Микрин Е.А., Михайлов М.В. Ориентация, выведение, сближение и спуск КА по измерениям от ГНСС (2017) (1246989), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Рассмотрим особенности АСН космического назначения и этапы еесоздания.6. 1. 1.Требования, предъявляемые к системеАСН космического назначения в целом и к ее аппаратуреПроектирование системы заключается в формировании структурнойсхемы системы и ее аппаратуры, включая электрические схемы, выбор элементной базы, реализующей разработанные электрические схемы, обеспечивающие решение поставленных функциональных задач в соответствующих условиях эксплуатации. Таким образом, выбор структуры системыопределяется в основном выполняемыми задачами и условиями эксплуатации. Можно отметить, что структура первой российской АСН космическогоназначения аналогична структуре аппаратуры наземных потребителей.
Целевое назначение этой АСН-формирование векторов координат и скорости с их привязкой к точному времени. Она не была резервирована, имелатолько одну антенну и в ней не была реализована вторичная обработка измерений. К сожалению, сегодня на многих КА реализован аналогичныйподходк построению системысовсеми рассмотреннымивышехарактерными для этой схемы недостатками.Аппаратура АСН-М МКС имеет более сложную структуру. Она включает в себя четыре антенны, определенным образом установленные на станции,четыре навигационных приемных модуля (НПМ), решающих первичнуюнавигационнуюзадачу,идванавигационныхвычислительныхмодуля(НВМ), обеспечивающих вторичную обработку навигационных измерений.Эта схема имеет высокую степень резервирования, формирует высокоточныеоценки орбиты независимо от числа видимых НС, может решать задачи ориентации и относительной навигации при сближении КА с МКС. При этомАСН-М выполнена в виде шести блоков (не считая антенн), соединенныхмежблочными кабелями.
Их суммарная масса с учетом веса кабелей составляет~8кг (если бы вся электроника этих блоков была установлена в одном6.1.Проектирование А СН космического назначенияприборе, он весил бы3 .. .4287кг), однако блочная структура АСН-М была реализована для возможности ремонта путем замены отказавших блоков. НаМКС непрерывно находится экипаж, периодически прибывают грузовые итранспортные корабли, обеспечивающие доставку на МКС грузов и необходимой аппаратуры, и легко можно заменить отдельные блоки. Выбраннаясхема себя оправдала-за восемь лет функционирования АСН-М были заменены три НПМ, четыре НВМ.Таким образом, перед проектированием системы необходимо определитьперечень задач, условия эксплуатации, сроки функционирования системы итребования по обеспечению ее надежности.
Рассмотрим более детально этитребования.Целевые задачи АСН:• временное обеспечение;• навигация;• ориентация;• относительная навигация при сближении.Условия эксплуатации могут определять как функциональные требования к системе, так и эксплуатационные требования к аппаратуре. К функциональным можно отнести следующие требования, например:• требование работы АСН на участке выведения;• обеспечения решения задачи на низкой орбитепри произвольной ориентации и значительных угловых скоростях объекта (~10°/с);• функционированияна высокоэллиптической орбите КА и на высокихоколокруговых орбитах;• функционированияпри спуске КА в атмосфере и во время коррекцииорбиты;• по скорости движения КА:на низких орбитах - до 8 км/с;на высокоэллиптичных орбитах -дона высоких околокруговых орбитах -11км/с;до3 км/с;• по ускорению:на орбитальных участках орбиты -lg;на участках выведения, спуска, перехода с орбиты на орбиту -до15g.Эксплуатационные требования к аппаратуре включают:• требования по минимизации массы, габаритов и стоимости системы;• номиналу питания и минимизации энергопотребления;• отказоустойчивости и резервированию;• технологичности отработки и испытаний;• температурному режиму, обеспечиваемому на изделии;• вибрации и ударам;• помехам энергопитания в электросети изделия;• помехам, создаваемым в электросети изделия самим прибором;• электромагнитной совместимости;• электростатике;Глава2886.
Проектирование, разработка и наземные испытания АСН...• влажности;• радиации;• срокам эксплуатации.Большинство из перечисленных требований нужны для минимизациимассы, габаритов, энергопотребления, стоимости, а также для функционирования изделия в условиях, отвечающих условиям эксплуатации на соответствующем КА. Эти требования распространяются на любую аппаратуру,устанавливаемую на КА.Поскольку АСН космического назначения должна обеспечивать решениедвух существенно отличающихся задач: первичной и вторичной обработкисигналов НС, к ней предъявляется особое требование-по технологичностиотработки и испытаний.
В России существует ряд известных фирм, разрабатывающих подобную аппаратуру-Российский научно-исследовательскийинститут космического приборостроения (РНИИ КП) (Москва), Российскийинститутрадионавигацииивремени(РИРВ)(Санкт-Петербург),КБ«НАВИС» (Москва) и др.Задачамивторичнойобработкизанимаютсяразработчикисистемуправления КА, так как она непосредственно связана с решением функциональных задач конкретного КА. Поэтому при разработке АСН космического назначения необходимо провести четко разграничивать аппаратные ипрограммные(см.рис .средства АСН.Эта удачнореализованов АСН-ММКС2.2).Основным элементомНПМявляется навигационнаяплата-приемникК-161 разработки РИРВ, обеспечивающая первичные измерения в АСН-М.Остальные элементы НПМ обеспечивают возможность функционированияэтой платы на КА (блок питания, блок телеметрии и т.
п.). Соответственнопрограммное обеспечение НПМ также реализовано специалистами РИРВ.Основным элементом НВМ является процессорный модуль (ПМ), решающийзадачи вторичной обработки измерений. ПО ПМ разрабатывают специалистыРКК «Энергия» . Граница между ПО НПМ и ПО НВМ проходит через интерфейсRS-232, регламентируемый протоколом информационного взаимодействия между НПМ и НВМ. Принципиально обе задачи первичной и вторичной обработки двумя коллективами могли бы решаться в процессоре НПМ.Однако опыт создания ПО показывает, что его разработка разными коллективами, имеющими разные традиции, квалификацию, разнесенные территориально и т.
п., чрезвычайно затруднена.По возможности целесообразно разделить как программные задачи, так иаппаратнуючастьсистемы,как это реализованов АСН-М,гдеплатуприемник вместе с программным обеспечением разработал РИРВ, а сам прибор НПМ, включающий плату-приемник НВМ, а также ПО НВМ-РКК«Энергия».Перечисленные эксплуатационные требования для каждого из изделиймогут существенно отличаться, и вся аппаратура, устанавливаемая на изде-6.1.289Проектирование А СН космического назначениялии, должна проходить необходимые испытания.
В некоторых случаях соответствие аппаратуры тем или иным требованиям может подтверждаться расчетным путем.Особое внимание при разработке аппаратуры космического назначенияследует уделить радиационным требованиям, они существенно зависят оторбиты КА, характеристик корпуса КА, сроков активного существованияКА. Поскольку в составе АСН имеется высокопроизводительная вычислительная электроника,сильноподверженная влиянию радиации,товопросрадиационной стойкости для этой аппаратуры стоит наиболее остро. Дляработы в условиях повышенной радиации разработаны специальные микросхемы повышенной радиационной стойкости. Однако стоимость этих микросхем в сотни и тысячи раз выше их аналогов со средней радиационнойстойкостью.Например, генератор частоты с повышенной радиационнойстойкостью фирмыRACON NТЗООней радиационной стойкостьюной технике,-1 тыс.стоитIT 3200900 тыс.руб., а его аналог со средС/Е, широко используемый в наземруб., т.
е. ниже в900раз. Примерно такое же соотношение цен между радиационно стойкими и радиационно нестойкими аналогами и удругих типов микросхем, используемых ввычислительнойтехнике.На МКС условия радиационной обстановки не являются такими жесткими, как, например, на высокоэллиптических КА, орбита которых регулярно пересекает радиационные пояса Земли. Поэтому АСН-М МКС выполнена на элементной базе средней радиационной стойкости .
В процессемноголетней эксплуатации АСН-М был накоплен уникальный опыт в частиобеспечения надежности разрабатываемой новой аппаратуры АСН космического назначения. Поэтому прежде чем перейти к рассмотрению вопросовпроектирования перспективной аппаратуры АСН для космических аппаратов различного назначения, рассмотрим результаты анализа отказов АСН-Мна МКС.6.1 .2. Анализ отказов аппаратуры АСН - М МКСи методы повышения надежности системыЗа восемь лет эксплуатации АСН на МКС произошло три отказа НПМ ичетыре отказа НВМ, причем для каждого типа аппаратуры они бьmи идентичны. В НПМ произошли фатальные сбои программного обеспечения. Всеотказавшие модули НПМ были доставлены на Землю, где в них переустановили ПО, после чего модули снова отправили на МКС, где они успешнофункционируют по настоящее время.
Предполагаемой причиной сбоев ПОявляется радиация.К сожалению, на МКС не была предусмотрена технология перепрошивкиПО НПМ на борту, для исследования причин отказа и ремонта приходилосьвозвращать эти модули на Землю. Однако теперь понятно, что на борту могутпроисходить фатальные сбои ПО аппаратуры АСН, требующие переустанов-Глава2906. Проектирование, разработка и наземные испытания АСН...ки ПО.
И во вновь разрабатываемой аппаратуре предусматривается возможность перепрошивки ее ПО на борту по командам с Земли.В НВМ происходили аппаратные отказы канала обмена по интерфейсуRS-422с НПМ. При этом после доставки на Землю во всех приборах отказсамоустранился, и они работали без замечаний. Отказы не обнаружились привсевозможных температурных и климатических испытаниях. Вскрытие и визуальный контроль состояния всех элементов приборов также не дали результатов.Возможными причинами отказов являлась либо радиация, влияние которой устранялось после доставки прибора на Землю, либо состояние атмосферы на МКС (приборы не были герметичными), хотя осмотр приборов как наборту, так и на Земле не выявил следов влаги, соли, плесени и т. п.Последующие приборы, доставленные на борт взамен отказавших, быливыполнены в герметичном исполнении.
Замечаний к их работе в течение, поменьшей мере, двух лет не было.Следует отметить также, что в РКК «Энергия» создан аналог АСН-М, вкотором комплектующие НПМ и НВМ были объединены в один герметичный прибор-БНМ. Эта аппаратура была установлена на КА «Метеор-3»,разработки ВНИИЭМ, запущенный в сентябре2009 г.Аппаратура имела статус экспериментальной и поэтому не была резервирована.
Орбита этого КАоколокруговая, высотой~600км. С точки зрения радиационной обстановкиусловия на такой орбите значительно более жесткие по сравнению с орбитами МКС и КА «Союз». В настоящее время за аппаратурой АСН-М МКС иАСН КА «Метеор-3 » ведется непрерывный контроль. Накапливаемый опытпозволяет делатьвывод овозможности реализации АСН космическогоназначения без использования дорогостоящей элементной базы с высокойрадиационной стойкостью.6.
1.3.Разработка идеологии построенияАСН космического назначенияИдеология построения АСН предполагает создание аппаратной структуры системы, перечня программных модулей, решающих те или иные функциональные и системные задачи, распределение этих задач между вычислительными средствами системы. В совокупности аппаратные и программныесредства должны обеспечивать решение всех задач, стоящих перед системой,включая минимизацию по массе, габаритам, энергопотреблению, надежности, стоимости и т. п. Разумеется, решение этой задачи далеко не однозначно.Так, каждое из перечисленных требований может иметь определенный приоритет, выполнение которого может идти в ущерб выполнению других требований.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
