автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка методов автоматической диагностики работоспособности волоконно-оптических систем передачи цифровой информации в составе ракеты-носителя

На правах рукописи

СЕДЫХ КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В СОСТАВЕ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005541416

Москва 2013

2 8 НОЯ 2013

005541416

Работа выполнена на кафедре «Системы автоматического управления и контроля» Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Научный руководитель: Демкин Василий Иванович кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы автоматического управления и контроля» НИУ «МИЭТ».

Официальные оппоненты: Трояновский Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» НИУ «МИЭТ»

Литманович Андрей Михайлович

кандидат технических наук, руководитель группы разработки программного обеспечения ОАО «АНГСТРЕМ»

Ведущая организация: филиал ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» -Научно-производственное предприятие «Оптико-электронные комплексы и системы»

Зашита диссертации состоится «'1-3» Тра 2013г. в часов на

заседании диссертационного совета аД212^134.04 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МИЭТ».

Автореферат разослан « /3» коя^рд 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор

А.И.Погалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Применение волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) цифровой информации в бортовой аппаратуре позволяет значительно улучшить ряд параметров за счет снижения массы и потребляемой мощности бортовых систем связи, увеличения пропускной способности каналов передачи, применения единой компонентной базы, устойчивости волоконно-оптической среды передачи информации к тепловым, радиационным и электромагнитным возмущениям. Внедрение ВОСП в состав телеметрической системы ракеты-носителя (РН) повышает точность измерений бортовых датчиков, технологичность и ремонтопригодность аппаратуры телеметрической системы в целом и является актуальной задачей.

Особенностью применения ВОСП в составе телеметрической системы РН является существенное влияние механических вибраций на работоспособность аппаратуры. Также ограничением для внедрения ВОСП в состав аппаратуры РН является отсутствие сведений о поведении волоконно-оптических компонентов и ВОСП в целом в условиях штатной эксплуатации РН, а, соответственно, и требований к технологиям производства виброустойчивых волоконно-оптических компонентов. В то же время отсутствуют как отработанные решения, так и рекомендации по разработке бортовых систем для ведения автоматической диагностики работоспособности ВОСП, что осложняет разработку бортовых ВОСП для аппаратуры ракетно-космической техники (РКТ).

Важной составляющей технологического процесса производства ВОСП для аппаратуры РКТ является разработка методов автоматической диагностики работоспособности ВОСП в составе РН. Необходимость детального изучения поведения ВОСП непосредственно в составе ракеты-носителя накладывает ограничения на аппаратуру диагностики. Ракета-носитель является системой реального времени разового использования, так как после решения штатных задач аппаратура ракеты-носителя не пригодна для дальнейшего изучения. Передача тестовой информации на наземные пункты для проведения диагностики работоспособности ВОСП, установленной на РН, не представляется возможной вследствие низкой пропускной способности систем радиосвязи с РН, которая на порядки ниже информационного потока ВОСП. В то же время расположить аппаратуру диагностики работоспособности ВОСП на борту РН за зоной воздействия внешних возмущающих факторов невозможно в связи с отсутствием волоконно-оптических разрывных соединителей между ступенями РН.

Исследование и разработка систем автоматической диагностики для получения экспериментальных данных о работоспособности ВОСП в условиях штатной эксплуатации РН является, таким образом, актуальной задачей.

Существенный вклад в исследование задач по созданию ВОСП, изучению поведения волоконно-оптических компонентов при воздействии внешних возмущающих факторов и методов диагностики ВОСП внесли следующие отечественные и зарубежные авторы: Оробинский С.П., Бутусов М.М., Скляров O.K., Слепов Н.Н., Иванов А.Б., Бакланов И.Г., Никульский И.Е., Вознесенкский В.А., Андрушко Л.М., Гроднев И.И., M.N.Ott, D.Bailey, E.Wright, G.P.Agraval, E.Udd, D.Greenfield, J.A.Nagy, G.L.Coble, S.Corda, R.J.Franz, WJ.Thomes, F.V.LaRocca, R.C.Switzer, R.F.Chuska и другие. Однако применение их методик для построения систем автоматизированной диагностики работоспособности ВОСП на практике сопряжено с серьезными трудностями. Изменение параметров ВОСП в первую очередь рассматривается с точки зрения технологии изготовления и проведения профилактических и ремонтных работ, чем и объясняется подход к проектированию средств диагностики. Авторы описывают поведение ВОСП при малых отклонениях параметров. При этом не учитываются в полной мере процессы, которые происходят при использовании ВОСП в составе бортовой аппаратуры ракетно-космической техники. В то же время средства диагностики, предлагаемые авторами, подразумевают расположение диагностической аппаратуры за зоной воздействия внешних возмущающих факторов и наличие неограниченного информационного канала для передачи диагностической информации и др. Все это делает их неприменимыми для проектирования систем автоматической диагностики ВОСП в условиях штатной эксплуатации РН. Таким образом, можно считать, что разработка методов автоматической диагностики работоспособности ВОСП в составе РН представляет собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное практическое значение.

Цели и задачи диссертациопнон работы

Основной целью работы является разработка методов и средств автоматической диагностики ВОСП цифровой информации, обеспечивающих получение результатов диагностики при воздействии внешних возмущающих факторов в условиях штатной эксплуатации РН и их использование для повышения качества волоконно-оптических компонентов и ВОСП в целом.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:

1) разработка математической модели влияния смещения наконечников в волоконно-оптических соединителях на качество передачи информации через волоконно-оптическую линию передачи;

2) анализ и разработка структурной схемы системы автоматической диагностики работоспособности ВОСП, обеспечивающей получение результатов диагностики в условиях штатной эксплуатации РН;

3) разработка методов и средств автоматической диагностики, обеспечивающих получение информации о месте отказа в условиях штатной эксплуатации РН;

4) разработка методов проведения измерений при передаче через волоконно-оптическую линию связи, обеспечивающих получение результатов диагностики в условиях штатной эксплуатации РН;

5) проведение пробной проверки работоспособности ВОСП в составе РН и анализ полученных данных о поведении ВОСП.

Методы исследования

Методы исследования основаны на положениях цифровой обработки сигналов, теории вероятностей, математической статистики, математического анализа, теории автоматического управления. При реализации задачи использовались современные компьютерные технологии, методы моделирования с применением вычислительной техники для построения системы автоматической диагностики работоспособности ВОСП.

Научная новизна диссертационной работы

Диссертационная работа представляет собой совокупность научно-обоснованных технических разработок, направленных на создание методов автоматической диагностики работоспособности ВОСП цифровой информации, обеспечивающих получение результатов диагностики при воздействии внешних возмущающих факторов в условиях штатной эксплуатации РН.

В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:

1) разработана структурная схема системы автоматической диагностики работоспособности ВОСП, обеспечивающая определение отказов ВОСП по отклонениям диагностических параметров в условиях штатной эксплуатации в составе РН;

2) разработан метод автоматической диагностики, обеспечивающий получение информации о месте отказа в условиях штатной эксплуатации РН;

3) разработан метод определения границ работоспособности ВОСП с автоматической компенсацией задержки волоконно-оптической линии связи, обеспечивающий получение результатов диагностики в условиях штатной эксплуатации РН;

4) разработана математическая модель влияния смещений наконечников в волоконно-оптических соединителях на качество передачи информации через волоконно-оптическую линию передачи, позволяющая определить значения смещения наконечников по диагностической информации в процессе испытаний и эксплуатации аппаратуры в составе РН;

5) разработаны алгоритмы имитационного моделирования автоматической диагностики работоспособности ВОСП цифровой информации и обработки полученных данных, обеспечивающие автоматический расчет поведения параметров ВОСП по полученной диагностической информации.

Практическая значимость работы

В результате проведенных исследований проблематика дальнейшего исследования работоспособности и внедрения ВОСП в состав изделий ракетно-космической техники была включена в Федеральную Космическую Программу до 2025 года.

Результаты работы использованы для повышения качества диагностики работоспособности ВОСП бортовой аппаратуры РКТ и обеспечили успешный запуск космического аппарата «Ресурс-П». Главными из них являются:

1) разработанная система позволила впервые обеспечить уверенный запуск РН с ВОСП на борту и определить границы работоспособности ВОСП;

2) предложенный метод автоматической диагностики позволил получить диагностическую информацию о работоспособности ВОСП даже при кратковременной потере связи с РН;

3) предложенная модель влияния смещения наконечников в волоконно-оптических соединителях на качество передачи информации через ВОСП позволила отработать новые методы и алгоритмы повышения прочности и устойчивости ВОСП с учетом условий эксплуатации РКТ.

Личный вклад автора

Все основные результаты, составляющие научную новизну настоящей работы, получены автором лично.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается данными пробной проверки и математического моделирования, успешным применением разработанных методов при создании аппаратуры ракетно-космической техники.

Внедрение результатов

Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, внедрены на предприятии НПП «ОПТЭКС» и были использованы при проектировании ВОСП для следующих приборов:

- ЦБВОП комплекта ВОЛП-ЦИ;

- ВОЛП-ТМИ для РН «СОЮЗ-2»;

СППИ «Сангур-У», СППИ «ГСА», СППИ «КШМСА» космического аппарата «Ресурс-П».

Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МИЭТ в рамках дисциплин «Алгоритмические и технические средства обработки сигналов», «Идентификация и диагностика систем», «Передача данных в информационно-управляющих системах», что подтверждается соответствующим актом внедрения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Модель влияния смещений наконечников в волоконно-оптических соединителях на качество передачи информации через волоконно-оптическую линию передачи позволяет определить значения смещения наконечников по диагностической информации ВОСП.

2. Структурная схема системы автоматической диагностики работоспособности ВОСП обеспечивает определение отказов ВОСП по отклонениям диагностических параметров в составе РН.

3. Метод проведения измерений при передаче через волоконно-оптическую линию связи обеспечивает автоматическую компенсацию задержки волоконно-оптической линии связи и получение результатов диагностики в условиях штатной эксплуатации РН.

4. Метод автоматической диагностики обеспечивает получение информации о месте отказа в условиях штатной эксплуатации РН.

5. Алгоритмы имитационного моделирования ВОСП и обработки диагностической информации позволяют проводить автоматический расчет поведения параметров ВОСП по полученной диагностической информации.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих Международных и Всероссийских конференциях:

18-я, 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» - г. Зеленоград. 2011-2012.

Почетная грамота, 3 место за лучший доклад.

Молодежная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии ракетно-космической техники» - г. Звездный городок. 2012. Премия I степени за лучший доклад.

2-я Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», («П Козловские чтения») - г. Самара. 2012.

Почетная грамота за лучший доклад.

15-я международная конференция «Б8РА-2013. Цифровая обработка сигналов» - г. Москва. 2013.

7-я, 8-я, 9-я, 10-я международная научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» г. Геленджик. 2010-2013.

10-я научно-техническая конференция молодых специалистов «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» - г. Дубна. 2012.

3-я, 4-я окружная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов - г. Зеленоград. 2011-2012.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы отражены в 16 работах, в том числе 1 патент на полезную модель и 2 статьи в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК. Без соавторов опубликовано 7 работ.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 104 наименований и 3 приложений. Общий объем диссертации 170 страниц (144 страницы основного текста), содержит 76 рисунков и 22 таблицы. В приложениях приведены документы о внедрении результатов диссертационной работы, а также фрагменты текстов разработанного программного обеспечения.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы, определена цель работы, приведена структура и краткое содержание диссертации.

В первой главе проводится обзор и анализ средств автоматической диагностики работоспособности волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) цифровой информации в составе ракетно-космической техники.

Применение ВОСП в составе систем космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) производится впервые. Соответственно, для успешного запуска КА необходимо определить границы работоспособности ВОСП в составе РН. Поэтому при проведении анализа технических условий эксплуатации за основу приняты условия эксплуатации РН, как наиболее жесткие по механическим воздействиям. Определены особенности эксплуатации ВОСП в составе аппаратуры РН, основными из которых являются:

- непрерывное влияние внешних возмущающих воздействий на аппаратуру в процессе штатной работы РН;

- отсутствие возможности проведения качественной диагностики, ремонта или замены ВОЛС в процессе эксплуатации РН;

- низкая пропускная способность передающих устройств РН.

Проведен анализ строения волоконно-оптического тракта, комплекса

наземных испытаний бортовых волоконно-оптических компонентов. По результатам анализа выявлены основные недостатки существующих методов, которые усложняют поиск причины отказов целевой аппаратуры в процессе сборки, сдачи и эксплуатации КА и РН. Проводится анализ средств диагностики работоспособности ВОСП на этапах производства и испытаний волоконно-оптических компонентов, сборки и регулировки целевой аппаратуры, в состав которой входит ВОСП, установки и монтажа целевой аппаратуры на изделие.

Показано, что все известные средства для проведения диагностики ВОСП разрабатываются с учетом расположения аппаратуры в процессе диагностики ВОЛС. То есть проверочная аппаратура при наземной диагностике находится за пределами внешних возмущающих факторов (ВВФ) и, соответственно, обладает необходимой для диагностики надежностью, а решение о

работоспособности может вынести только оператор после детального изучения полученной от проверочной аппаратуры информации.

Однако при проведении диагностики ВОСП в составе РН возможность присутствия оператора или передача детализированных информационных массивов по большому количеству параметров через средства связи РН, в котором производится диагностика ВОСП, также отсутствует из-за ограничений по пропускной способности каналов РН. В тоже время запуск РН только для диагностики ВОСП нецелесообразен.

Показано, что использование методов и средств, применяемых в настоящее время, а также знаний о поведении ВОСП в составе аппаратуры РН недостаточно для построения системы автоматизированной диагностики ВОСП в составе РН. Предлагается провести исследование и разработку методов автоматической диагностики ВОСП цифровой информации, обеспечивающих получение результатов диагностики при воздействии ВВФ в условиях штатной эксплуатации РН. Разработан ряд задач, требующих решения для достижения поставленной цели.

Вторая глава посвящена разработке методов и средств автоматической диагностики работоспособности ВОСП в составе РН.

Разработана математическая модель влияния смещения наконечников в разъемных соединениях на качество передачи информации, которая позволяет определить граничные состояния работоспособности ВОСП путем измерения количество бит (К0), переданных через волоконно-оптическую линию связи с отклонениями, при смещении (а) наконечников друг относительно друга.

2 / У , /2/_гХаЕ0 \ {

К0= 1--агс5Ш Ри/ РС-10ИСТ16 г°5а ^- ¡¡"р.

^ к \ Ч

где К0 - количество бит, переданных через волоконно-оптическую линию связи с отклонениями за время одного телеметрического отчета, а - смещение наконечников, г - диаметр сердцевины, о - дисперсия, Е0 - мощность источника излучения, Ист - количество разъемных соединений, Рм - порог чувствительности приемника, Рс - прямые оптические потери волоконно-оптической линии связи, 1ЧСЛ - количество бит в тестовом слове, - частота передачи информации, - частота передачи телеметрического отчета.

Для обеспечения адаптации к низкоскоростному каналу передачи телеметрической системы РН производится кодирование согласно формуле:

К = [_^_1. юИеСМ

Для обеспечения автоматической диагностики работоспособности ВОСП в составе РН разработана структурная схема устройства (рисунок 1), обеспечивающая:

- проведение диагностики и формирование телеметрического отчета о состоянии каждого элемента как оптической, так и электрической части ВОСП, позволяющие определить место возникновения неисправности;

формирование нескольких типов отчетов о поведении волоконно-оптической линии связи за различные интервалы времени, что обеспечивает получение данных от устройства в случае кратковременной потери связи с РН во время воздействия ВВФ.

В волоконно-оптическую систему передачи цифровой информации дополнительно введен блок формирования телеметрического отчета, обеспечивающий непрерывный контроль работоспособности каждого из элементов устройства, гальваническую развязку от телеметрической системы изделия и независимость от частоты опроса телеметрической системы изделия, в котором установлено устройство. Программируемая логическая интегральная схема перепрограммирована для формирования нескольких типов отчетов о поведении волоконно-оптической линии связи за различные интервалы времени.

Рисунок 1. Структурная схема устройства автоматической диагностики ВОСП в составе РН Предложенный метод определения границ работоспособности ВОСП основан на использовании метода побитового сравнения и позволяет производить адаптацию модуля сравнения информации при изменении задержки волоконно-оптического тракта в процессе воздействия ВВФ в составе РН. При передаче информации в условиях постоянного воздействия внешних возмущающих факторов, а также без обеспечения возможности доступа к линии передачи и устройству в целом для коррекции, диагностики и ремонта волоконно-оптической системы передачи, существует вероятность

изменения времени задержки в зависимости от внешних факторов за счет постепенного ухудшения характеристик линии или кратковременно воздействующего на устройство внешнего возмущающего фактора. Соответственно, это может привести к появлению ложных ошибок при передаче информации. Для обеспечения правильного определения границ работоспособности ВОСП производится автоматическая компенсация задержки волоконно-оптического тракта, описанная во второй главе диссертации.

Для определения перечня параметров проанализированы компоненты, входящие в состав ВОСП, возможности контроля данных компонентов, а также их возможные состояния. Совокупность предложенных параметров позволяет определять вероятные места возникновения неисправностей. Определена структура выходного кадра для однозначного определения места отказа, которая должна содержать не менее семи параметров.

Таким образом, разработанные решения обеспечивают необходимое повышение качества диагностики волоконно-оптических систем передачи цифровой информации и выполнение всех необходимых требований для успешного первого запуска ВОСП в составе РН.

В третьей главе проведено исследование влияния параметров ВОСП на качество передачи информации на основе модели, описанной во второй главе диссертации, проведено временное моделирование модуля сравнения информации, имитационное моделирование процесса автоматической диагностики работоспособности ВОСП, предложены алгоритмы обработки экспериментальных данных.

Рассмотрено влияние параметров системы передачи информации при смещении наконечников оптического кабеля в разъемном соединении на появление ошибок при передаче цифровой информации. Установлено, что значение количества ошибок при смещении наконечников в первую очередь зависит от оптического бюджета линии и количества разъемных соединений.

В результате проведенного анализа полученных данных установлено, что для того, чтобы компенсировать увеличение количества разъемных соединений на единицу, необходимо увеличить оптический бюджет: для точки появления ошибок на 9 дБм;

для точки 1/3 от максимального количества ошибок на 13 дБм; для точки 2/3 от максимального количества ошибок на 19 дБм.

Таким образом, были определены предварительные границы работоспособности ВОСП. Показано, что полная компенсация потери оптической мощности, возникающей при смещении наконечников в разъемном соединении невозможна.

Разработаны алгоритм имитационного моделирования и соответствующая ему программа имитационного моделирования в среде LabVIEW фирмы National Instruments, предусматривающие возможность записи проведенных экспериментов для последующей обработки и анализа полученных данных.

Особенностью программы является автоматический расчет параметров ВОСП и проверка по маске достоверности полученной информации.

Четвертая глава посвящена разработке устройства автоматической диагностики работоспособности ВОСП для проведения эксперимента в составе РН, разработке структурной схемы комплекта экспериментальных устройств, структурной схемы и программы ПЛИС устройства, структуры телеметрического кадра устройства. В разработанном устройстве в полной мере используются предложенные в диссертации методы и алгоритмы.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям и обработке экспериментальных данных.

Комплекс экспериментальных исследований включает в себя:

проведение испытаний волоконно-оптических соединителей; проведение предварительных испытаний устройства и монтаж на РН; проведение натурных испытаний устройства;

анализ технического состояния устройтва после натурных испытаний.

При проведении испытаний волоконно-оптических соединителей были зафиксированы ошибки при передаче информации, свидетельствующие о смещении наконечников в волоконно-оптических соединителях (рисунок 2).

Значение виброускорения и 200В Г 1 1< ¡1 \

\

11 1 1 -—г Т" 1"

Граница работоспособности ВОСП соответствует смещению а= 2,3 мкм

Рисунок 2. Результаты испытаний волоконно-оптических соединителей

При проведении предварительных испытаний комплекта устройств зафиксированы ошибки при передаче в диапазоне резонансных частот с перегрузкой выше \2g (рисунок 3).

Зафиксировано частичное раскручивание соединителей (и проведена доработка их монтажа)

Рисунок 3. Результаты предварительных испытаний одного из устройств По результатам анализа было выявлено частичное раскручивание волоконно-оптических разъемов, повлекшее смещение наконечников, разработан и проведен комплекс работ по их фиксации, в том числе на всей аппаратуре КА ДЗЗ серии «Ресурс-П», находящейся на этапе сборки и регулировки.

При проведении натурного эксперимента в составе РН «СОЮЗ-У» на устройстве, установленном на 1 ступени РН, были зафиксированы ошибки при передаче, составляющие 1/3 от максимального значения, в периоды запуска и отрыва от земли РН, а также в период максимального скоростного напора РН при прохождении плотных слоев атмосферы (рисунок 4).

ншт ттл

- М^ГРМ —. КГПРМ

аат

- КСГРД кггрд

• КК'О

• И£С»0

- Ю —•—Ю1

—■—ней ——кга ——еап

макс, смещение а = 0,68 мкм

в периоды запуска и макс, скоростного напора РН

полета, с

Рисунок 4. Результаты натурных испытаний устройства в составе 1 ступени РН

Значения механических перегрузок в месте установки блока по расчетам производителя составляли более 10С^.

Результаты проведенной пробной проверки подтвердили технические характеристики и целесообразность использования ВОСП в составе РКТ, обеспечили отработку решений, применяемых в бортовой аппаратуре в настоящее время, а также позволили сделать выводы о пределах устойчивости и прочности ВОСП и определить тенденции развития бортовых ВОСП для аппаратуры РКТ.

В заключении приведены основные выводы и результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

В приложениях представлены фрагменты программ имитационного моделирования, обработки данных, проекта ПЛИС, а также акты использования результатов диссертационной работы.

Основные результаты работы

В соответствии с целями и задачами представленной диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель влияния смещений наконечников в волоконно-оптических соединителях на качество передачи информации через волоконно-оптическую линию передачи, позволяющая определить значения смещения наконечников по диагностической информации в процессе испытаний и эксплуатации аппаратуры в составе РН. Проведена адаптация диагностической информации ВОСП к низкочастотной ТМ-системе РН с частотой опроса 100Гц.

2. Разработана структурная схема системы автоматической диагностики работоспособности ВОСП, обеспечивающая определение отказов ВОСП по отклонениям диагностических параметров и получение информации при кратковременной потере связи с РН до 5 секунд.

3. Разработан метод автоматической диагностики, обеспечивающий получение информации о месте отказа в условиях штатной эксплуатации РН.

4. Разработан метод определения границ работоспособности ВОСП с автоматической компенсацией задержки волоконно-оптической линии связи до 16 тактов на частоте работы системы, обеспечивающий адаптацию ВОСП к условиям эксплуатации РН при изменении параметров ВОСП в процессе запуска РН.

5. Разработаны алгоритмы имитационного моделирования и обработки полученных данных, обеспечивающие автоматический расчет поведения параметров ВОСП по полученной диагностической информации.

6. Разработано устройство автоматической диагностики работоспособности ВОСП с пропускной способностью 1 Гбит/с для проведения натурных испытаний в составе РН, в том числе проведена верификация программы ПЛИС, на основе разработанных методов и алгоритмов.

7. Впервые проведен успешный запуск РН с ВОСП на борту. В результате проведенной пробной проверки определены границы работоспособности ВОСП в составе РН. Максимальное смещение наконечников волоконно-оптических разъемов составило 0,68 мкм. Отказов элементов ВОСП не обнаружено.

Список публикаций по теме диссертации.

Публикации в изданиях, вошедших в перечень ВАК РФ:

1. Седых К.В. Алгоритм автоматической компенсации задержки волоконно-оптического тракта для системы телеметрических измерений ракеты-носителя. // Труды РНТОРЭС им. А.С.Попова. Серия: «Цифровая обработка сигналов и её применение». Выпуск XV, том 1. - ISSBN 978-5905278-01-3, 2013. с.179-181.

2. Седых К.В., Шаромова О.Н. Волоконно-оптическая система сбора телеметрической информации ракеты-носителя. // Труды РНТОРЭС им. А.С.Попова. Серия: «Цифровая обработка сигналов и её применение». Выпуск XV, том 1. - ISSBN 978-5-905278-01-3, 2013. с.181-184.

3. Седых К.В., Малахов А.П., Корнаушенков А.П., Рахимьянов A.C. Устройство для автоматической диагностики работоспособности волоконно-оптической линии передачи цифровой информации при воздействии внешних возмущающих факторов. // Патент на полезную модель №123612 от 27 декабря 2012 г.

Публикации в других изданиях:

4. Седых К.В., Кузьмичев A.M., Жевако В.В., Афонин А.Н., Корнаушенков А.П., Малков Н.В. Аппаратно-программный комплекс выравнивания уровней сигналов на выходах АЦП многоканальных интегральных блоков ОЭП. // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы к VII научно-технической конференции - М.:МНТОРЭС им. А.С.Попова, филиал ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» - «НПП «ОПТЭКС» - г. Адлер - 2010 г. с. 167-172.

5. Седых К.В., Седых H.A. Волоконно-оптические системы передачи для космических аппаратов дистанционного зондирования Земли. // Микроэлектроника и информатика- 2011. 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов -М.:МИЭТ, 2011. - С. 201.

6. Седых К.В., Малахов А.П. Применение волоконно-оптической линии передачи информации в системах ДЗЗ. // Материалы П Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», («II Козловские чтения») - Самара, 2011. - С. 208-209.

7. Седых K.B. Экспериментальное исследование поведения волоконно-оптической линии передачи в составе ракетоносителя. // Материалы П Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», («II Козловские чтения») - Самара, 2011. -С. 604-611.

8. Седых К.В. Автоматическая диагностика волоконно-оптической линии передачи в условиях эксплуатации, действующих на ракетоносителе. // Материалы X научно-технической конференции молодых специалистов «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» -М.:МНТОРЭС им. А.С.Попова - г.Дубна, 2011г. - С. 159-162.

9. Седых К.В., Седых H.A. Волоконно-оптические компоненты систем приема и преобразования информации космических аппаратов дистанционного зондирования Земли. // Сборник материалов молодежной конференции «Новые материалы и технологии вракетно-космической техники» - Звездный городок, 2011 - Том 2, С. 208-209.

10. Седых К.В. Высокоскоростные волоконно-оптические системы передачи в ракетно-космической технике. // Фестиваль науки, Ш научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Тезисы докладов участников Ш окружной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов» - г. Москва, г. Зеленоград, 2011 г. - с.49.

11. Седых К.В. Анализ результатов испытаний волоконно-оптической линии передачи в составе ракеты-носителя. // Микроэлектроника и информатика- 2012. 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов- М.:МИЭТ, 2012. -С. 229.

12. Седых К.В. Волоконно-оптическая система сбора телеметрической информации ракеты-носителя. // IV научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Тезисы докладов участников IV окружной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов» -г. Москва, г. Зеленоград, 2011 г. - с.27.

13. Седых К.В. Натурные испытания волоконно-оптической линии передачи цифровой информации в составе ракеты-носителя. // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы к IX научно-технической конференции - М.:МНТОРЭС им. А.С.Попова, филиал ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» - «НПП «ОПТЭКС», -г. Геленджик - 2012 г. - С. 333-337.

14. Седых К.В., Малахов А.П., Корнаушенков А.П., Наговицын A.A. Разработка волоконно-оптической системы передачи для бортовой системы телеметрических измерений ракеты-носителя. // мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы к IX научно-технической конференции - М.:МНТОРЭС им. А.С.Попова, филиал ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» - «НПП «ОПТЭКС», - г. Геленджик - 2012 г.- С. 358-363.

15. Малахов А.П., Седых K.B. Технология контроля волоконно-оптических линий передачи в составе КА. // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы к X юбилейной научно-технической конференции - М.:МНТОРЭС им. А.С.Попова, филиал ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» - «НПП «ОПТЭКС», - г. Геленджик - 2013 г.-С. 342-346.

16. Седых К.В., Константинов A.C. Методическое обеспечение регулировки оптических передатчиков для высокоскоростных волоконно-оптических линий передачи Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы к X юбилейной научно-технической конференции - М.:МНТОРЭС им. А.С.Попова, филиал ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» - «НПП «ОПТЭКС», г. Геленджик - 2013 гС. 347-353.

Автореферат

Седых Константин Владимирович

Тема: Исследование и разработка методов автоматической диагностики работоспособности волоконно-оптических систем передачи цифровой информации в составе ракеты-носителя.

Подписано в печать: 2013 г. Заказ № 74

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 0,9. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, г. Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИЭТ»

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В СОСТАВЕ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201451081

СЕДЫХ КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент В.И. Демкин

Москва-2013

Содержание

Введение...............................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СРЕДСТВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ (ВОСП) В СОСТАВЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ (РКТ)................................................................................................11

1.1 Обзор применения ВОСП в составе целевой аппаратуры РКТ.............12

1.1.1 ВОСП в составе космических аппаратов.........................................14

1.1.2 Предпосылки применения ВОСП в составе ракеты-носителя........19

1.2 Анализ технических условий эксплуатации...........................................24

1.3 Оценка работоспособности ВОСП..........................................................26

1.4 Анализ средств диагностики работоспособности ВОСП.......................30

1.4.1 Изготовление и испытания компонентов ВОСП.............................32

1.4.2 Сборка и регулировка целевой аппаратуры.....................................35

1.4.3 Установка и монтаж целевой аппаратуры на изделие.....................37

1.5 Цели и задачи исследования....................................................................39

Выводы...............................................................................................................40

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВОСП В СОСТАВЕ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ (РН)..............................................................................43

2.1 Математическая модель влияния смещения наконечников на качество

передачи информации....................................................................................44

2.2 Структурная схема системы автоматической диагностики

работоспособности ВОСП.............................................................................55

2.3 Измерение количества ошибок................................................................60

2.4 Диагностика состояния ВОСП.................................................................64

Выводы...............................................................................................................68

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВОСП В СОСТАВЕ РН.....................................................................................................69

3.1 Исследование математической модели влияния смещения

наконечников на качество передачи информации.......................................70

3.2 Временное моделирование модуля сравнения информации..................82

3.3 Имитационное моделирование диагностики состояния блока..............84

3.4 Алгоритмы обработки экспериментальных данных..............................90

Выводы...............................................................................................................96

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВОСП ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА В СОСТАВЕ РН.................................................................98

4.1 Назначение экспериментального комплекта..........................................98

4.2 Структура экспериментального комплекта..........................................103

4.3 Структурная схема устройства..............................................................105

4.4 Программа ПЛИС...................................................................................109

4.5 Структура телеметрической информации.............................................116

Выводы.............................................................................................................121

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................123

5.1 Испытания волоконно-оптических соединителей................................123

5.2 Предварительные испытания комплекта и монтаж на РН...................125

5.3 Результаты натурных испытаний комплекта........................................135

5.4 Анализ технического состояния блока после натурных испытаний... 138

Выводы.............................................................................................................141

Заключение.......................................................................................................143

Список литературы..........................................................................................145

Список принятых сокращений........................................................................155

Приложение 1. Текст программы расчета параметров системы...................157

Приложение 2. Текст программы ПЛИС устройства автоматической

диагностики работосопособности ВОСП.......................................................160

Приложение 3. Акты использования результатов диссертационной работы..............................................................................................................167

Введение

Актуальность проблемы

Применение волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) цифровой информации в бортовой аппаратуре позволяет значительно улучшить ряд параметров за счет снижения массы и потребляемой мощности бортовых систем связи, увеличения пропускной способности каналов передачи, применения единой компонентной базы, устойчивости волоконно-оптической среды передачи информации к тепловым, радиационным и электромагнитным возмущениям. Внедрение ВОСП в состав телеметрической системы ракеты-носителя (РН) повышает точность измерений бортовых датчиков, технологичность и ремонтопригодность аппаратуры телеметрической системы в целом и является актуальной задачей.

Особенностью применения ВОСП в составе телеметрической системы PII является существенное влияние механических вибраций на работоспособность аппаратуры. Также ограничением для внедрения ВОСП в состав аппаратуры РН является отсутствие сведений о поведении волоконно-оптических компонентов и ВОСП в целом в условиях штатной эксплуатации PII, а, соответственно, и требований к технологиям производства виброустойчивых волоконно-оптических компонентов. В то же время отсутствуют как отработанные решения, так и рекомендации по разработке бортовых систем для ведения автоматической диагностики работоспособности ВОСП, что осложняет разработку бортовых ВОСП для аппаратуры ракетно-космической техники (РКТ).

Важной составляющей технологического процесса производства ВОСП для аппаратуры РКТ является разработка методов автоматической диагностики работоспособности ВОСП в составе РН. Необходимость детального изучения поведения ВОСП непосредственно в составе ракеты-носителя накладывает ограничения на аппаратуру диагностики. Ракета-носитель является системой реального времени разового использования, так как после решения штатных задач аппаратура ракеты-носителя не пригодна для дальнейшего изучения. Передача тестовой информации на наземные пункты для проведения диагностики работоспособности ВОСП,

установленной на РН, не представляется возможной вследствие низкой пропускной способности систем радиосвязи с РН, которая на порядки ниже информационного потока ВОСП. В то же время расположить аппаратуру диагностики работоспособности ВОСП на борту РН за зоной воздействия внешних возмущающих факторов невозможно в связи с отсутствием волоконно-оптических разрывных соединителей между ступенями РН.

Исследование и разработка систем автоматической диагностики для получения экспериментальных данных о работоспособности ВОСП в условиях штатной эксплуатации РН является, таким образом, актуальной задачей.

Существенный вклад в исследование задач по созданию ВОСП, изучению поведения волоконно-оптических компонентов при воздействии внешних возмущающих факторов и методов диагностики ВОСП внесли следующие отечественные и зарубежные авторы: Оробинский С.П., Бутусов М.М., Скляров O.K., Слепов Н.Н., Иванов А.Б., Бакланов И.Г., Никульский И.Е., Вознесенкский В.А., Андрушко Л.М., Гроднев И.И., M.N.Ott, D.Bailey, E.Wright, G.P.Agraval, E.Udd, D.Greenfield, J.A.Nagy, G.L.Coble, S.Corda, R.J.Franz, WJ.Thomes, F.V.LaRocca, R.C.Switzer, R.F.Chuska и другие. Однако применение их методик для построения систем автоматизированной диагностики работоспособности ВОСП на практике сопряжено с серьезными трудностями. Изменение параметров ВОСП в первую очередь рассматривается с точки зрения технологии изготовления и проведения профилактических и ремонтных работ, чем и объясняется подход к проектированию средств диагностики. Авторы описывают поведение ВОСП при малых отклонениях параметров. При этом не учитываются в полной мере процессы, которые происходят при использовании ВОСП в составе бортовой аппаратуры ракетно-космической техники. В то же время средства диагностики, предлагаемые авторами, подразумевают расположение диагностической аппаратуры за зоной воздействия внешних возмущающих факторов и наличие неограниченного информационного канала для передачи диагностической информации и др. Все это делает их неприменимыми для проектирования систем автоматической диагностики ВОСП в условиях штатной эксплуатации РН. Таким образом, можно считать, что разработка методов автоматической диагностики работоспособности

ВОСП в составе РН представляет собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное практическое значение.

Цели и задачи диссертационной работы

Основной целью работы является разработка методов и средств автоматической диагностики ВОСП цифровой информации, обеспечивающих получение результатов диагностики при воздействии внешних возмущающих факторов в условиях штатной эксплуатации РН и их использование для повышения качества волоконно-оптических компонентов и ВОСП в целом.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:

1) разработка математической модели влияния смещения наконечников в волоконно-оптических соединителях на качество передачи информации через волоконно-оптическую линию передачи;

2) анализ и разработка структурной схемы системы автоматической диагностики работоспособности ВОСП, обеспечивающей получение результатов диагностики в условиях штатной эксплуатации РН;

3) разработка методов и средств автоматической диагностики, обеспечивающих получение информации о месте отказа в условиях штатной эксплуатации РН;

4) разработка методов проведения измерений при передаче через волоконно-оптическую линию связи, обеспечивающих получение результатов диагностики в условиях штатной эксплуатации РН;

5) проведение пробной проверки работоспособности ВОСП в составе РН и анализ полученных данных о поведении ВОСП.

Методы исследования

Методы исследования основаны на положениях цифровой обработки сигналов, теории вероятностей, математической статистики, математического анализа, теории автоматического управления. При реализации задачи использовались современные компьютерные технологии, методы моделирования с применением вычислительной техники для построения системы автоматической диагностики работоспособности ВОСП.

Научная новизна диссертационной работы

Диссертационная работа представляет собой совокупность научно-обоснованных технических разработок, направленных на создание методов автоматической диагностики работоспособности ВОСП цифровой информации, обеспечивающих получение результатов диагностики при воздействии внешних возмущающих факторов в условиях штатной эксплуатации РН.

В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:

1) разработана структурная схема системы автоматической диагностики работоспособности ВОСП, обеспечивающая определение отказов ВОСП по отклонениям диагностических параметров в условиях штатной эксплуатации в составе РН;

2) разработан метод автоматической диагностики, обеспечивающий получение информации о месте отказа в условиях штатной эксплуатации РН;

3) разработан метод определения границ работоспособности ВОСП с автоматической компенсацией задержки волоконно-оптической линии связи, обеспечивающий получение результатов диагностики в условиях штатной эксплуатации РН;

4) разработана математическая модель влияния смещений наконечников в волоконно-оптических соединителях на качество передачи информации через волоконно-оптическую линию передачи, позволяющая определить значения смещения наконечников по диагностической информации в процессе испытаний и эксплуатации аппаратуры в составе РН;

5) разработаны алгоритмы имитационного моделирования автоматической диагностики работоспособности ВОСП цифровой информации и обработки полученных данных, обеспечивающие автоматический расчет поведения параметров ВОСП по полученной диагностической информации.

Практическая значимость работы

В результате проведенных исследований проблематика дальнейшего исследования работоспособности и внедрения ВОСП в состав изделий

ракетно-космической техники была включена в Федеральную Космическую Программу до 2025 года.

Результаты работы использованы для повышения качества диагностики работоспособности ВОСП бортовой аппаратуры РКТ и обеспечили успешный запуск космического аппарата «Ресурс-П». Главными из них являются:

1) разработанная система позволила впервые обеспечить уверенный запуск PII с ВОСП на борту и определить границы работоспособности ВОСП;

2) предложенный метод автоматической диагностики позволил получить диагностическую информацию о работоспособности ВОСП даже при кратковременной потере связи с РН и определить границы работоспособности ВОСП;

3) предложенная модель влияния смещения наконечников в волоконно-оптических соединителях на качество передачи информации через ВОСП позволила отработать новые методы и алгоритмы повышения прочности и устойчивости ВОСП с учетом условий эксплуатации РКТ.

Личный вклад автора

Все основные результаты, составляющие научную новизну настоящей работы, получены автором лично.

Достоверность нолученных результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается данными пробной проверки и математического моделирования, успешным применением разработанных методов при создании аппаратуры ракетно-космической техники.

Внедрение результатов

Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, внедрены на предприятии НПП «ОПТЭКС» и были использованы при проектировании ВОСП для следующих приборов:

ЦБВОП комплекта ВОЛП-ЦИ;

ВОЛП-ТМИ для РН «СОЮЗ-2»;

СППИ «Сашур-У», СППИ «ГСА», СППИ «КШМСА» космического аппарата «Ресурс-П».

Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МИЭТ в рамках дисциплин «Алгоритмические и технические средства обработки сигналов», «Идентификация и диагностика систем», «Передача данных в информационно-управляющих системах», что подтверждается соответствующим актом внедрения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Модель влияния смещений наконечников в волоконно-оптических соединителях на качество передачи информации через волоконно-оптическую линию передачи позволяет определить значения смещения наконечников по диагностической информации ВОСП.

2. Структурная схема системы автоматической диагностики работоспособности ВОСП обеспечивает определение отказов ВОСП по отклонениям диагностических параметров в составе РН.

3. Метод проведения измерений при передаче через волоконно-оптическую линию связи обеспечивает автоматическую компенсацию задержки волоконно-оптической линии связи и получение результатов диагностики в условиях штатной эксплуатации РН.

4. Метод автоматической диагностики обеспечивает получение информации о месте отказа в условиях штатной эксплуатации РН.

5. Алгоритмы имитационного моделирования ВОСП и обработки диагностической информации позволяют проводить автоматический расчет поведения параметров ВОСП по полученной диагностической информации.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих Международных и Всероссийских конференциях:

- 18-я, 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» -г. Зеленоград. 2011-2012.

Почетная грамота, 3 место за лучший доклад.

- Молодежная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии ракетно-космической техники» - г. Звездный городок. 2012.

Премия I степени за лучший доклад.

- 2-я Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», («П Козловские чтения») -г. Самара. 2012.

Почетная грамота за лучший доклад.

- 15-я международная конференция «08РА-2013. Цифровая обработка сигналов» - г. Москва.2013.

- 7-я, 8-я, 9-я, 10-я международная научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» г. Геленджик. 2010-2013.

- 10-я научно-техническая конференция молодых специалистов «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» -г. Дубна. 2012.

- 3-я, 4-я окружная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов - г. Зеленоград.2011-2012.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы отражены в 16 работах, в том числе 1 патент на полезную модель и 2 статьи в ведущих научных журналах,