Введение к работе
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 СП., 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, W.J.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:
-
разработана структурная схема системы автоматической диагностики работоспособности ВОСП, обеспечивающая определение отказов ВОСП по отклонениям диагностических параметров в условиях штатной эксплуатации в составе РН;
-
разработан метод автоматической диагностики, обеспечивающий получение информации о месте отказа в условиях штатной эксплуатации РН;
-
разработан метод определения границ работоспособности ВОСП с автоматической компенсацией задержки волоконно-оптической линии связи, обеспечивающий получение результатов диагностики в условиях штатной эксплуатации РН;
-
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;
-
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:
-
разработанная система позволила впервые обеспечить уверенный запуск РН с ВОСП на борту и определить границы работоспособности ВОСП;
-
предложенный метод автоматической диагностики позволил получить диагностическую информацию о работоспособности ВОСП даже при кратковременной потере связи с РН;
-
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:
-
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.
-
Структурная схема системы автоматической диагностики работоспособности ВОСП обеспечивает определение отказов ВОСП по отклонениям диагностических параметров в составе РН.
-
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.
-
Метод автоматической диагностики обеспечивает получение информации о месте отказа в условиях штатной эксплуатации РН.
-
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», («II Козловские чтения») - г. Самара. 2012. Почетная грамота за лучший доклад.
15-я международная конференция «DSPA-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.
