности облученного препятствия, находящегося, напомним, сбоку от станции — перпендикулярно к траектории ее движения (р и с. 2). Чем интенсивнее «отклики» — это зависит от характера рельефа, — тем ярче вспыхнут точки на экране. В итоге на телеэкране отдельные точки с различной яркостью сольются в единое изображение поверхности, как бы освещенной лучами радиолокатора.

Тут возникает вопрос: если изображение, создаваемое РБО, неотличимо от телевизионного, то зачем нужна сложная обработка сигналов с помощью ЭВМ? Разве нельзя просто подключить антенну РБО прямо к телевизору?

РАДИОВИДЕНИЕ: ЛОКАТОР ПЛЮС ЭВМ

Дело в том, что четкость радиоизображения зависит от числа точек разной яркости, различимых глазом в строке. Лишь когда их много, вместо невразумительных расплывчатых пятен на экране возникают очертания местности. Но сигналы от двух точек (вернее, участков поверхности) можно различить лишь в том случае, если импульс «уйдет» из одной раньше, чем «придет» в другую.

В самом деле: нельзя же сказать, что станция Гора и станция Впадина — две разные станции железной дороги, если расстояние между ними меньше длины поезда! Так и тут — чтобы различить два близко расположенных участка местности, надо уменьшить длину импульса; вместо электрички пустить, скажем, трамвай.

Но чем короче импульс, тем больше должна быть величина (амплитуда) электромагнитных колебаний, иначе мощности излучения — а она пропорциональна амплитуде импульса и его длительности — просто-напросто не хватит, чтобы «высветить» поверхность, и ответные сигналы потонут в помехах. Чтобы избежать этого, надо делать более мощные передатчики — следовательно, увеличивать их вес и габариты. По этому пути, разумеется, идти нельзя.

Но как сделать, чтобы, с одной стороны, импульс передатчика был как можно короче — тогда РБО будет иметь высокую разрешающую способность, а с другой, как можно длиннее — тогда оборудование не получится слишком громоздким?

Как решить это весьма распространенное в современной технике противоречие? Если послать маломощный короткий импульс, то его отражения будут слишком слабыми, верно? А почему нельзя послать подряд 10, 20, 60 объединенных в «пакет» импульсов и затем при приеме накопить энергию соответственно 10, 20, 60 «откликов»? А чтобы не спутать, какому импульсу какой «отклик» принадлежит, сделать их...«разноцветными»: синими, желтыми, зелеными, красными... Отраженный от поверхности сигнал будет переливаться всеми цветами радуги, но, разложив его по «полочкам», пропустив, скажем, через призму, мы в любой момент можем определить, что сейчас, допустим, в сигнале 5% желтого и 20% синего цветов, а две секунды назад было 30% желтого, а синего — всего 0,5%. Зная точное время, когда был излучен синий, а когда желтый сигнал, мы по различному времени задержки для каждого цвета определим, от каких участков поверхности синий сигнал отражался сейчас и две секунды назад и от каких в то же самое время отражался желтый.

Разумеется, «раскрасить» радиоволны нельзя, а вот пометить короткие слабые импульсы, образующие совместно длинный сильный сигнал, — задача вполне выполнимая: для этого в качестве метки надо использовать фазу электромагнитных колебаний. Как это делается, рассказать без применения сложного математического аппарата невозможно, а потому любителям строгого, точного изложения порекомендуем книгу И. А. Липкина «Основы статистической радиотехники, теории информации и кодирования». М., «Советское радио», 1978, с. 115 — там применяемый в РБО сигнал назван «фазоманипулированным псевдослучайным сигналом» (ФМПС), а разложение его по «полочкам», то бишь по «цветам», названо «корреляционной обработкой».

Итак, учтя время задержки «отклика», РБО может вычислить одну координату любой цели в направлении, перпендикулярном движению АМС. Но ведь есть еще и вторая — совпадающая с направлением движения АМС — координата. Для ее определения используется эффект Доплера: ведь РБО «смотрит» вбок, перпендикулярно направлению полета. По отношению к одним участкам поверхности станция приближается, по отношению к другим — удаляется. В первом случае частота волны-отклика чуть возрастет, во втором — немного снизится (рис. 3). После соответствующей обработки на ЭВМ сигнал, принятый РБО, можно выводить на телеэкран. Каждая, новая строка изображения появляется на нем сверху, предшествующая ей картинка сдвигается вниз — и создается эффект телекамеры, плывущей над планетой.

Обрабатывая сигналы, принятые маленькой — около метра в диаметре — антенной, удается различать мельчайшие, размером в 1-2 км, подробности рельефа. Конечно, можно было бы создать локатор с очень узким лучом («узкой» диаграммой направленности, как говорят специалисты), если бы... не диаметр антенного зеркала, необходимый для столь сильной фокусировки радиоволн; 70 м! Таков размер наземных радиотелескопов Центра дальней космической связи! Таким образом, маленькая антенна РБО как бы имитирует (синтезирует) диаграмму направленности крупной антенны. Поэтому такие радиолокаторы и называются «РБО с синтезированной диаграммой направленности».

КТО КОГО МОДЕЛИРУЕТ?

Итак, Венера устойчиво была на «проводе». На экране ЭВМ, как под крылом самолета, медленно проплывала панорама поверхности. Панорама, прямо скажем, уникальная.

— ЭВМ тем и отличается от всех приборов, машин и механизмов, созданных человеком, что выполняемые ею действия зависят не от ее конструкции, а от заложенной программы, — пояснил А. Ф. Богомолов. — Это значит, что если информация представлена в понятном для машины виде чисел или символов, то можно запрограммировать любой алгоритм обработки поступающих данных. При этом из сигнала на входе ЭВМ будет выделена нужная полоса частот, или он будет разложен в спектр, или закодирован для повышения помехоустойчивости... Написать и отладить программу значительно проще, чем создать новый прибор, а «работать» она будет тем точнее, чем сложнее схема устройства. Для обработки сигналов РБО мы иных принципов, кроме цифрового, даже и не рассматривали — настолько те проигрывают по большинству параметров.

Вот почему сигнал, отраженный от поверхности Венеры, и принятый антенной РБО, немедленно после усиления и детектирования (удаления несущей высокой частоты) превращался в поток цифр — точнее, в поток цифровых пар: ведь, кроме амплитуды ФМПС-сигнала, надо было учесть и его фазу. Все дальнейшие действия велись с помощью ЭВМ — в том числе и те, которые можно было бы выполнить традиционными радиотехническими средствами.

Рис. 4. Структура кадра с изображением поверхности Венеры: случай А — сигнал точно попал в «окно приема», случай Б — в «окно приема» пришли сразу два сигнала. Наземная ЭВМ переставляет местами участки 1 и 2, и образуется единая полоса изображения.

— Зачем же стрелять из пушки по воробьям? — может возразить на последнее читатель, знакомый с основами радиотехники. — Чтобы, к примеру, разделить сигнал по доплеровским частотам, проще, наверное, применить не ЭВМ, а обыкновенные радиотехнические фильтры, состоящие из конденсаторов и катушек индуктивности. Фильтр играючи ослабит колебания одних частот и не тронет других, в ЭВМ... Для того чтобы смоделировать катушку индуктивности или конденсатор, потребуются сложнейшие алгоритмы.

Нет, не нужны такие алгоритмы. Ведь радиотехнические приборы, по сути, представляют собой грубые модели математических операций: дифференцирования, интегрирования... Так зачем же нам «приблизительно» моделировать работу фильтра на ЭВМ, если по математической формуле, описывающей процесс фильтрации, ЭВМ может непосредственно произвести все расчеты! Отсюда и точность работы, и отсутствие побочных эффектов, и легкость программирования...

Вот поэтому на межпланетных станциях отправились к Венере небольшие, легкие, но очень точные бортовые вычислители, получавшие информацию непосредственно от РБО и там же, на борту, создававшие строку изображения. А уже на измерительном пункте Медвежьи Озера подсоединенный прямо к приемной антенне спецпроцессор ввода «закладывал» получаемую с борта информацию в универсальный управляющий вычислительный комплекс (УВК). Этот «мозговой центр» системы обработки строил изображение на телеэкранах, на фототелеграфном аппарате, а также записывал всю получаемую информацию на магнитную ленту. Разумеется, бортовые вычислители и спецпроцессоры ввода можно было бы заменить универсальными ЭВМ... однако техника, выполненная строго «по мерке», то есть настроенная лишь на данную задачу, работает экономнее и значительно быстрее. Разумеется, там, где быстродействие ЭВМ не имеет первостепенного значения, применялся универсальный УВК, который легко перенастроить на другую программу, модернизировать, если это потребуется (и потребовалось!).

Получив первые изображения венерианского рельефа, сотрудники ОКБ создали программу, устраняющую с экрана косые темные полосы: их появление связано с тем, что АМС, двигаясь по эллиптической орбите, изменяет высоту полета с 900 до 1600 км. В разных точках орбиты сигналу требуется разное время, чтобы долететь до Венеры и вернуться обратно, и, стало быть, неизвестно, когда надо включить аппаратуру, чтобы поймать «отклик». Поэтому передатчик посылал импульс несколько раз — для гарантии (рис. 4 — случай А). Но частенько бывало так, что приёмник ловил «хвост» одного и «голову» другого сигнала (случай Б). А программа просто переставляла местами участки 1 и 2. Операция простая по сравнению с вычислением точного времени включения приемника, но эффективная: темные полосы исчезли (среднее фото).

Рис. 5. Комплекс бортовой обработки данных РБО при помощи специализированной вычислительной машины. Условные обозначения: РЛС — радиолокационная станция, включающая в себя радиолокатор бокового обзора (РБО) и радиовысотомер; Оцфр — аппаратура оцифрования данных, АДЗ — аппаратура долговременного запоминания, служит для накапливания данных в то время, когда их нельзя сразу же передать на Землю. ТрКд — транспортное кодирование, осуществляемое специальными устройствами с использованием помехозащищенного кода; ПрдСв — передатчик связи. Бортовой специализированный вычислительный комплекс состоит из следующих блоков: 1 — цифровой фильтр, выделяющий те сигналы, которые соответствуют центральной полосе съемки с нулевым доплеровским сдвигом; 2 — специализированный умножитель; 3 — специализированный сумматор; 4 — накопитель. В АДЗ формируется кадр научной информации (КНИ). На магнитной ленте АДЗ записываются: А — радиояркости точек в строке изображения, полученные в ходе оперативной обработки; Б, Д — вспомогательные данные для наземной обработки; В — необработанные данные кадровой съемки; Г — то же, что и А, ко со сдвигом 300 миллисекунд. Эти данные перекрывают для надежности половину предыдущего кадра и половину следующего; Е — необработанные данные радиовысотомера.

Исчезли? Нет, просто они переместились ближе к краям. Но ведь эти плохо освещенные лучом РБО участки тоже содержат ценную информацию о рельефе! Значит, зная, какие особенности имеет антенна, надо «сообщить» эти сведения ЭВМ. Это было сделано — и в результате появились равномерно освещенные снимки поверхности Венеры.

Окончательно картинка на телемониторе выглядит так, как на фото внизу. Думается, что и не будь ни каких облаков над поверхностью Венеры, все равно никакая телекамера не смогла бы с высоты 1500 км зафиксировать ущелье шириной 3 км.

***

Рис. 6. Наземный комплекс оперативной обработки. Прм — приемник, Декд — декодер, РЛ1, РЛ2 — резервные накопители на магнитных лентах, ФТА — фототелеграфный аппарат, МЛ — магнитная лента, М — телевизионные мониторы.

Итак, изображение получено, но работа не закончилась. Мы рассказали лишь об оперативной обработке, в которой использовалась часть получаемой информации. Существует и другой, более точный, но и более долгий вид обработки, когда учитываются сигналы от всех кусочков высвеченного «пятна».

Кроме того, на борту АМС «Венера-15» и «Венера-16» были установлены не только РБО. Исследование поверхности планеты проводилось также радиовысотомером — на основе данных, полученных с его помощью, будет построена топографическая карта венерианского северного полюса. На этой карте будут изображены перепады высот 50 м! И наконец, на станциях стояли специальные дистанционные температурные датчики, которые по инфракрасному излучению тех районов, над которыми пролетали спутники, с точностью до 1° определяли их нагрев. Так что скоро будет готова и карта венерианского «климата».

Оперативная обработка, о которой мы рассказали, первоначально преследовала довольно скромную цель: контроль качества изображения. Но результаты ее уже позволили сделать ряд научных выводов о строении планеты. Более того, оказалось возможным в кратчайшие сроки построить первое в мире изображение северного полюса Венеры в крупном масштабе и так, как если бы она предстала перед объективом фотоаппарата. И этот результат является заслугой советских специалистов, сделавших фотопортрет, точнее, радиопортрет Утренней звезды.