Побеждать и числом, и уменьем

Автор: Киви Берд
Опубликовано: в журнале "Компьютерра" №41 от 10 ноября 2005 года
Источник: "Компьютерра"

Для связи с глубоким космосом, просторы которого ныне бороздят десятки исследовательских кораблей, используется глобальная сеть антенн Deep Space Network (DSN). Созданная в свое время силами NASA, а ныне постепенно превращающаяся из американского в интернациональный проект с участием космических агентств Европы, Японии, Австралии и России, она считается крупнейшей и самой чувствительной телекоммуникационной системой в мире.

DSN состоит из трех кластеров гигантских радиоантенн, расположенных на земном шаре примерно в 120 градусах друг от друга: один в калифорнийской пустыне Мохаве, другой в Испании под Мадридом, третий - неподалеку от Канберры в Австралии. Центральное место в каждом из комплексов занимают антенны-тарелки диаметром около 80 метров, которые и являются главным инструментом в обмене данными с далекими космическими зондами (например, с исследующим окрестности Сатурна Cassini). Кроме того, эта сеть позволяет проводить радиолокацию планет и астероидов.

Серьезнейшей проблемой уже немолодого комплекса DSN стало то, что многие антенны, особенно 80-метровые, вот-вот исчерпают свой ресурс, так что их придется либо кардинально обновить, либо заменить новым оборудованием. Сейчас международное сообщество рассматривает самые разные варианты апгрейда DSN, причем выбор может быть сделан в пользу замены каждой огромной антенны комплексом сравнительно небольших, работающих согласованно. По такому принципу, например, ныне действует массив из двадцати семи 25-метровых радиоантенн Very Large Array в штате Нью-Мексико. На недавней конференции International Union of Radio Science в Дели то же самое предложено сделать и с узлами DSN, заменив их 217 тарелками диаметром по 3,8 м каждая.

Но наиболее радикальное предложение для системы связи с глубоким космосом опубликовано в октябрьском номере журнала Radio Science. Автор статьи - никому не известный инженер Лу Шеффер (Lou Scheffer) из калифорнийской компании Cadence Design Systems (занимающейся дизайном и проектированием микросхем), тем не менее его проект оказался настолько интересен, что вызвал оживленную дискуссию в мировом научном сообществе.

Шеффер предлагает строить не традиционный кластер тарелок, а фазированную решетку -на основе той же дешевой технологии, что используется для производства антенн беспроводной связи в электронике массового потребления. Проще говоря, гигантскую антенну можно составить из миллионов маленьких антенн на печатных платах, аналогичных антеннам в радионаушниках или GPS-приемниках. Управляя фазой каждой из них, компьютер сформирует фокусированный сигнал, который можно посылать в любом направлении, хотя у антенны нет подвижных частей.

Устройства на основе фазированной решетки используют эффект интерференции, когда электромагнитные волны от множества излучателей накладываются друг на друга нужным образом, усиливая или ослабляя результирующий сигнал. Такая конструкция позволяет изменять направление луча практически мгновенно. Более того, фазированная решетка может одновременно посылать сигналы в разных направлениях (в данном случае для связи сразу с несколькими космическими кораблями). В военных технологиях подобная аппаратура широко используется силами ПВО; применялись фазированные решетки и для приема спутникового телесигнала (в том числе и на самолетах).

В проекте Шеффера базовый компонент решетки представляет собой квадратную плитку 25х25 см, на которой размещается матрица из ста (10х10) антенн, напечатанных на плате, и управляющий ими микропроцессор. Тысячи таких плиток можно, подобно кафелю, укладывать на плоское бетонное основание, подсоединив к центральному компьютеру. Хотя мощность каждой из миниатюрных антенн составляет всего 10 мВт, массив из полумиллиона плиток способен генерировать сигнал вдвое сильнее, нежели у антенны знаменитой радиообсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико. Поскольку плитки хоть сейчас можно изготавливать на уже имеющемся оборудовании, стоимость одного элемента не превысит 20 долларов (или 10 млн. долларов в пересчете на решетку из 500 тысяч плиток). По расчетам Шеффера, на сборку такой антенны, возможно, уйдет еще около 6 миллионов. Однако и в сумме эти затраты намного меньше, по сравнению, скажем, со 100 млн. долларов, в которые обошлось строительство нового радиотелескопа Green Bank в Западной Вирджинии (2000 г.).

Проект Шеффера, разумеется, не лишен недостатков, однако подробно их обсуждать, наверное, имеет смысл лишь в том случае, если администрация DSN примет необычную идею всерьез.

Читайте на сайте тему номера Новый век и другие статьи из журнала "Компьютерра" от 10 ноября 2005 года.