rks_032022

ПотюпкинА.Ю.,ТимофеевЮ.А.,ВолковС.А. 3 РазработкаплагинагеоинформационнойсистемыQGISдлядоступакресурсамвеб-сервиса «Банкбазовыхпродуктов»

МешковМ.В.,ЕвлашкинМ.А.,ВасильевА.И. 13

Повышениеэффективностиназемныхиспытанийизделийракетно-космическойтехникинаоснове интеллектуализацииобеспечивающихсредствиспытательныхкомплексов ВокинГ.Г.,ГуменюкА.М.,ЕгоровО.В.,ЛисейкинВ.А.,МакаровМ.И., СизяковН.П.,ТожокинИ.А.,ЮрьевИ.А. 19

Космическиенавигационныесистемыиприборы.Радиолокацияирадионавигация РасширениеполосысигналовсистемыГЛОНАССвдиапазонеL1сиспользованиемособенностей BOC-модуляции АстаховД.А.,ТкачевА.Б. 30

Радиотехникаикосмическаясвязь Синхронноесложениесигналовантеннвкомплексетелеметрическихсредств ВатутинС.И.,КозинП.А. 36

РазработкабортовыхантеннФабри–Перосконструктивнымэлементомнаосновеискусственного магнитодиэлектрика АджибековА.А. 48

Реализацияотказоустойчивоймежкристальнойсвязивсистемахкосмическойнаучнойаппаратуры, набазенесколькихпрограммируемыхлогическихинтегральныхсхем ВороновК.Е.,СухачевК.И.,ШестаковД.А.,АртюшинА.А. 57 МежорбитальнаясистемапередачиданныхдляуправлениягруппировкоймалыхКА ВатутинС.И.,ГвардинР.М.,КурковИ.К.,ЕгороваН.В. 65 Твердотельнаяэлектроника,радиоэлектронныекомпоненты, микро-инаноэлектроника,приборынаквантовыхэффектах Применение3D-печатидляизготовленияэлементоврадиоэлектроннойаппаратурыкосмическогоназначения

Contents

SystemsAnalysis,SpacecraftControl,DataProcessing,andTelemetrySystems. EarthRemoteSensing

TheAlgorithmforFormationofWorkingStructuresinMulti-SatelliteOrbitalConstellationManagement PotyupkinA.Yu.,TimofeevYu.A.,VolkovS.A. 3

DevelopmentofaPlug-infortheQGISGeographicInformationSystemforAccessingtheResources oftheBasicProductsBankWebService MeshkovM.V.,EvlashkinM.A.,Vasil’evA.I. 13

OnImprovingtheEfficiencyofGround-BasedTestingofRocketandSpaceTechnologyProducts BasedontheIntellectualizationoftheSupportingMeansofTestComplexes VokinG.G.,GumenyukA.M.,EgorovO.V.,LiseikinV.A.,MakarovM.I., SizyakovN.P.,TozhokinI.A.,YurievI.A. 19

SpaceNavigationSystemsandDevices.RadiolocationandRadioNavigation

ExpansionoftheGLONASSSignalBandwidthintheL1BandUsingBOCModulationFeatures AstachovD.A.,TkachevA.B. 30

RadioEngineeringandSpaceCommunication

SynchronousAdditionofAntennaSignalsinaComplexofTelemetryFacilities VatutinS.I.,KozinP.A. 36

DevelopmentoftheSpaceFabry–PerotAntennaswithaStructuralElementBasedonArtificialMagnetodielectric AdzhibekovA.A. 48

ImplementationofFault-TolerantIntercrystalCommunicationintheSystemsofSpaceScientificEquipment BasedonMultipleFieldProgrammableGateArrays

VoronovK.E.,SukhachevK.I.,ShestakovD.A.,ArtyushinA.A. 57

Inter-OrbitalDataTransferSystemforSmallSpacecraftConstellationControl VatutinS.I.,GvardinR.M.,KurkovI.K.,EgorovaN.V. 65

Solid-StateElectronics,RadioElectronicComponents, Micro-andNanoelectronics,QuantumEffectDevices

TheUseof3DPrintingfortheManufactureofRadioElectronicEquipmentElementsforSpaceApplication TyulinA.E.,ErokhinG.A.,PavlovA.V.,.GorbunovV.A,TyulkovaA.A.,SmirnovaO.N. 76

DevelopmentofaMicrosystemSensorforMonitoringtheElectrificationoftheSpacecraftSurface DorofeevYu.B.,DorofeevR.Yu. 91

А.Ю.Потюпкин, д.т.н.,проф.,potyupkin_in@spacecorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация Ю.А.Тимофеев, к.т.н.,с.н.с.,timofeev_in@spacecorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация С.А.Волков, к.т.н.,с.н.с.,volkov_in@spacecorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация Аннотация. Рассматриваетсяалгоритмформированиярабочихорбитальныхструктуркосмическихаппаратовдляреализации целевыхэффектовмногоспутниковойорбитальнойгруппировки.Алгоритмоснованнарешениизадачимногокритериального выборалокальныхорбитальныхструктурнаизбыточноммножествекосмическихаппаратовсиспользованиемнечеткоймеры ввидефункцийпринадлежности.Приведенаформализацияалгоритмавтерминахтеориинечеткихмножеств.Рассмотрен примерреализацииалгоритмадлямногоспутниковойсистемыдистанционногозондированияЗемли.Алгоритмформированиярабочихструктурможетявлятьсясоставнойчастьюкомплексазадачкомандно-программногообеспечения,реализуемых вЦентреуправленияполетомперспективнымимногоспутниковымиорбитальнымигруппировками.

Ключевыеслова: алгоритм,многоспутниковаяорбитальнаягруппировка,управление,функциипринадлежности

TheAlgorithmforFormationofWorkingStructures inMulti-SatelliteOrbitalConstellationManagement

A.Yu.Potyupkin, Dr.Sci.(Engineering),Prof.,potyupkin_in@spacecorp.ru JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation Yu.A.Timofeev, Cand.Sci.(Engineering),seniorresearcher,timofeev_in@spacecorp.ru JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

S.A.Volkov, Cand.Sci.(Engineering),seniorresearcher,volkov_in@spacecorp.ru JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

Abstract. Thisarticlepresentsanalgorithmfortheformationofworkingorbitalspacecraftstructuresfortheimplementationofthe targeteffectsofamulti-satelliteorbitalconstellation.Thealgorithmisbasedonsolvingtheproblemofmulti-criteriaselection oflocalorbitalstructuresonanexcessivesetofspacevehiclesusingafuzzymeasureintheformofmembershipfunctions.

Thealgorithmisformalizedintermsoffuzzysettheory.Anexampleoftheimplementationofthealgorithmforamulti-satellite systemofremotesensingoftheEarthisconsidered.Thealgorithmfortheformationofworkingstructurescanbeanintegral partofthecomplexofcommandandsoftwaretasksimplementedintheMissionControlCenterbypromisingmulti-satelliteorbital constellations.

Keywords: algorithm,multi-satelliteorbitalconstellation,management,control,membershipfunctions

Введение

Вопросысозданияиэксплуатациимногоспутниковыхорбитальныхгруппировок(МОГ)внастоящеевремяприобретаютвсебольшуюактуальность. ВсвязисразвитиемтехнологийсозданиямалоразмерныхКАмногоспутниковыегруппировкистановятсяобъектоминтересауженетолькогосударственных,ноичастныхструктур.Всилучегоспециалистыактивнообсуждаютразличныеаспекты проблематикиМОГкакдистанционноуправляемых многоагентныхсистем.Вработах[1–3]подробно рассмотренывопросысозданияиуправленияМОГ, австатье[3]рассмотренвариантрешениязадачи управленияМОГнаосновеконцепциирежимов функционированиявусловияхограниченностиресурсовуправления.

ВцеломзадачауправленияМОГрассматриваетсянасистемномуровнекакзадачауправлениясистемнымэффектом(дифференциальнымвыходнымэффектомвтерминахГОСТР56526-2015), который,всвоюочередь,предполагаетуправление целевымиэффектами(ЦЭ)системы,орбитальной структурой,состояниемМОГисистемойинформационногообмена.Подробноуказанныевопросы рассмотренывработах[1,3].Напомнимобщую концепциюуправления.

«ЗадачауправленияМОГрассматриваетсякак задачамножественноговыборалокальныхорбитальныхструктур(ОС)наизбыточноммножестве КАдляреализациизаданныхпотребителемЦЭисходяизресурсныхограничений.Учитываямножествоограничений,связанныхсбаллистическимпостроениемМОГ,ресурсомотдельныхКА,поставленнаязадачаможетбытьрешенаоднимизметодоврешениямногокритериальныхзадач,например методомглавногокритерияилипоследовательных уступок. Общаяструктурапроцессапринятиярешения

цияпотипуЦЭ(назначениеКА,способныхреализоватьЦЭ)иконечным—итоговаяактивация выбранныхКА.

Посленачальнойактивации,т.е.потенциальнойоценкивозможностивыполнениязадачинекоторойгруппойКА,следуетэтапустраненияконфликтов.Деловтом,чтоприведенныевышезадачимогутрешатьсяодновременнодлямножества потребителейиодниитежеКАмогутоказатьсявразличныхлокальныхОСкакспособныереализоватьвыбранныеЦЭ.Всвязисэтимважнымшагомявляетсявыявлениеиустранениеконфликтови,врядеслучаев,переназначениеКА. ПослеустраненияконфликтовпроисходититоговаяактивациявыбранныхКА.Указанныезадачи могутбытьрешеныкакпотребителем,например дляКНСвыборнеобходимогосозвездиянавигационныхКАосуществляетсяпотребителемавтоматически,такивболеесложномслучаеоператорами Центрауправленияполетомкосмическойсистемы, какдлясистемДЗЗ.

Общееправилопринятиярешениявыглядит следующимобразом: ЕслиКАнаходитсяворбитальнойпозиции, соответствующейнужномуцелевомуэффекту иеголокальнойорбитальнойструктуре,зарегистрированворбитальнойсоте,обладаеттребуемойтехническойготовностьюиненаходится всостоянииконфликтасдругимиКА,тоонможетбытьактивировандляреализациисистемногоэффекта.

ПриэтомопределениесоответствияКАнужнойорбитальнойструктурепризаданномЦЭвзаданнойобластипространстваможетбытьосуществленопутемналожениямножестваОСЦЭ наматрицуорбитальныхпараметров.

Следуетучитывать,чтоформированиеправил принятиярешениянауправлениесучетомрежимовфункционированияпредставляетсобойотдельнуюивесьмасложнуюисследовательскуюзадачу,таккаквыборвариантарежимадлякаждого изКАгруппировкиисистемывцеломостается прерогативойспециалистовЦентрауправленияполетомкосмическойсистемы»[3].Всвязисэти возникаетактуальнаязадачаразработкиалгорит-

Решениезадачи

Примем,чтокаждаяОСпредназначенадляреализациинекоторогоцелевогоэффекта.Есливсе ЦЭбудутреализованыстребуемымкачеством, тоиобщийсистемныйэффект(СЭ)какдифференциальныйвыходнойэффекттакжебудетреализовандолжнымобразом.Вкачествепримераподобногоэффектаприведемобеспечениедоступностипотребителейкполучениюуслугкосмических систем,гдеподдоступностьюпонимаетсяспособностьсистемыобеспечиватьпотребителейсервисамитребуемогокачествавзонедействиясистемы. Например,длякосмическойнавигационнойсистемы(КНС)доступностьхарактеризуетсявозможностьюполученияпотребителемврабочейзоне системыдостовернойинформацииосвоемместоположениивопределенныйпериодвремениистребуемойточностью.ВкачествепоказателядоступностинавигационногополяКНСвцеломиспользуетсявероятностьобеспечениядоступности,рассчитываемаякакпроцентвремени,втечениекоторогопространственныйгеометрическийфактор PDOPменьше6налюбом24-часовоминтервале взонедействиясистемы.

Длясистемсвязидоступностьрассматривается какспособностьсистемсвязиобеспечиватьабонентамсистемсвязидоступкрадиоресурсуприсохраненииназначенныхприоритетовиспособовустановлениясвязи.Оцениваетсяонавероятностьюсанкционированногодоступаабонентанезависимоот егоместоположениякрадиоресурсусистемысвязи. Например,длякосмическихсистемсвязи Д S Sп —площадьпересечениярайонарасположенияабонентаиплощадьюзоныобзорарадиоаппа-

антавсоответствиисвыбраннымкритериемпредпочтения.

Следуетучитывать,чтовнастоящеевремя существуетбольшоеразнообразиеметодовмногокритериальногопринятиярешенийкаквусловиях определенности,такивусловияхразличныхвидов неопределенности:стохастическойинестохастической.Рассматриваемаязадачаотноситсякклассу задач,решаемыхвусловияхнеопределенности, и,всвязисотсутствиемдостаточнойстатистики, неопределенностинестохастической.Математическимаппаратом,позволяющимрешатьзадачивыборавтакихусловиях,являетсятеориянечеткихмножеств[4,5].Понятиенечеткогомножестваосновываетсянапредположенииотом,что любойэлементлишьвнекоторойстепенипринадлежитданномумножеству.Степеньпринадлежностиопределяетсянечеткоймерой—функцией принадлежности(ФП)— μ(•) ∈ [0,1].Приэтом μ(•)= 1—элементпринадлежитмножеству, μ(•)= 0—непринадлежит,0 <μ(•) < 1— принадлежитвнекоторойстепени.Функциипринадлежностимогутявлятьсярезультатомэкспертнойоценкикакстепениуверенностилица,принимающегорешение(ЛПР)илиобработкиколичественныхданных.Подход,основанныйнатеориинечеткихмножеств,позволяетматематически оперироватьнетолькоснеявнозаданнымиданными,ноисосмысловымсодержаниесловчеловека. Например,высказывание«УровеньреализациисистемногоэффектаВысокий»можетбытьописано ФПследующеговида(рис.1).

Рис.1.Функцияпринадлежностивысказывания«УровеньреализациисистемногоэффектаВысокий»

Здесь μ(D ) —ФП, D —доступностькосмическойсистемы.Приэтомрассматриваются3вариантаФП,отражающихразличныевариантыпредпочтенийЛПР.

РассмотримпорядоквыбораЦЭсиспользованиемнечеткоймерыкакмерысравненияразличныхвариантов.Будемопиратьсяназаявленное правиловыбораидекомпозируемегонаусловия ивыводыизних. ЕслиКАнаходитсяворбитальнойпозиции, соответствующейнужномуцелевомуэффектуиего локальнойорбитальнойструктуре, Условие 1, зарегистрированворбитальнойсоте— Ус ловие 2, обладаеттребуемойтехническойготовностью— Условие 3 иненаходитсявсостоянииконфликта сдругимиКА— Условие 4, тоонможетбыть активировандляреализациисистемногоэффекта— Вывод из условий Приэтом Условие 2—КАзарегистрирован ворбитальнойсоте —вобщемслучаеможет рассматриватьсякакусловие решениязадачинформационногообмена междуразличнымиКА имеждуКАиназемнымикомплексамиуправленияиспециальнымкомплексом.

Введемфункциипринадлежностидляприведенныхвышеусловийивывода.Пусть μОс/ЦЭ (•) ФП Условия1 КАнаходитсяворбитальной структуре, соответствующейзаданномуЦЭ;

μИО (•) —ФП Условия2 решенызадачи информационногообмена«Б-Б», «Б-З»;

Примемвкачестверабочеговариантафункцию принадлежностиэкспоненциальноговида.Вэтом случае

μ(k )= e αk или μ(k )= 1 e αk , где k —информативныйпараметр,отражающийсемантикурешаемойзадачи; α —параметрформы ФП,определяемый,например,как αγ = ln γ/kγ , где γ —значениеФПдлязаданного k .Например, есливыбрано k ,длякоторого γ = μ(k )= 0,5, то α0,5 = ln 0,5/k0,5

Сувеличениемполезногоэффектастепеньистинностиусловиядолжнавозрастать,ноприэтом недолжнапревышать1.

μТГ (•) —ФП Условия3 КАобладаеттребуемойтехническойготовностью; μКфл. (•) —ФП Условия4 КАненаходится всостоянииконфликтасдругимиКА; μА (•) —ФП Вывода КАможетбытьактивировандляреализациисистемногоэффекта Тогдастепеньистинностипринятиярешения обактивацииКАизмножествавозможныхнаосновании функцийпринадлежности.ВлитературеможнонайтиследующиевидыФП:треугольная,трапецеидальная,гауссова,экспоненциальная,сигмоидальная,обобщеннаяколоколообразнаяиряддругих функций.Выборконкретноговариантаиегопараметровопределяетсяхарактеромрешаемойзадачи иноситвопределенноймересубъективныйхарактер.ОднакопослезаданияФПдальнейшиевычисленияивыводыявляютсястрогоматематически обоснованными.

ТогдаФП Условия1 —выбораорбитальнойструктурыдляреализациизаданногоЦЭ впростейшемслучаевыглядиткак μОс/ЦЭ (•)= = μОс/ЦЭ (ρ),где ρ —расстояниеотоптимального длязаданногоЦЭрасположенияКА.Однакодля реализацииЦЭсвмногоспутниковойгруппировке одновременноиспользуютсянесколькоКА.Следовательно,возникаетмножестворасстояний ρ ихарактерпринятиярешениястановитсянестольоднозначным.Всвязисэтимцелесообразновкачествеинформационногопараметравданномслучае использоватьстепеньреализацииЦЭприданной орбитальнойструктуре,напримернаилучшийгеометрическийфактордляКНС,кратностьперекрытиязонрадиовидимостидляспутниковыхсистем блюдениязаданногорайона—интервалвремени

ненаблюдаемостирайона,вслучаереализацииЦЭ стереосъемкиосновнойхарактеристикойгеометрическогокачествастереопарысчитаетсяотношение базисафотографированияквысотеполета(B/Н), которыйтакженазываютпоказателемстереосъемки(долженбытьприблизительно1/50).Следовательно, μОс/ЦЭ (•)= μОс/ЦЭ (kЦЭ ) Вобщемслучаеприиспользованииматрицы орбитальныхпараметровзадаютсяфильтры,выделяющиенамножествеКАподмножество,накотороммогутбытьвыбраныКА,обеспечивающиена моментрешенияцелевойзадачинаилучшеезначениевыходногопоказателяцелевогоэффекта.Так, втабл.1разнымицветамивыделеныдвегруппы КА(1,3)и(2,4),которыенаданныймоментвремени t1 создаюторбитальнуюструктурудляреализациизаданногоЦЭ,носразнымзначением выходногопоказателя. (см.табл.2).Здеськачествообслуживания(QualityofService,QoS)—«этосовокупностьпоказателей,которыеопределяютстепеньудовлетворения

пользователяпредоставляемымемуобслуживанием.Качествообслуживанияопределяетсявточкедоступакуслугеихарактеризуетсясвойствами удобстваиспользования,обеспеченности,действенности(доступности,непрерывности,целостности) ибезопасностиобслуживания»[9].

Каквидноизтаблицы,однозначновыделить информативныйпараметр k длязаданияФПзатруднительно.Всвязисэтипредлагаетсяследующий вариантегоопределения,основанныйнавыделенииприоритетногопоказателякачестванаоснованииопределениятипаданныхивидауслуги.Например,длякосмическихсистемДЗЗдлятипаданных—«данные»ивидауслуги—«передачаизображений»сучетомтребованийпооперативности передачиинформациивограниченныхзонахрадиовидимостиприоритетнымявляетсяпоказатель «скоростьпередачиданных».Вэтомслучаепараметр k —скоростьпередачиданных V и μИО (•)= = μИО (V ),акоэффициент α определяетсясучетом остальныхпараметровкачестваобслуживания. Важнымусловиемпринятиярешенияявляется Условие3 КАобладаеттребуемойтехническойготовностью сФП μТГ (•).Какправило, техническуюготовностьКАхарактеризуюткоэффициентомготовности Kг = Tр /(Tр + To ),где Tр , Tо —времянахожденияКАвсостоянииработоспособностииотказа.ОднаковозможностьиспользованияКАпоназначениюопределяетсянетолько техническойготовностью,ноивыделеннымизапасамирабочеготела(РТ)иэлектроэнергии(ЭЭ), необходимыхдлярешениязадачи.Поэтомубудем рассматривать Условие3 каккомплексное,включающееследующиечастныеусловия: КАработоспособен условие3.1.И обладаетнеобходимым выделеннымзапасомРТ условие3.2.И обладаеттребуемымвыделеннымзапасомЭЭ условие3.3 ссоответствующимифункциямипринадлежности .ТогдаФП следующеговида:

Таблица2.Требованияккачествууслуг,предоставляемыхмультисервиснымисетямисвязи[8]

Тип данных Названиеуслуги Требуемая скорость передачи

Аудио

Параметрыкачествауслуги Задержка,мс Джиттер Потери,%

Телефония 4–64кбит/с < 150мс(отличноеQoS), < 400мс(допустимоеQoS) < 1мс < 3%

Передачаголоса 4–32кбит/с < 1с(длявоспроизведения), < 2с(длязаписи) < 1мс < 3%

Звуковоевещание 16–128кбит/с < 10с 1мс < 1%

Видео Видеоконференция > 384кбит/с < 150мс(отличноеQoS), < 400мс(допустимоеQoS) < 1%

ПросмотрWEB-страниц 10кБ < 2с/стр.(отличноеQoS), < 4с/стр.(допустимоеQoS) 0

Данные

Передачафайлов 10кБ–10МБ < 15с(отличноеQoS), < 60с(допустимоеQoS) 0

Передачаизображений > 100кБ < 15с(отличноеQoS), < 60с(допустимоеQoS) 0

Доступкэлектроннойпочте < 10кБ < 2с(отличноеQoS), < 4с(допустимоеQoS) 0 Факс > 10кБ < 30с/стр. < 10 6 BER

каксобытие,заключающеесявтом,чтоданный КАнарассматриваемыймоментвремениявляетсякандидатомнавключениевдругиеорбитальные структурыдляреализациидругихЦЭ.Будемсчитать,чточемвышеуровеньвостребованностиКА, темуровеньконфликтностивыше.Тогда μКфл. (•)= = μКфл. (n),где n —числозаявокназадействованиерассматриваемогоКА.

Такимобразом,определениекаждойизрассмотренныхФПвконкретныхситуацияхвыбора позволитоценитьстепеньобоснованностиназначениятехилииныхКАдляреализациизаданбудетвыглядетькак (n)}

Схемапринятиярешениякакпоследовательнойредукцииразмерностиисходногомножества КАвсоответствиистребованиямикритериев,выдвигаемыхусловиями1–4,представленанарис.2. ЗдесьисходноемножествоКАразмерности N последовательноредуцируетсявитоговоемножествоКАразмерности M<N последующейсхеме: N → n1 → n2 → n3 → n4 → M ,где nj —размерностьмножестваКАпослевыполнения j -гоусловия.

ОбщийалгоритмпринятиярешенияоназначенииКАбудетвыглядетьследующимобразом:

1.ЗаданиеЦЭсуказаниемвидаЦЭ,егопро-

3.СравнениевозможныхОС,выделенныхврезультатефильтрации,постепениреализацииЦЭпутемвычисленияотдельныхФП μi Ос/ЦЭ (kЦЭ ),ранжированиеОСпозначениямФП.

4.Определениеподмножестваподходящих μ∗ Ос/ЦЭ (kЦЭ ),проверкавыполнениятребований пороговогоуровня.Вслучаеневыполнения—прекращениерешениязадачи,отказ отреализацииЦЭ.

5.Проверкавыполненияусловиярешениязадачинформационногообменадлявыбранных наэтапе3КА,определение μ∗ ИО (V ) ивыполнениятребованийпороговогоуровня.Вслучае невыполнениятребованийдлязаданнойОС—

уровня.Вслучаеневыполнениятребований длязаданнойОСвозвраткп.4,выборследующейпорангуОС.

8.ИтоговоеназначениевыбранныхКАдляреализацииЦЭ,вычислениеитоговой μ∗ (•),сравнениеспороговымзначением.Вслучаеневыполнения—прекращениерешениязадачи,отказ отреализацииЦЭ.

Приведенныйалгоритмявляетсяитерационнымипредполагаетпоследовательноепринятиерешенийсучетомвыполнениятехилииныхусловий.

ВместестемвозможенивариантпараллельногорассмотрениявсехвозможныхОС,полученных наэтапе2приведенногоалгоритма,споследующей оценкойвсехФПдлямножестваОСирезультирующеговыбора.

Достоинстваинедостаткикаждогоизрассмотренныхвариантоввыборадолжныобсуждатьсяприменительнокконкретнымусловиямсучетом требуемогосистемногоэффекта,множестваЦЭ, составаорбитальнойгруппировки,состоянияКА исистемыинформационногообмена,вычислительнымивозможностямисистемыпланирования.

Рассмотримпримерреализациипредложенногоалгоритма.ПустьрассматриваетсямногоспутниковаяорбитальнаягруппировкаДЗЗ,относящихся

кклассуминиКА(до500кг),энерговооруженностьюдо2Квт,способныхкаккманеврированиювплоскостиорбиты,такикизменениюугловой ориентациипутемосуществленияпрограммныхразворотовсиспользованиемактивныхэлементовсистемыуправлениядвижением,включающейкакреактивныедвигательныеустановки,такисиловые гироскопы[10].ТребуемымцелевымэффектомявляетсяЦЭстереосъемки[11]заданногоучастка поверхностиЗемли(рис.3).Назаданныймомент времениэтотэффектпотенциальномогутреализовать5КА,обладающихтребуемымипространственно-временнымихарактеристиками(находящимися надзаданнымрайономмониторинга). бораКАдляреализацииЦЭ.БудемрассматриватьвариантыиспользованияФПэкспоненциальноговида.Следуетучитывать,чтовпрактических приложенияхвыдвинутые

ниеотзаданногопоказателястереосъемки,например B/H = 1/50, α = 69,31472для Δ(B/H )0,5 = = 0,01рад. Условие2 решенызадачиинформационногообмена«Б-Б», «Б-З» —представимкак скоростьпередачиданныхсъемкиДОСТАТОЧНАЯ сФП

μ i∗ ИО (V )= 1 e α(V ) , где V —скоростьпередачиданныхвсистемеинформационногообмена.Сучетомданных,приведенныхвтабл.2,дляпередачиизображенийтребуется V 100кБ, α = 0,017329для V0,5 = 40Кб. Длякомплексного Условия3 КАобладаеттребуемойтехническойготовностью ФП μi∗ ТГ (Kг ,РТ,ЭЭ) вычисляетсяпутемкомпозицииФП μ3 1 (Kг ), μ3 2 ( ), μ3 3 ( ) длярядачастныхусловий: коэффициентготовностиКАвысокий условие3.1.И обладаетнеобходимымвыделеннымзапасомРТ условие3.2.И обладаеттребуемымвыделеннымзапасомЭЭ условие3.3.

Тогда μ∗ 3.1i (Kг )= 1 e α(Kг ) прикоэффициенте готовности Kг ∈ [0,1], α = 4,620981для Kг0,5 = = 0,15.

μ ∗ 3 2i (νРТ )= 1 e α(νРТ ) привыделенномзапасеРТ νРТ ∈ [0,100],гр.

α = 0,034657359для νрт0,5 = 20гр.

μ ∗ 3 3i ( ЭЭ )= 1 e α( ЭЭ ) привыделенномзапасеЭЭ ЭЭ ∈ [0,500],Вт, α = 0,006931472для ээ0,5 = 100Вт.и μi∗ ТГ (•)= =min{μ∗ 3 1i (Kг ), μ∗ 3 2i (РТ), μ∗ 3 3i (ЭЭ)} Условие4

Исходяизразмерностирешаемойзадачина множествеиз5КАобщеечисловозможныхсочетанийдляреализациизаданногоЦЭ—стереосъемкисоставляет C 2 5 = 10пар,например КА1–КА4.Осуществимвыбородногопредпочтительноговариантанаоснованиипредложенногоалгоритма.

Пустьполученызначениявсехинформативных параметров,сведенныевтабл.3,вкоторойприведеныиоценкиФП Условий1–4 ивыводыизоценок.Будемсчитать,чтодлявсехусловийзаданпороговыйуровеньпринятиярешения μ∗ (•) μтр (•), где μтр (•)= 0,7.

Последовательныйанализ Условий1–4 позволяетнапервомэтапесократитьчисловозможных структурс10до8,ноприэтомвсоставОСвходятвсеКАгруппировки,поэтомуанализвыполнимости Условий2–4 проводитсядлявсейгруппировки.ОСиКА,неудовлетворяющиетребованиямусловий,выделенысерымцветом.Каквидно изтабл.3,происходитпоследовательноесокращениеразмерностивозможныхОСс10до1.ИтоговаяОСдляреализацииЦЭстереосъемкивключаетКА3иКА5.

Заключение

ВнастоящейстатьерассматриваетсяобщийалгоритмформированиярабочихструктурприуправленииМОГ,основанныйнарешениизадачимногокритериальноговыборасиспользованиемнечеткоймерыввидефункцийпринадлежности.Строгаяформализацияалгоритмавозможнасиспользованиемэлементовформализации,введенныхвпостановкезадачинауправлениеМОГ,рассмотреннойвстатье[3].ПрактическаяреализацияпредложенногоалгоритмапредполагаетзаданиесоответствующихмножествЦЭдляМОГ,определениямножеств Условий принятиярешенияиинформативныхпараметров,атакжевидовфункцийпринадлежности.Алгоритмформированиярабочихструктурможетявлятьсясоставнойчастью комплексазадачкомандно-программногообеспечения,реализуемыхвЦентреуправленияполетом

У1 Δ(B/ ) 0,001 0,002 0,007 0,000 0,004 0,003 0,008 0,002 0,001 0,005 ∗ (Δ(B/ )) 0,933 0,871 0,616 1,000 0,758 0,812 0,574 0,871 0,933 0,707

ОС1 1–2 1–3 1–5 2–3 2–4 3–4 3–5 4–5 1 2 3 4 5

У2 V 95,000 60,000 85,000 100,000 90,000 (V ) 0,807 0,646 0,771 0,823 0,790 0,800 0,750 0,900 0,950 (K ) 0,975 0,969 0,984 0,988 25,000 50,000 75,000 90,000 0,580 0,823 0,926 0,956 150,000 300,000 350,000 375,000 ( 0,646 0,875 0,912 0,926 0,580 0,823 0,912 0,926

У4 1 2 0 0,707 0,5 1 1 2 3 4 5 1–2 1–3 1–4 1–5 2–3 2–4 2–4 3–4 3–5 4–5

1. ПотюпкинА Ю., ВолковС А., ПантелеймоновИ Н ., ТимофеевЮ А.Управлениемногоспутниковымиорбитальнымигруппировками//Ракетно-космическоеприборостроениеиинформационныесистемы,2020,т.7,вып.3.С.61–70.

2. ЖодзишскийА. И ., ЖидковаС . К., НагорныхД . Н . ПостроениеединогоназемногокомплексауправлениямногоспутниковойгруппировкиКАДЗЗ//Ракетно-космическоеприборостроениеиинформационныесистемы,2020,т.7,вып.4.С.45–56.

3. ПотюпкинА. Ю. ВолковС . А., ТимофеевЮ. А. Групповоеуправлениемногоспутниковойорбитальнойгруппировкойнаосновеконцепциирежимов совместногофункционирования//Ракетно-косми-

4.Прикладныенечеткиесистемы/Пер.сяпон.; М.:Наука,1986.311с.

6. НазаровА Н ., СычевК И .Моделииметодырасчетапоказателейкачествафункционированияузло-

вогооборудованияиструктурно-сетевыхпараметровсетейсвязиследующегопоколения.Красноярск: Поликом,2010.389с.

7. МакаренкоС И ., БородиновР В.АнализтехнологийобеспечениякачестваобслуживаниявмультисервисныхАТМсетях//Информационныетехнологиимоделированияиуправления,2012,№1(73). С.65–79.

8. АганесовА В.Модельсетиспутниковойсвязина основепротоколаслучайногомножественногодоступаS-Aloha//Системыуправления,связиибезопасности,2015,№2.С.99–134.

9. БурановаМ А., КирееваН В.Технологииобеспечениякачестваобслуживаниявмультисервисныхсетях.Учеб.пособ.Поволжскийгосударственныйуниверситеттелекоммуникацийиинформатики,2016.181с.

10. ТумановА В., ЗеленцовВ В., ЩегловГ А.Основы компоновкибортовогооборудованиякосмических аппаратов.М.:ИздательствоМГТУим.Н.Э.Баумана,2018.572с.

11. ПотюпкинА Ю., ДанилинН

М.В.Мешков, nova@ntsomz.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация М.А.Евлашкин, nova@ntsomz.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация А.И.Васильев, к.ф.-м.н.,nova@ntsomz.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация Аннотация. МировыетенденцииобеспеченияпотребителейданнымииинформационнымипродуктамиДЗЗобуславливают созданиеспециализированныхвеб-сервисовоперативногопредоставлениякосмическойинформации.Приэтомсовременные геоинформационныесистемыArcGIS/QGISпредусматриваютвозможностьинтеграцииданныхвеб-сервисовврамкахсвоих интегрированныхсред.Применительнокинформационнымпродуктам,формируемыхподаннымроссийскихкосмическихсистемДЗЗ,врамкахданнойстатьирассматриваютсяособенностиразработкиплагинадлягеоинформационнойсистемыQGIS вобеспечениедоступакресурсамгеоинформационногосервиса«Банкбазовыхпродуктов»(ББП).Вчастности,встатьеприведеныархитектурныеособенностиQGIS-плагина,атакжемодельвзаимодействияссервисамиББП.Подробнорассмотрен разработанныйфункционалплагина,обеспечивающийвозможностьзаказасценипредоставленияинформационныхпродуктовДЗЗ,включаябесшовныесплошныепокрытиярегионовРФ.

Ключевыеслова: геоинформационнаясистема,QGIS,плагин,банкбазовыхпродуктов

M.V.Meshkov, nova@ntsomz.ru

JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

M.A.Evlashkin, nova@ntsomz.ru

JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

A.I.Vasil’ev, Cand.Sci.(Phys.-Math.),nova@ntsomz.ru

JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

Abstract. Worldtrendsinprovidingconsumerswithremotesensingdataandinformationproductsleadtothecreationofspecialized webservicesforthepromptprovisionofspaceinformation.Atthesametime,moderngeographicinformationsystemsArcGIS/QGIS provideforthepossibilityofintegratingdatafromthewebserviceswithintheirintegratedenvironments.Withregardtoinformation productsgeneratedfromthedataofRussianspaceremotesensingsystems,thisarticlediscussesthedevelopmentofaplug-in fortheQGISgeoinformationsystemtoprovideaccesstotheresourcesofthegeoinformationserviceBasicProductsBank(BPB). Inparticular,thearticlepresentsthearchitecturalfeaturesoftheQGISplugin,aswellasthemodelofinteractionwithBPB services.Thedevelopedfunctionalityoftheplug-in,whichprovidesthepossibilityoforderingscenesandprovidingremotesensing informationproducts,includingseamlesscontinuouscoverageofregionsoftheRussianFederation,isconsideredindetail.

Keywords: geographicinformationsystem,QGIS,plug-in,basicproductsbank

Введение

Современныевеб-сервисыхранения,обработкиираспространениякосмическойинформации дистанционногозондированияЗемли(ДЗЗ)ориентированынаоперативностьпредоставленияданныхиинформационныхпродуктовДЗЗ.Широкораспространеннымипримерамитакихвеб-сервисовмогутслужитьзарубежныесистемыонлайн-доступакданнымотрытыхкосмическихсистемДЗЗLandsat(https://earthexplorer.usgs.gov), Terra/Aqua(https://worldview.earthdata.nasa.gov), Sentinel(https://scihub.copernicus.eu).Вкачестве примеровзарубежныхкоммерческихвеб-сервисов онлайндоступаследуетотметитьоператороввысокого(https://www.planet.com)исверхвысокогоразрешений(https://www.maxar.com).ПрименительнокроссийскойорбитальнойгруппировкеследуетвыделитьГеопорталРоскосмоса (https://gptl.ru)и«Банкабазовыхпродуктов» (https://bbp.ntsomz).

Приведенныевеб-сервисыявляютсяисточникамиданныхиинформационныхпродуктовДЗЗ, предоставляемыхсоответствующимиоператорами КСДЗЗи,какправило,непредназначеныдлярешениякаких-либотематическихзадач.Приэтом длярешенияприкладныхтематическихзадачприменяютсядваподхода:1)созданиеспециализированныхприкладныхсистемДЗЗ,втомчисле наосновеобращениякресурсампоставщиковданныхиинформационныхпродуктовДЗЗ(например, https://eos.com/landviewer);2)интеграциявеб-сервисовпоставщиковинформационныхпродуктов ДЗЗвгеоинформационныесистемы,врамкахкоторыхтематическимиспециалистамитрадиционнорешаютсяприкладныезадачи(например,интеграциивArcGIS/QGIS,https://www.planet.com/ pulse/planet-releases-arcgis-add-in-qgis-plugin-v2-0).

Врамкахданнойработырассматриваютсяособенностиинтеграциивеб-сервисов«Банкабазовыхпродуктов»(ББП)[1,2],обеспечивающихавтоматическоеформированиеипредоставлениевы-

Однойизширокораспространенных геоинформационныхсистемявляетсяQGIS (https://www.qgis.org).ПопулярностьQGISобуславливаетсярядомхарактерныхдостоинств:кроссплатформенность;поддержкабольшинствавекторныхирастровыхформатовитиповбазданных какпоставщиковинформации;широкийспектр встроенныхинструментовдлясоздания,редактированияианализаданных.Вместестемодним изглавныхпреимуществQGISявляетсяегоархитектура,поддерживаемаярасширяемостьнаосновеплагинов.Приэтомподдерживаетсяразработка плагиновсиспользованиемвысокоуровневыхязыковC++иPython.Учитывая,чтографическийинтерфейсQGISразработансиспользованиемкроссплатформеннойбиблиотекиQt,топрисоздании графическогоинтерфейсаплагиновтакжедопустимоиспользоватьбиблиотекуQt,атакжесредуразработкиIDEQtDesigner.

КлючевымиэлементамиQGISявляютсякомпоненты—«Карта»(MapCanvas),«Слой»(Layer) и«Поставщикданных»(DataProvider).Приэтом компонент«Карта»являетсябазовымэлементом, отвечающимзапослойноеотображениекомпонентовтипа«Слой»,врамкахкоторыхобеспечиваетсяведениерастровойлибовекторнойинформации,предоставляемойвтомчислекомпонентамитипа«Поставщикданных»наосноведоступакTMSсервисам(TileMapService)(см.рис.1).

Такимобразом,разработкаплагиновдляQGIS вобеспечениеинтеграцииресурсоввеб-сервисов предоставленияинформационныхпродуктовДЗЗ накладываетдополнительныетребованиякдоступу иотображениюметаданныхиполноразмерныхраст-

Рис.1.СхематичноеотображениеключевыхкомпонентовQGIS

икомпоненттрансформации/приведениярезультатовобращенийкэлементам/структурамQGIS.

УчитываяспецификуББПвчастивеб-предоставлениясформированных/подготовленныхинформационныхпродуктовДЗЗ,втомчислепосредствомWMTS-протокола(WebMapTileService), тоданнаяинформацияхорошосогласованасключевымикомпонентамиQGIS.ВтакомслучаетехнологическаямодельвзаимодействияQGIS-плагина сББПприобращенииксформированным/подготовленныминформационнымпродуктамосновываетсянаусловно-синхроннойконцепции(см.рис.2) ивключаетследующиеосновныеэтапы:

1)регистрацияAPI-ключадляинициализации плагина;

2)получениеспискаактуальныхдоступных бесшовныхсплошныхпокрытий(БСП)и/илиактуальногоспискабазовыхпродуктов,сформированных/подготовленныхврамкахзаказов;

3)добавлениеБСПибазовыхпродуктов ввидеотдельныхрабочихQGIS-слоев.

ВсоответствиисмодельюББП[2,3]длякаждогозаказа/продуктаимеетсязаданноевремяжизни,втечениекоторогоможнообращатьсякпродукту,втомчисленаосновеWMTS-протокола.Поистечениивременижизнизаказ/продуктстановится недоступен.Врамкахплагинадополнительноразработанфункционалвозможностиперезаказа(илирегенерациипродуктовзаказа)принеобходимости. Применительнокзадачепоискановыхсцен можностямиQGISинепредоставляеттрудностей прииспользованиивекторныхслоев.Всвоюочередь,визуализацияобзорныхизображенийврамкахслоевQGISвозможнатолькоприналичииинформацииокартографическойпроекцииипараметрахгеографическойпривязки.Соответственнодля

наосновеконтураполигонасцены.Крометого, дляиспользованияслоярастровыхданныхдлявизуализациидолженбытьиспользованформатрастровыхданныхсподдержкойгеопривязки(например,формированиевременныхобзорныхизображенийвформатеGTiff).

ФункционалQGIS-плагинадоступа

гина).Далееболееподробнорассмотримфункционалкаждойизпроцедур.

Врамкахвкладки«Scenes»реализуетсяпросмотрспискавсехвыполненных,новыхиистекших продуктовзаказов.ПриэтомдлявыполненныхзаказовдопустимодобавлениевыбранногопродуктавсписокактивныхслоевQGIS(см.рис.4). ДанныепродуктыотображаютсявГИСнаоснове WMTS-протокола,поддерживаемогоББП.Дляистекшихзаказовдопустимарегенерациязаказов безнеобходимостиповторногопоискасценивыборапродуктов.

Нарис.3приведеноосновноеокноQGISплагина.ВзаимодействиесресурсамиББПвыполняетсяпослерегистрацииAPI-ключа.Вслучаевалидногоключапроизводитсяавторизацияпользователяиосновнойфункционалплагинастановится доступен.

ВосновнойфункционалQGIS-плагинавходят процедуры:1)доступкпродуктамвыполненных, новыхиистекшихзаказов(вкладка«Scenes»основногоокнаплагина);2)доступкбесшовным сплошнымпокрытиям(вкладка«BSP»основного окнаплагина);3)поискановыхсцендлязаказа продуктов(вкладка«Search»основногоокнапла-

Врамкахвкладки«BSP»реализуетсяпросмотрспискавсехдоступныхбесшовныхсплошныхпокрытий.Дляотображенияихприменяетсядревовиднаяструктурапокритериямрегион–разрешение–дата–продукт.Также,какиотдельные продуктызаказов,каждоепокрытиедопустимодобавитьвсписокактивныхслоевQGIS(см.рис.5). ВотличиеотпродуктовзаказовдляБСПхарактернопостоянноевремяжизни(т.е.безнеобходимостиперезаказа).

Врамкахвкладки«Search»реализуетсяпоиск новыхсцендлязаказапродуктов.Веб-APIББП предусматриваетширокийфункционалкритериев

Рис.6.Отображениерезультатовпоискасцендлязаданногорегионаинтереса,предоставляемыхББП,посредствамфункционалавQGIS

ивслучаеуспехаможетбытьиспользовандляпоискасцен.Нарис.6представленпримерпоиска позаданномурегионуинтереса.

Доступктекущейстабильнойверсииплагинареализованврамкахвеб-сервисаББП (https://bbp.ntsomz.ru/documents).

Заключение

Встатьерассматриваетсязадачаинтеграции веб-сервисовпредоставленияданныхиинформационныхпродуктовДЗЗвгеоинформационныесистемы.НапримереQGISдемонстрируютсяееособенностииограничения,атакжеиспользуемыеархитектурныеитехнологическиерешенияприпортированиявеб-сервисов«Банкбазовыхпродуктов» вплагиндляQGIS.Подробнорассмотренразрабатываемыйфункционалплагина,демонстрирующий практическиполноценнуюработусресурсамиББП.

Списоклитературы

1. СелинВ. А., МарковА. Н ., ВасильевА. И ., КоршуновА П .Геоинформационныйсервис«Банкбазовыхпродуктов»//Ракетно-космическоеприборостроениеиинформационныесистемы,2019,т.6, вып.1.С.40–48.

2. МарковА Н ., ВасильевА И ., ОльшевскийН А., КоршуновА П ., МихаленковР А., СалимоновБ Б., СтремовА С .Архитектурагеоинформационногосервиса«Банкбазовыхпродуктов»//СовременныепроблемыдистанционногозондированияЗемлиизкосмоса,2016,т.13,№5.С.39–51.

3. МарковА Н ., ВасильевА И ., ОльшевскийН А., МихаленковР А., СалимоновБ Б., СиняевП А., ЕвлашкинМ А.Особенностидоступакресурсам геоинформационногосервиса«Банкбазовыхпро-

Г.Г.Вокин, д.т.н.,профессор,vokin_g@mail.ru «НИИКСим.А.А.Максимова»—филиалАО«ГКНПЦим.М.В.Хруничева», г.Королев,Московскаяобласть,РоссийскаяФедерация А.М.Гуменюк, к.т.н.,snegiri_11@mail.ru АО«ГКНЦим.М.В.Хруничева»,Москва,РоссийскаяФедерация О.В.Егоров, к.т.н.,snegiri_11@mail.ru «НИИКСим.А.А.Максимова»—филиалАО«ГКНПЦим.М.В.Хруничева», г.Королев,Московскаяобласть,РоссийскаяФедерация В.А.Лисейкин, к.т.н.,snegiri_11@mail.ru ФКП«НИЦРКП»,г.Пересвет,Московскаяобласть,РоссийскаяФедерация М.И.Макаров, д.т.н.,профессор,snegiri_11@mail.ru «НИИКСим.А.А.Максимова»—филиалАО«ГКНПЦим.М.В.Хруничева», г.Королев,Московскаяобласть,РоссийскаяФедерация Н.П.Сизяков, д.т.н.,i.yurev@nic-rkp.ru ФКП«НИЦРКП»,г.Пересвет,Московскаяобласть,РоссийскаяФедерация И.А.Тожокин, mail@nic-rkp.ru ФКП«НИЦРКП»,г.Пересвет,Московскаяобласть,РоссийскаяФедерация И.А.Юрьев, к.т.н.,доцент,i.yurev@nic-rkp.ru ФКП«НИЦРКП»,г.Пересвет,Московскаяобласть,РоссийскаяФедерация Аннотация. Изложеныметодическиеподходы,научно-техническиепредложения,результатыпроработок,нацеленныепапопользованияэлементовинтеллектуализацииинформационно-измерительныхтехнологий,аппаратно-техническихиобеспечивающихсредствназемныхиспытательныхкомплексов. Встатьерешениеупомянутыхвопросовпредлагаетсяискатьнапутяхсинергетическиэффективногоиспользованияметодических,инструментальныхитехнологическихсредствинтеллектуализациииавтоматизациитехнологическихпроцедур проведенияназемныхиспытанийиконтроляизделийРКТ.

Основнымиинструментамиповышенияпоказателейэффективностииспытанийпредлагаетсяширокоиспользоватьсредлекторов.Агрегированныеинтеллекторывыделенывтакиетипытезаурусов,какметодико-информационно-технологические, аппаратно-техническиеимодельно-имитационные.Приводятсяобобщеннаяструктурно-функциональнаясхемаинтеллекту-

OnImprovingtheEfficiencyofGround-BasedTesting ofRocketandSpaceTechnologyProducts ofTestComplexes

G.G.Vokin, Dr.Sci.(Engineering),Prof.,vokin_g@mail.ru MaksimovSpaceSystemsResearchInstitute—aBranchofFSUEKhrunichevStateResearch andProductionSpaceCenter,Korolev,Moscowregion,RussianFederation

A.M.Gumenyuk, Cand.Sci.(Engineering),snegiri_11@mail.ru FSUEKhrunichevStateResearchandProductionSpaceCenter,Korolev,Moscow,RussianFederation

O.V.Egorov, Cand.Sci.(Engineering),snegiri_11@mail.ru MaksimovSpaceSystemsResearchInstitute—aBranchofFSUEKhrunichevStateResearch andProductionSpaceCenter,Korolev,Moscowregion,RussianFederation

V.A.Liseikin, Cand.Sci.(Engineering),snegiri_11@mail.ru FKP“NITsRKP”,Peresvet,Moscowregion,RussianFederation

M.I.Makarov, Dr.Sci.(Engineering),Prof.,snegiri_11@mail.ru MaksimovSpaceSystemsResearchInstitute—aBranchofFSUEKhrunichevStateResearch andProductionSpaceCenter,Korolev,Moscowregion,RussianFederation

N.P.Sizyakov, Dr.Sci.(Engineering),i.yurev@nic-rkp.ru FKP“NITsRKP”,Peresvet,Moscowregion,RussianFederation

I.A.Tozhokin, mail@nic-rkp.ru FKP“NITsRKP”,Peresvet,Moscowregion,RussianFederation

I.A.Yuriev, Cand.Sci.(Engineering),AssociateProfessor,i.yurev@nic-rkp.ru FKP“NITsRKP”,Peresvet,Moscowregion,RussianFederation

Abstract. Thepaperpresentsmethodologicalapproaches,scientificandtechnicalproposals,resultsofstudiesaimedatimprovingtest performanceindicatorsasappliedtothefieldofadvancedrocketandspacesystemsbyintroducingintellectualizationofinformation andmeasurementtechnologies,hardwareandsupportsystemsofground-basedtestfacilities.

Thepapersuggeststhatthesolutionoftheseissuesshouldbesoughtinthesynergistically-efficientuseofmethodologicaland technologicaltoolstofacilitateintellectualizationandautomationoftechnologicalproceduresforground-basedtestsandmonitoring ofrocketandspaceequipment.

Asproposedbytheauthors,thekeyapproachtoenhancingthetestefficiencyshouldinvolveawideuseoftoolsdesignated as“intellectors”whichrepresentnew,updatedorwell-knownbutnewlyintroducedsolutionsandtools,anadaptedmethodology, anewtestlogistics.Atthesametime,anindividualthesaurusofintellectorsmaybecompiledforacertaintypeoftesting. Aggregatedintellectorsaredividedintosuchtypesofthesauriasmethodological-information-technological,hardware-technicaland simulation-modelling.Afunctionalblockdiagramoftheintellectualizedtestfacilityispresentedincludingallitsmajorfunctional elements,aswellasexamplesofitsintellectualizedelementschematicsareprovided.

Basedonthesurveyandanalysiscarriedoutwiththeuseofbusinessgamemethodologyitwasfoundthatemployingabovementionedintellectualizationandautomationtoolsbringsaboutaconsiderablegrowth(bymanytensofpercent)oftestefficiency indicators,fostersreductioninmaterial,financialandtimecostswhiledecreasingahumanfactornegativeimpactandreducingthe numberoftestspecialistsrequired.

Keywords: rocketandspacesystems,tests,thesauri,intellectors;testefficiency,experimentalandtheoreticalassessments ofcharacteristics,parametersandpropertiesofspacesystems;spacecraftground-basedtestfacilities;expectedeffect,quality

Введение

Внастоящеевремяестьоснованияконстатировать,чтосовременныйэтапмировоготехнологическогоразвитияявляется,посвоейсути,началомновогопериодаразвитиячеловеческойцивилизации.Иэтонельзяотнестикпреувеличениям.Обэтомсвидетельствуюттеновыетехнологическиенаправления,развитиекоторыхпроисходитсовсебольшейскоростью.ЕсливXXвекеэто быликосмосиатомнаяэнергия,тосейчасэто— искусственныйинтеллект,информационныетехнологии,телекоммуникации,большиесистемы,биотехнологииит.п.[1],приэтомборьбазатехнологическоелидерствосталаполемглобальнойконкуренции.Насвоемопытеавторылишнийразубедились,чторазвитиесовременныхтехнологийвразличныхсферахчеловеческойдеятельностипроисходитнапрактикевсоответствиисфилософскимзакономопереходеколичественныхизмененийвкоренныекачественные.Приэтомуместно отметить,чтовэтомсмыслеракетно-космическая техникаисключениемнеявляется.Болеетого,как мыможемконстатировать,онасамасталалокомотивомпрогрессаисамымактивнымпотребителем всегоновогоипередовогонавсехэтапахжизненногоциклаизделийРКТ,втомчислеинаэтапе испытанийиконтроля.

ИспытанияизделийРКТ,являясьоднимиз важныхэтаповихжизненногоцикла,автожевремявсилуихбольшойважности,требуемойбольшойнадежностиибезотказностивтяжелыхусловияхфункционирования,большойответственности решаемыхбоевых,научныхилисоциально-экономическихзадачтребуютмасштабныхматериально-финансовыхзатратисерьезногонаучно-техническогообоснованиядляобъективнойопытнотеоретическойоценкихарактеристик,параметров исвойствиспытываемыхизделий[2].Территориальноиспытанияизделийначинаютсявземных условиях,азаканчиваютсявусловияхполетаватмосфере,вбезвоздушномпространствеиливусловияхоткрытогокосмоса.

Неранжируяпообъему,видамивременииспытаний,можновыделитьсрединихтакиечасто используемыеиспытания,как:лабораторные,стендовые,конструкторские,внутризаводские,ведомст-

венные,межведомственные,наземные,летные, приемо-сдаточные,контрольные,утяжеленные,государственныеидругиенаименованияиспытаний. Кнастоящемувремени,начинаяссередины прошлоговека,разработанобольшоечислометодикиспытаний,закрепленныхвнормахистандартахразногоуровня,втомчислеивгосударственныхстандартах,темнеменеепотребностьвсовершенствованиитехнологийиспытанийявляется актуальнойвсвязисиспользованиемприсозданииперспективныхизделийРКТновыхнаучнотехническихрешений,новыхматериалов,атакжевсвязиспоявлениемнетрадиционныхфункций,снеобходимостьюобеспеченияфункционированиявтяжелыхусловияхкосмическойсреды, втомчислеидлительноевремя[3,4].

Актуальностьрассматриваемыхвопросовобусловленатемобстоятельством,чтоприсоздании изделийРКТтакойэтапихжизненногоцикла, какиспытанияиконтроль,занимаетособоважноеместонетольковвопросахобеспеченияспособностиизделийвыполнятьзаданныефункции, ноивтом,чтотрудоемкостьиспытательныхиконтрольныхпроцессовсоставляетот20до40%общейтрудоемкостисозданияизделийиимееттенденциюквозрастанию.Приэтомнетольковозрастаетпотребностьвсовершенствованиииспытательнойбазы,нои,крометого,остростоитвопрос осокращенииматериально-финансовыхивременныхзатратнапроведениеполномасштабныхиспытаний[5–11],атакжеобуменьшенииколичества занятогонаиспытанияхтехническогоперсонала прибезусловномобеспечениинадежногоопределениястребуемойточностьюоценокхарактеристик, параметровисвойствизделий[12–19].

Какпоказываетанализопытаавторов,длявыполненияупомянутыхтребованийтехнологиииспытанийзачастуюизпростыхстановятсядостаточносложнымии,чтоглавное,наукоемкими, требуяприэтомбольшихматериальныхифинансовыхзатратспривлечениембольшогочисла специалистов-испытателей.Всвязисэтимпоявляетсянастоятельнаяпотребностьвпоискеновыхподходов,научно-техническихрешенийиновыхтехнологическихинструментов,основанных нановыхинформационно-измерительныхтехнологиях,новыхвозможностяхпрограммно-аппаратных

ипроблемно-ориентированныхпрограммныхпродуктов,атакженасозданииусовершенствованных обеспечивающихсредствиспытательныхтехническихкомплексов.

Повышениетребованийкрезультативности ипоказателямэффективностииспытаний—это нелокальныеинеситуативныеявленияислучаи, аэтотенденция-тренд.Всвязисэтимвозникает актуальнаязадачатеоретическогообобщениянакопленногокнастоящемувремениопытаипоиска научно-техническихподходов,атакжеразработки предложенийпоповышениюэффективностииспытанийбазовыхэлементовперспективныхизделий РКТ,темболеечто,поданнымавторов,проработкипоупомянутымвопросамвсоответствующих информационныхисточникахостаютсяпокамалочисленными.

Направления,способы, методическиеитехнические инструментыповышения эффективностииспытанийизделий РКТнаосновеиспользования научно-техническихвозможностей интеллектуализации

технологическихпроцессов исредствназемных испытательныхкомплексов

Отправнойточкойопределениянаправлений совершенствованияпроцессовиспытанийявляется формированиепонятияэффективностиЭиспытаний.Подэтимпонятиемвстатьепонимаетсясовокупностьтакихпрактическизначимыхичисленновыражаемых(нередковзаимосвязанных)показателейэффективностииспытательныхкомплексов (Эi, i = 1,2,..., n),какуровеньповышенияточностиоценокхарактеристик,параметровисвойств совых,материально-техническихзатратисниже-

нияколичестваобслуживающегоперсонала;увеличениечислаконтролируемыхпараметровизделий,повышениевремениполноценногофункционированияиточностиопределениянадежностиизделиявзаданныхусловияхработы,атакжестепенькачественногоиколичественногоповышения уровняавтоматизации,информатизацииисервиса процессовиспытанийнатехническойбазеиспытательныхкомплексов.

Сформированноепонятиеможетнетолькохарактеризоватьпроцессыиспытаний,ноипроводить оценкинасоответствиетребованиямтакихважнейшихвидовиспытаний,как:функционирование двигательныхустановок;оценкипрочностиконструкцийэлементовизделий;испытанияизделий настойкостьктепловымнагрузкам,механическим перегрузкамиквибрациям,настойкостьквоздействиямагрессивныххимическихвеществирадиации,нагерметичностьидолговечностьфункционированияит.д.

Очевидно,чтовысокийуровеньсоставляющих эффективностиспособенобеспечитьвысокуюрезультативность R испытаний,чтоозначаетполучениеврезультатепроведенияиспытанийвысококачественныхиполномасштабныхданныхохарактеристиках,параметрахисвойствахиспытываемыхизделийвзапланированномтребуемомобъеме исвысокойстепеньюнадежности.

Какпоказываютрезультатыпроведенногоавторамианализаретроспективногоисовременногоопытаиспытаний,косновнымпутямповышениярезультативностииспытанийследуетотнести впервуюочередьинтеллектуализациювсехтехнологическихпроцессовиобеспечивающихтехническихсредств,которыевсовокупностидолжнысоставлятьинтеллектуальнуюиматериальнуюбазу перспективныхиспытательныхкомплексов.Именнонаэтомпутисовершенствованиятехнологий исредствиспытанийможетбытьдостигнуттакойуровеньназемнойотработкиизделий,что,например,новыеракетымогутзапускатьсяспервого разабезаварий.Показательнымивэтомотношениипримерамимогутслужитьуникальныезапуски

ствомакадемикаВ.П.Глушко.Отметим,чтонаначальныхэтапахразвитияракетно-космическойтехникиуспешныепускиначиналисьпосленесколькихаварийных,апередпринятиемнавооружение ракетпроизводилсяконтрольныйихотстрелвколичествепервыхдесятковштук.Вэтомотношениихарактеренпример:всерединепрошлоговека приотработкеракетыР-7,втомчислеиприменительнокполетучеловекавкосмос,былосовершено46пусков.Этобыловызваноновизнойивысокойответственностьюрешаемыхзадач.Напервыхэтапахразвитияракетно-космическойтехникистакимислучаямивынужденыбылимириться всилуотсутствиясоответствующихнаучно-техническихсредств,новнастоящеевремя,когдаимеетсябольшойарсеналнаучно-техническихвозможностей,такиеситуациипринципиальнонепозволительныпоопределению.

Надосказать,чтопонятиеинтеллектуализациибазируетсянаиспользованиииинтеграциинаучно-техническихдостижений,результатовиметодов,нацеленныхнапостроениедостаточноточных математическихмоделейпроектируемыхизделий ирасчетныхметодикпооценкеихпараметровихарактеристикприширокомиспользованиивпроцессеиспытанийинформационно-измерительныхтехнологий,вычислительнойтехники,проблемно-ориентированныхпрограммныхпродуктовисредств автоматизации.Этоозначает,чтовземныхусловияхпримоделированиипроцессовиспытываемых изделийдолжныбытьпроведенывсевозможныережимыихработыизаблаговременнооцененыих характеристики,параметрыисвойства,тогдадля дорогостоящихлетно-техническихиспытанийостанетсяотносительнонемногоневыясненныхпроблемныхвопросов.Этообстоятельство,какбудет показановпоследующемизложении,оченьсильно сказываетсянаулучшениисоставляющихпоказателейэффективности. Всвязисизложеннымвитогепоисковиэкспертныхоценокосновнымнаправлениемсовершендолжнобытьположеносинергетическиэффектив-

ноеиспользованиеметодическихитехнических средствинтеллектуализациииавтоматизациитехнологическихпроцедурпроведенияназемныхиспытанийизделийРКТ.

Какустановленовитогепоисковогоанализа, основнымисредствамиилиинструментамиповышениясоставляющихэффективностиявляютсяинтеллекторы,представляющиесобойновые,модернизированныеилиизвестныевновьвводимыенаучно-техническиерешения,адаптированныйметодическийаппарат;аппаратно-программные,измерительныеитехническиесредства;математические инатурныемодели;усовершенствованнаялогистикаисредстваинтеллектуально-компьютернойподдержкипроцессовиспытаний,которыевнедряются втехнологическуюцепочкуиспытанийнатехническойбазеиспытательныхкомплексов.Приэтом длякаждоговидаиспытаний,упомянутыхвыше, долженбытьсформировансвойспецифическийтезаурусинтеллекторов.

Вметодическомиорганизационномпланецелесообразновыделитьтакиепонятия,какопережающаяинтеллектуализация,когдасоздаваемый испытательныйкомплекспроектируетсясперспективойразвитияподлежащихиспытаниямизделий илисучетомрасширенияихфункций,игибкаяинтеллектуализация,когдаможнооперативноизменятьнаполнениетезаурусанеобходимымиинтеллекторами.

Оставаясьнапринятомуровнеобщностиизложения,можновыделитьрядтиповтезаурусовинтеллекторов,восновуклассификациикоторыхположеныназначения,функциональныевозможности интеллекторов,атакжепринадлежностьктойили инойсоставнойчаститехническогоиспытательного комплекса.Витогеэкспертногоанализавыделены следующиетипытезаурусов: –методико-информационно-технологические (методикииспытаний,проблемно-ориентированные программныепродукты,математическиемодели исхемырасчета;усовершенствованныеспособы опытно-теоретическихоценокхарактеристик,параметровисвойствизделий;базыданныхибазызнаний,экспертныесистемы,цифровыедвойникииспытываемыхэлементов,элементыискусственного интеллекта,документированиерезультатовиспытаний,имитационныемодели,операцииснечеткими

множествамиданных,цифровые3D-макеты,справочнаялитератураит.п.);

–аппаратно-технические(датчикидляизмеренияпараметровиспытываемыхэлементов совстроеннымианалого-цифровымипреобразователями,вычислительныесредства;системымониторинга,визуализациииотображенияпроцессов испытаний;системысервисаиспытаний,контрольно-техническаяаппаратура,средстваавтоматизациипроцессовиспытаний,программно-аппаратные интерфейсымеждуматематическимиинатурными моделямиит.п.);

–модельно-имитационные(математическиемодели,натуральныемасштабированныеинемасштабированныемоделииспытываемыхэлементов,гибридныесхемыиспытаний—сочетаниематематическихмоделей,схемызамещенияэлементовизделийболеепростымимоделями:ракета—твердое тело,топливныебаки—емкостипустыеиличастичнозаполненныежидкостью;средства,имитирующиевоздействиевнешнейсреды:механическиенагрузки,линейные,изгибныеивибрационные;влияниехимическихэлементов,радиациииразногорода излучений;влияниеневесомостиивакуумаит.п.).

Следуетзаметить,чтоинтеллекторырассматриваютсявстатьекакнекоторыефункциональные элементы,онимогутработатьнаразличныхфизическихпринципах,приэтомрассмотрениеконкретных ихнаучно-техническихрешенийвыходитзарамкитематикистатьи,посколькувстатьеизлагаются покатолькоконцептуальныеосновывзаимоувязаннойинтеллектуализациивсехосновныхсоставных частейназемныхиспытательныхкомплексов.

Оставаясьнапринятомуровнеобщностиизложения,отметимтакже,чтоприращениесоставных элементовЭi эффективностииспытанийпроисходитзасчетсовершенствованияупомянутыхинтеллекторовИj засчетвнедренияновыхихвариантов,атакжезасчетвыборарациональныхвариантовдорожнойкартыиспытаний.Вформализованномвидеимеетместосоотношение

Изэтихсоображенийможносделатьэкспертноезаключение,чтомаксимальнаярезультативностьиспытаний R определенноговидаимеетместо,когдадостигаютсямаксимальновозможные приращенияЭi элементовэффективностиЭ.

Обобщеннаяструктурнофункциональнаясхема

интеллектуализированного испытательногокомплекса

Какпоказываетанализ,хотяиспытательные комплексыразличныхвидовиспытанийвконструктивномотношенииоченьразнообразны,вфункциональномотношенииониимеютмногообщего, чтопозволяетстроитьобобщеннуюструктурнофункциональнуюсхемуиспытаний,котораябазируетсянаиспользованиисредствинтеллектуализациииприэтомотражаетосновныевозможности испытательныхтехническихкомплексоввсехтиповыхвидовиспытаний.Структураиосновныефункциональныезвеньяупомянутогокомплексаприведенынарисунке.

Надоподчеркнуть,чтонарисункепредставленинтеллектуализированныйкомплексиспытанийвобщихчертах,посколькуизложениеведетсянаконцептуальномуровне,приэтомсовокупностьранееупомянутыхиспытательныхпроцедурисредствявляетсяосновойдляформированияконкретныхструктурно-функциональныхсхем испытательныхкомплексовопределенногоназначения.Присозданииинтеллектуализированногоиспытательногокомплексадляпроведенияиспытанийконкретноговидадолженбытьпроявлентворческийподход,учтенывзаимосвязивсехсоставных частейивнесенысоответствующиеособенности, направленныенаповышениеэффективностиирезультативностииспытанийсоответствующеговида.

Уместнымбудетзаметитьтакже,чтоприсозданииполномасштабноготехническогоиспытательногокомплексадолженбытьпредусмотрен большойобъемнаукоемкихработпонаполнению соответствующимконтентомвсехзвеньевструктурнойсхемырисунка.

РисунокОбобщеннаяструктурно-функциональная схемаинтеллектуализированноготехническогоиспытательногокомплекса:1—системауправления испытательногокомплекса,2—тезауруссредств интеллектуализациииавтоматизации,3—натурныеэлементыиспытанийилиихмодели,4—математическиемоделиэлементовиспытаний,5— интерфейсныесредстваобменаинформацией,6— средствамоделированиявлияниявнешнейсреды, 7—техническиесредстваобеспеченияиспытаний, 8—опытно-теоретическаяоценкахарактеристик, параметровисвойствиспытательныхэлементовизделий,9—мониторингивизуализацияиспытаний, 10—протоколыидокументированиеиспытаний

испытательногокомплекса

Приэтом,какпоказываетпроведенныйавторамиобзорно-оценочныйанализ,внастоящеевремянепросматриваютсявозможностиразработки формализованногоматематическогоаппаратадля синтезаэффективныхвариантовинтеллектуалиструктурно-функциональныхсхем интеллектуализированных составныхчастей

Формированиеинтеллектуализированныхструктурно-функциональныхсхемсоставныхчастей испытательногокомплексаможнопроиллюстрироватьнапримереужереализованныхстендовыхинформационно-управляющихсистем(ИУС),способныхинтегрироватьзадачиуправленияиизмерения.Вчастности,использованиенастендахиспытательныхкомплексовФКП«НИЦРКП»высокопроизводительныхвычислительныхсредствпозволилоболееглубокоавтоматизироватьпроцесс набораготовностистендакподачекомпонентов топлива,рабочихжидкостейигазовнаизделие [13,14].Такаяинтеллектуализация,особенноэффективнаядлястендовсвысокойинтенсивностью типовыхиспытаний,напримериспытанийсерийныхизделий,реализованаспомощьюинтеллектуализированнойэкспертнойсистемы(ИЭС),котораяпозволяетвыполнятьвсеоперацииподготовки стендакиспытаниюврежимесоветаиливавтоматическомрежиме[12,14].

ПрототипомупомянутойИЭСявляетсясистемаконтроля,диагностикииотображенияпараметровизделия,разработаннаядляиспытанийступенейкосмическогоракетногокомплекса«Ангара» [12,13].Типовойхарактерпроцессаподготовки инабраннаяприпроведениимножестваиспытаний статистическаяинформацияпопараметрамподачи рабочихсредпозволяютсоздатьИЭС,обобщающуюопыт,накопленныйпривыполнениитиповых операций,иимеющуювсвоейосновебазузнаний ибазуданных.

Базазнанийсодержитформальноеописаниеобщегопланаподготовки,типовыхоперацийпокаждойстендовойсистеме,моделейповеденияпараметров,методовконтроляпараметровивзаимосвязи сокружающейсредойидругимисистемамистенда.

окружающейсредыит.п.,чтопозволяетнастроить ИЭСнаконкретноеиспытание.Тоесть,посути, речьидетосозданиимоделистендовойсистемы,работающейврежимереальноговременипризаправкестендаиподготовкеегокиспытаниям.Одно изважнейшихусловийработыИЭС—ее«обучаемость»,т.е.модельнеявляетсястатичной,аможетавтоматическикорректироватьсясучетомопытапроводимыхработ.

ПомимовыполнениятехнологическихоперацийподготовкикпускуИЭСможетвыполнятьдиагностикустендовойарматуры,вырабатываясвоевременныерекомендациипопроведениюпрофилактическихработвцеляхпредупреждениявыходаэлементовавтоматикиизстрояприподготовкекиспытаниям,таккактакиеслучаивпорядке выполненияавторамислужебныхзаданийнапрактикебылинередкииприводиликсущественным задержкам,апоройикотменеиспытания.

Такимобразом,существующийуровеньразвитиястендовыхИУСивычислительныхсредств позволяетсоздаватьИЭС,аккумулирующиеопыт ведущихспециалистовипозволяющиеавтоматизироватьпроцессзаправкииподачинаизделиерабочихсредидиагностироватьнеисправностьстендовыхагрегатов,существенноповышаянадежность выполненияподготовительныхопераций.

Вкачестведвухдругихпримеровпримененияприемовинтеллектуализации,математических методовмоделирования,визуализацииидокументированияходаподготовкиипроведенияиспытаниймогутслужитьследующиеработоспособные системы:стендоваяинформационно-управляющая системаисистемауправленияконтролемкачестваизделий[15],которыепродемонстрировали высокийуровеньработоспособностииэффективности.ОбеназванныесистемыреализованывФКП «НИЦРКП»иэффективноиспользуютсянапрактикевэтомЦентре[12–15].Дополнительноследуетотметить,чтоупомянутаясистемауправленияконтролемкачествафункционируетнаэта-

Прижеланииилинеобходимостиинтересуюприращенийпоказателей эффективностизасчет интеллектуализациипроцессов испытанийиэкспертнойоценке ожидаемогосуммарного синергетическогоэффекта приопытно-теоретическойоценке характеристик,параметров исвойствперспективныхизделий РКТнатехническойбазе интеллектуализированных испытательныхкомплексов

Наиболееубедительнымиоценкамиэффективностиирезультативности,атакжеожидаемогоэффектапоопределениюявляютсятакиеоценкиизаключения,которыебазируютсянанатурныхэкспериментальныхиспытанияхивыражаютсяколичественно.Этоусловиестановитсяобязательным, когдаожидаемыйэффектотиспользованиянововведенияневеликисоставляет,например,несколькопроцентов.Вслучаесущественногозначения ожидаемогоэффектадопустимымииприемлемыми становятсялогическиобоснованныеоценкиизаключениякачественногоивербальногохарактера. Внашемслучае,когдаизложениеведетсянаконцептуальномуровнеиприэтоможидаетсяполучениесущественногоэффектаотиспользования предложенныхмерирекомендаций,вполнеправомерноидопустимоширокоиспользоватьэкспертныеоценки.

Изпроведенногопоисковогоанализаустановлено,чтовосновуупомянутыхоценоклогичноположитьэкспертно-исследовательскиесценариииспытаний,построенныепометодологииделовыхигр сучетомимеющегосясовременногоопыта.Припро-

игрываниидостаточногоколичествавариантовсценариевиспытанийсучетомиспользованиярассмотренныхвышесредствинтеллектуализациинакапливаетсязначительноеколичестводанных,необходимыхдляпроведенияоценокэкспертногохарактера.

Вторымэлементомизлагаемогоподходаявляетсяиспользованиеприемовкалькуляциивсоответствиисдорожнойкартойиспытанийивсочетаниисиспользованиемимеющегосяпрактического опыта.

Прииспользованииизложенногоподходапоявляютсявполнеправомерныеоснованиядляопределенияположительныхприращенийкомпонент эффективностииспытанийиформированиязаключенияосущественномповышениирезультативности R испытаний.

Каксвидетельствуютрезультатыанализапроведенныхэкспертно-исследовательскихсценариев испытаний,прииспользованиисредствинтеллектуализацииприращенияпоказателейэффективностиявляютсясущественнымиимогутсоставлять многиедесяткипроцентов;приэтоммынеповторяемнаименованияпоказателейэффективностииспытаний,которыеимеютпрактическуюнаправленностьивыражаются,взависимостиотсодержания, какколичественно,такикачественно.

Особонадоподчеркнуть,чтополучениетакогосущественногоэффектаотвнедрениясредств интеллектуализациивполневозможнообеспечить прииспользованиивполнедоступныхсовременных измерительныхипрограммно-аппаратныхсредств, новыхинформационныхтехнологийсэлементами искусственногоинтеллекта,уточненныхматематическихмоделей,атакжеприширокомиспользованиисредствиметодовавтоматизациитехнологическихпроцессовиспытаний. зованииинтеллектуализированныхиспытательных

сокращениеупомянутыхзатрат.Проведениеиспытанийпритрадиционномподходетребует,какправило,проектированияиизготовленияполномасштабныхиливуменьшенноммасштабенатурных моделей,подлежащихиспытаниям,разногорода вспомогательныхмеханизмовиконтролирующей аппаратуры,чтотребуетнемалых(взависимости отвидаиспытываемыхизделий)материальныхзатрат,привлечениявысококвалифицированныхспециалистовдлясозданияручнымспособомуникальныхпосуществуизделий-моделей.Всвязиснизкимуровнеминформатизациииавтоматизации испытанийнеобходимопривлекатьтакжевысококвалифицированныхспециалистов-испытателей. Очевидно,чтопритрадиционномподходевсеупомянутыедействиясвязанынетолькосбольшими материальными,ноисфинансовымизатратамина оплатуработывысококвалифицированныхспециалистов.Крометого,всеэтосвязаносувеличенными затратамивремени.

Втожевремяприширокомиспользовании упомянутыхвышесредств,методовиприемовинтеллектуализации,модернизированныхматематическихметодовмоделированияирасчетныхалгоритмовпооценкехарактеристикисвойствизделий, визуализациипроцессовидокументированияповышаютсяобъемыэкспериментальныхданныхпо углубленномуопределениюпоказателейисвойств испытываемыхэлементовспривлечениемменьшего количествавысокооплачиваемыхпрофессионаловиспытателей.Всеэтодостигается,образноговоря, немагически,эторезультатзаблаговременного глубокогонаучногообследованияподлежащихиспытаниямизделий,обобщенияимеющегосяопыта, цифровизациииавтоматизациипроцессовиспытаний.Приведенныеобстоятельствасвидетельствуют,чтоприширокомиспользованииинтеллектуализациипроцессыиспытанийстановятсякачественноиными,вчастностидлялюдейменеетрудоемкимииболеепроизводительнымиибыстрыми приповышенииихкачества[16–18]. ботоксвидетельствуетобольшоможидаемомположительномэффектеотиспользованиясредств

3. ВокинГ Г .Оконцепцииисследовательскогосинтезавысокоэффективныхсистемобнаруженияиопределениякоординатврайонахпаденияэлементов, отделяемыхотракетстратегическогоикосмическогоназначениянатраекторияхихполетавходе испытанийиштатнойэксплуатации//Информационно-технологическийвестникМГОТУ,2018, №3(17).С.10–21.

4. ВокинГ . Г .Обограниченныхвозможностяхкосмическихтехнологийприреализацииперспективных научно-техническихигуманитарныхпроектовкосмическойдеятельности//Социально-гуманитарные технологии,2018,№2(6).С.11–18.

5. АзаренкоЛ . Г .Методсинергетическойоптимизациитехнологическихиэкономическихпроцессов созданияизделийракетно-космическойтехники/ Всб.:Проблемыиперспективыэкономического развитиявысокотехнологичныхотраслейпромышленности.Управление,ресурсноеобеспечениеикооперациявусловияхновыхвызовов.Материалы Всероссийскойнаучно-практическойконференции, Москва,РУДН.2015.С.100–110.

интеллектуализациииинтеллектуально-компьютернойподдержкипроцессовпроведенияиспытанийизделийРКТкаквцелом,такиособенно критическихихэлементов.Эффектотиспользованияинтеллектуализациидостигаетсявосновномза счетучетаприиспытанияхбольшогопрошлогоинтеллектуальногоопытаприпостроенииуточненных математическихмоделейиспытываемыхэлементов ирасчетныхметодик,атакжезасчетиспользованиявновьразработанныхинтеллекторов.Повышенныйуровеньнадежностидостигается,вчастности, засчеттого,чтопримоделированиивыявляютсяразличногороданепрогнозируемыеперегрузки, действующиенаэлементы,негативное(катастрофическое)влияниекоторыхустраняетсяпридоработкеизделийпутемсоответствующегоизменения конструкцииилифункциональныхсхем,послечегоэлементыстановятсяработоспособнымивожидаемыхусловияхфункционированияпоопределению. Интеллектуализированныеназемныеиспытательныекомплексыпозволяютрезкосократить объемыдорогостоящихлетно-техническихиспытанийприобеспечениисущественногоулучшения другихсоставляющихпоказателейэффективности испытаний,имеющихбольшоепрактическоезначение.Какпоказываетнаучно-техническийанализ,привнедрениипроцедуринтеллектуализации неожидаетсяпроблемныхтрудностей,потомучто имеетсядостаточнообъемныйарсеналнеобходимых идоступныхметодическихинструментовинаучнотехническихсредствдлясозданияинтеллекторов. И,наконец,отметим,чтовсеприемыисредства интеллектуализациимогутбытьпримененыина этапелетно-техническихиспытаний,когда,наряду снадежностью,определяютсятакиеважнейшие . В.Концептуальнаяосноваисследовательскогосинтезавысокоэффективныхсистемобнаруженияиопределениякоординатврайонахпаденияэлементов,отделяемыхотракетстратегическогоикосмического назначениянатраекторияхихполетавходеиспытанийиштатнойэксплуатации/Вкн.:XLIIIАкадемическиечтенияпокосмонавтике,посвященные памятиакадемикаС.П.Королеваидругихвыдающихсяотечественныхученых—пионеровосвоениякосмическогопространства.Сб.тезисов.2019. С.304–305.

6. АббасоваТ С ., КомраковА А.Восстановление ипроверкакорректностителеметрическихданных//Информационно-технологическийвестник МГОТУ,2015,№2(04).С.55–64.

7. КомраковА А.Унификацияпрограммногообеспечениядлядекомпозициителеметрическихданных//Теоретическиеиприкладныеаспектысовре-

9. VibrantGohale, GoshS. K., ArmbandGupta ClassificationofAttacksonWirelessMobileAdHocNetworksandVehicularAdHocNetworks.196–217p. SecurityofSelf-OrganizingNetworks.MANET, WSN,WMN,VANET.CRCPress,2011,595p.

10. АртюшенкоВ М., БекетовВ А., КузьминС В., МайдановА Ю., МорозА П ., ПриваловВ И .Сбор иобработкавиброакустическихпроцессовнаборту ракетно-космическойтехники//Приволжскийнаучныйвестник,2014,№4(32).С.23–28.

11. АббасоваТ С ., ПогосянА Т .Анализструктурыназемногокомплексауправлениякосмическимилетательнымиаппаратами//Информационные технологии.Радиоэлектроника.Телекоммуникации (ITRT-2016):Сб.статейVIМеждународнойзаочнойнаучно-техническойконференции.Ч.1/Поволжскийгос.ун-тсервиса.—Тольятти:Изд-во ПВГУС,24–25.03.2016.С.19–22.

12. ЛисейкинВ А., МилютинВ В., ТожокинИ А идр.Информационно-управляющаясистемадля стендовыхиспытанийРН«Ангара»//Общероссийскийнаучно-техническийжурнал«Полет», 2009,№5.

13. АбросимовА В., БизяевР В., ЛисейкинВ А.Системаконтроля,диагностикииотображенияинформациидлястендовыхиспытанийРН«Ангара»// Науч.труды«ВестникМАТИ»,2013,№20.

14. ЛисейкинВ А., МилютинВ В., СайдовГ Г ., ТожокинИ . А. Информационно-управляющиесистемы

длястендовыхиспытанийЖРДиДУ.М.:Машиностроение/Машиностроение–Полет,2012.

15. ЛисейкинВ А., МоисеевН Ф., СайдовГ Г ., Фролов О.П .Основытеориииспытаний.Экспериментальнаяотработкаракетно-космическойтехники.М.: Машиностроение–Полет,2015.

16. НедайводаА К.Технологическиеосновыобеспечениякачестваракетно-космическойтехники.М.: Машиностроение,1998.

17. АльбрехтА В., АрзумановЮ Л ., БаталинН Н ОптимальноеуправлениекачествомсборкиагрегатовизделийРКТ//Научно-техническиеразработкиКБ«Салют»2009-2011гг.Вып.3.М.:Машиностроение–Полет,2012.

18. КучкинВ Н ., КучкинК В., СайдовГ Г .Теоретическиеосновыразработкииспытательногооборудованиядляракетно-космическойтехники/Подред. Г.Г.Сайдова.М.:Машиностроение/Машиностроение–Полет,2014.

19. ВокинГ Г ., ГуменюкА М.Концептуальныеосновыобеспечениявысокойэффективностииспытанийэлементовперспективныхизделийракетно-космическойтехникинаосновеинтеллектуализациитехнологий,измерительных,аппаратно-программныхитехническихсредствназемныхиспытательныхкомплексов//Информационно-технологическийвестник,2021,№2(28).С.38–47.

Д.А.Астахов, otdelenie_74@spaceсorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация А.Б.Ткачев, к.т.н.,otdelenie_74@spaceсorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация

Аннотация. СтатьяпосвященапроблемеповышенияпотенциальнойточностикодовыхизмеренийпсевдодальностисигналовсистемыГЛОНАССдиапазонаL1присуществующихограниченияхспектра,вызванныхблизкимрасположениемрадиоастрономическогодиапазона.Указаннуюпроблемупредлагаетсярешатьзасчетрасширенияспектранавигационныхсигналов запределырадиоастрономическогодиапазонасиспользованиемособенностеймеандровойподнесущеймодуляции(BOC). ВработерассмотреныразныевидысигналовсмодуляциейBOC,приведеныспектрыихизлучениявдиапазонеL1иврадиоастрономическомдиапазоне.Проведеносравнениепотенциальнойточностипредлагаемыхисуществующихнавигационных сигналовГЛОНАССвдиапазонеL1.Длясравнениябылаиспользованаметодика,позволяющаяоцениватьпотенциальнодостижимыезначениядисперсииошибокдлянавигационныхсигналовсВОС-модуляцией,обрабатываемыхперспективными широкополоснымиприемниками.Врезультатесравнениябылопоказано,чтопредлагаемыесигналызначительнопревосходят существующиепопотенциальнойточностииприэтомнесоздаютзначительногоизлученияврадиоастрономическомдиапазоне.ИзпредлагаемыхсигналовнаиболееперспективнымвыбрансигналсмодуляциейcosBOC(15,2.5),которыйобеспечивает наибольшуюпотенциальнуюточность.

Ключевыеслова: глобальнаянавигационнаяспутниковаясистема(ГНСС),ГЛОНАСС,расширениеспектра,точность,радиоастрономическийдиапазон,BOC-сигналы

ExpansionoftheGLONASSSignalBandwidthintheL1Band UsingBOCModulationFeatures

D.A.Astachov, otdelenie_74@spaceсorp.ru

JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation A.B.Tkachev, Cand.Sci.(Engineering),otdelenie_74@spaceсorp.ru

JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

Abstract. Thearticleisdevotedtotheproblemofincreasingthepotentialaccuracyofcodemeasurementsofpseudorange ofGLONASSsignalsintheL1rangeundertheexistingspectrumlimitationscausedbythecloselocationoftheradioastronomyrange.Thisproblemisproposedtobesolvedbyexpandingthespectrumofnavigationsignalsbeyondtheradioastronomy rangeusingthefeaturesofthemeandersubcarriermodulation(BOC).ThepaperconsidersdifferenttypesofsignalswithBOC modulationandshowstheiremissionspectraintheL1bandandintheradioastronomyband.Thepotentialaccuracyoftheproposed andexistingGLONASSnavigationsignalsintheL1rangeiscompared.Forcomparison,atechniquewasusedthatallowsestimatingthepotentiallyachievablevaluesoftheerrordispersionfornavigationsignalswithBOCmodulationprocessedbyadvanced broadbandreceivers.Asaresultofthecomparison,itwasshownthattheproposedsignalssignificantlyexceedtheexistingones intermsofpotentialaccuracyandatthesametimedonotcreatesignificantradiationintheradioastronomyrange.Oftheproposed signals,themostpromisingisthesignalwithcosBOC(15,2 5) modulation,whichprovidesthehighestpotentialaccuracy.

Keywords: globalnavigationsatellitesystem(GNSS),GLONASS,spreadspectrum,accuracy,radioastronomyrange,BOCsignals

Существуетпроблема,связаннаястем,что используемыевнастоящеевремяивнедряемые вближайшембудущемнавигационныерадиосигналысистемыГЛОНАССнеотвечаютсовременнымтребованиямпокритериюпотенциальнойточности,таккакбылиразработаны10–30летназад.Крометого,вдиапазонеL1ониуступаютпо потенциальнымсвойствамсигналамдругихГНСС (GPS,Galileo,Beidou).Повышениепотенциальнойточностикодовыхизмеренийиуменьшение влияниямноголучевости[1]обусловленорасширениемполосынавигационногосигнала.НеобходимоисследоватьиразработатьперспективныетипысигналовГЛОНАССвусловияхзначительных ограниченийповозможностирасширенияполосы частотисучетомсигналовдругихрадиоэлектронныхсистемввыделенныхчастотныхдиапазонах.

Предлагаемаятемасоответствуетнаправлениюмеждисциплинарныхисследованийизперечняпрорывныхтехнологий,включенныхв«Прогноз научно-технологическогоразвитияРоссийскойФедерациидо2030года»(ТОП-20),аименно,«Технологиикоординатно-временногоинавигационного обеспечения».

Нарис.1–8приведенаинформацияоразмещенииспектровпредлагаемыхсигналовГЛОНАСС внаиболеепроблемномдиапазонеL1.СуществующиесигналыГЛОНАССсчастотнымикодовымразделениемразмещеныввыделенномдиапазоне1592,9–1610МГц.Справаотнегорасположенрадиоастрономическийдиапазон(РАД) 1610,6–1613,8МГц,вкоторомтребуетсяобеспечиватьуровеньспектральнойплотностипотокамощностинеболее194дБВт/(м2 · 20кГц)[2].Слева находитсядиапазонсигналовсистемGPSиGalileo, вкоторомневозможнорасположениеспектрасиг-

использованияособенностеймеандровойподнесущеймодуляции.

НаиболееизвестнымвариантомэтоймодуляцииявляетсяВОС(binary offset carrier).Первые упоминаниявлитературеиспользованияBOC-сигналовдляспутниковыхрадионавигационныхсистемпоявилосьв1999г.[4].ВрусскоязычнойлитературеописаниеихарактеристикиBOC-сигналов приводятсявработах[5,6].Вобозначении BOC(m, n) дляданныхсигналоввводятсясоответственнокоэффициентыотношенияподнесущейчастотыичастотыкодакчастотекодаC/Aсистемы GPS[7].Например,всигналеBOC(2,1) частота кодасоответствует1,023МГц,ачастотамеандра соответствует2,046МГц.

ОтличиеBOC-сигналовоттрадиционныхшумоподобныхсигналовзаключаетсявиспользование приформированиисигналамеандровойпоследовательностиподнесущейчастоты.Приэтомсигнал гармоническогонесущегоколебанияманипулируетсяпофазерезультатомперемноженияпсевдослучайнойпоследовательности(ПСП)иподнесущего колебания.

BOCсигналвматематическомвидезаписываетсяследующимобразом:

SBOC (t)= A×d(t)×Π(t)×Sc(t)×cos(ω t+ϕ(t)),(1) где A —амплитудасигнала, d(t) —двоичныесимволыинформации μ = ±1, Π(t) —псевдослучайнаяпоследовательность(ПСП), Sc(t) —аппроксимацияподнесущейчастоты, ω —несущаячастота сигнала, ϕ(t) —фазанесущегоколебания.

Наиболееширокоизвестныдваосновныхвидааппроксимациигармоническогоколебания Sc(t) дляиспользованиявкачествеподнесущейчастоты[8]:sinBOCиcosBOC.

ВслучаеsinBOCфункцию Sc(t) представляют ввиде (t · ,(2) гдефункция ния»[9].

(рис.1,2),cosBOC(12 5,2 5) иsinBOC(12 5,2 5) (рис.3,4),cosBOC(15,2.5) иsinBOC(15,2.5) (рис.5,6),cosBOC(10,1) иsinBOC(10,1) (рис.7, 8).ДанныевидымодуляциипозволяютрасположитьсигналыГЛОНАССсрасширеннымспектром приминимизацииуровнявнеполосногоизлучения иизлучениявРАД.

Рис.3.Расположениеспектровсигналовсмодуляцией cosBOC(12 5,2 5) иsinBOC(12 5,2 5)

Рис.4.Расположениеспектровсигналовсмодуляцией cosBOC(12 5,2 5) иsinBOC(12 5,2 5) вРАД

Рис.7.Расположениеспектровсигналовсмодуляцией cosBOC(10,1) иsinBOC(10,1)

Рис.8.Расположениеспектровсигналовсмодуляцией cosBOC(10,1)иsinBOC(10,1) вРАД

запределамиглавныхлепестковусигналовсмодуляциейcosBOCболеемедленный,чемусигна-

неабсолютные,аотносительныезначенияпотенциальнойточности.ПоэтомунайдемотношениедисперсииошибкисигналасС/А-кодомGPS (модуляцияBPSK(1))исравниваемыхсигналов. Такойвыборобусловлентем,чтовнастоящеевремяприсравненииновыхсигналоввкачествебазовогочастоиспользуютхарактеристикисигналасС/А-кодомGPS.Крометого,коэффициенты ВОС-модуляциитакжеопределяютсяотносительнопараметровС/А-кодаGPS.Длясравнениясигналоввоспользуемсяразработаннойв[10]методикой,позволяющейоцениватьпотенциальнодостижимыезначениядисперсииошибокдлянавигационныхсигналовсВОС-модуляцией,котораяявляетсячастнымслучаемФКМ.Будемрассматривать применениеперспективныхприемников,которые используютширокиеполосы,чтообеспечиваетповышениеточностиипомогаеталгоритмамборьбы смноголучевостью.Срасширениемполосыдисперсияошибокуменьшается,номедленнее,чем уменьшаетсядлительностьфронтовсигналанавыходефильтров.Поэтомудисперсияошибкиначинаетвыходитьзапределыдлительностифронтов. Такимобразомнарушаютсяусловияприменения границыРао–Крамераиоснованныхнанейтрадиционныхметодовдляоценкизначениядисперсии ошибки.

Согласно[10]дисперсияошибокпринимаемогосигнала

Dt = 13/8 Q2 . (5)

Приэтомсучетомширокополосностиприемникаииспользованияпредложеннойв[10]эквивалентнойспектральнойплотностишумавслучае сигналаснесколькимифронтами

Количествофронтоввсигналахсмодуляцией BPSK( ) BPSK(n) = n · NПСП 2 ,(8)

где NПСП —количествосимволовнапериоде псевдослучайнойпоследовательности,используемойвсигнале.

КоличествофронтоввсигналахсмодуляциямиsinBOC(m, n) иcosBOC(m, n) соответственно: NsinBOC(m,n) = n NПСП 2 + NПСП 2m n 1 , (9)

NcosBOC(m,n) = n · NПСП 2 + NПСП · 2m n (10)

Длякорректностисравнениябудемсчитать NПСПодинаковымдлявсехсигналов.Втаблице приведеныпараметрысуществующихипредлагаемыхнавигационныхсигналов.

Таблица.Параметрынавигационныхсигналов

Модуляция

DC/A /D (округлено доцелого)

ИзлучениевРАД, дБВт/(м2 20кГц)

Существующиесигналы

BPSK(0,5) L1OF 0,25 177 BPSK(1)L1OCd 1 182 BOC(1,1) L1OCp 9 177

Предлагаемыесигналы sinBOC(10,2 5) 1406 170 cosBOC(10,2 5) 1806 176 sinBOC(12 5,2 5) 2256 176 cosBOC(12.5,2.5) 2756 196 sinBOC(15,2.5) 3306 177 cosBOC(15,2 5) 3906 192 sinBOC(10,1) 1521 178 cosBOC(10,1) 1681 196

Припрактическомприменениидлявыполне-

фильтрами,поэтомуреальныезначенияпотенциальнойточностипредлагаемыхсигналовбудутотличатьсяотоценочных.Темнеменееможно заключить,чтоприменениепредлагаемыхсигналовсBOCмодуляциейпозволитобеспечитьвысокуюпотенциальнуюточностьихорошуюсовместимостьсдругимиГНСС.Изпредлагаемыхсигналовнаиболееперспективнымявляется cosBOC(15,2 5).Онобладаетнаибольшейпотенциальнойточностью(отношение DC/A /D = 3906) иприэтомуровеньегоизлучениявРАДсоставляет 192дБВт/(м2 20кГц),чемлишьнезначительноуступаетсигналамcosBOC(12 5,2 5) иcosBOC(10,1),укоторыхданнаявеличинасоставляет 196дБВт/(м2 20кГц).

Списоклитературы

1. SimskyA., MertensD., SleewaegenJ -M., HollreiserM., CrisciM.ExperimentalResultsfor theMultipathPerformanceofGalileoSignalsTransmittedbyGIOVE-ASatellite//InternationalJournal ofNavigationandObservation,vol.2008,ArticleID 416380.13p.

2.МеждународныйчастотныйциркулярIFIC№2417 от18.04.2000г.

3.ПостановлениеПравительстваРоссийскойФедерацииот21декабря2011г.№1049-34«ОбутвержденииТаблицыраспределенияполосрадиочастот междурадиослужбамиРоссийскойФедерации».

4. BetzJ W .TheOffsetCarrierModulationforGPS Modernization//ProceedingoftheNationalTechnicalMeetingoftheInstituteofNavigation(ION— NTM99),January1999.P.639.

5. ЯрлыковМ С .Меандровыешумоподобныесигналы (BOC-сигналы)вновыхспутниковыхрадионавигационныхсистемах//Радиотехника,2007,№8.C.3.

6. ЯрлыковМ С .Характеристикимеандровыхсигналов(BOC-сигналов)вспутниковыхрадионавигационныхсистемахновогопоколения//Радиотехника, 2008,№8.C.61.

7.UnderstandingGPS,ElliottKaplan,2nded.,ARTECH HOUSE,2006.

8. ВейцельА В.Новыйклассмеандровыхшумоподобныхрадиосигналовдлярадионавигационныхсистем//ВестникМАИ,2009,т.16,№7.

9. ТкачевА Б.Расширениеполосынавигационных сигналовГЛОНАССспомощьюмеандровойподнесущеймодуляции//Успехисовременнойнауки, 2016,№12.С.47–51.

10. ЕфименкоВ С ., ХарисовВ Н .ПотенциальнаяточностьоценкизадержкиФКМ-сигналов//Радиотехника,2011,№1.C.30.

P.A.Kozin, kozin.pa@spacecorp.ru JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

Abstract. Thisarticlestudiesanapproachtosolvingtheurgentproblemofcreatingdigitalantennafieldsatground-basedmeasuring pointsthatallowground-basedreceivingandrecordingstations(GRRS)toworkwithnear-spacespacecraftwithseparatesmall antennas,withmedium-spacespacecraftwithdigitalantennafieldsofsmallantennas,andwithfar-spacespacecraftwithdigital antennafieldsofmedium-sizedantennas.Sincethecostofantennasincreasesproportionallytothecubeoftheantennadiameter, suchanapproachshouldgiveasignificanteconomicgaincomparedtotheuseoflarge-diameterantennasintheGRRSforthelongest rangetothespacecraft.Acomparativeanalysisoftwowell-knownmethodsofaddingdigitalantennasignalsiscarriedout:thewellknownmethodofaddingsignalsusedinradioverylongbaselineinterferometers(RVLBI),andthemethodofshiftingsampling pulses.ItisshownthattheadditionmethodintheRVLBIhasasimplecircuitimplementation,butrequireshighsamplingrates ofthefoldedantennasignals,whereasthesamplingpulseshiftmethod,withthesameaccuracy,successfullyworksatsignificantly lowerfrequenciesofKotelnikov–Nyquistbandsampling,butiscomplexincircuitimplementation.Amethodofaddingantenna signalswithaphasereversalisproposed,combiningthehardwaresimplicityoftheRVLBImethodandthelowcomplexity ofthesamplingpulseshiftmethodwithanequivalentsignaladditionerror.Theestimatesarecarriedoutforthedegeneratecase ofadigitalantennafieldoftwoantennas.Theproposedcost-effectiveandefficientmethodofsynchronousadditionofantenna signalswithaphasereversalenablesbuildingdigitalantennafieldstoreplacelargeorgiantantennas.

Keywords: method,additionofantennasignals,radioverylongbaselineinterferometers(RVLBI),shiftofsamplingpulses,phase reversal

Введение

БольшойдиапазонизменениянаклонныхдальностейотКАдоназемныхприемно-регистрирующихстанций(НПРС)длягруппировокближнего (300–2000км),среднего(10000–50000км)идальнегокосмоса(свыше100000км)накладываетпротиворечивыетребованиякантеннымкомплексам НПРС:дляработысКАближнегокосмосавтрадиционныхдиапазонахД2,Д4,Sдостаточномалыхантенндиаметром2–3–5м,приработесКА среднегокосмосатребуютсябольшиеантенныдиаметром7–9–12м,тогдакакдляработысКАдальнегокосмосанужныгигантскиеантенныдиаметром30–60–70иболееметров.Сдругойстороны,известно,чтостоимостьантеннырастетпримернопропорциональнокубудиаметра.Поэтомуактуальной остаетсязадачапостроенияунифицированногоряда антеннисозданиянаихосновецифровыхантенных полей,наличиекоторыхпозволяетназемнымизмерительнымпунктам(НИП)работатьсКАближнего космосаотдельнымималымиантеннами,сКАсреднегокосмоса—цифровымиантеннымиполямималыхантенн,асКАдальнегокосмоса—цифровыми антеннымиполямисреднихантенн.Подобныйподходпозволитрадикальноснизитьстоимостьантенныхсистемпутемпримененияцифровойобработки телеметрическихсигналов.

Выборчастотыдискретизации прицифровойобработкеТМИ

ВосновецифровойобработкиТМИлежит процессдискретизациипринимаемыхрадиосигналов.Какправило,всовременныхрадиотелеметрическихлинияхиспользуютсясигналысфазовой манипуляциейнесущей(ФМн),чащевсегодвоичнойФМн-2илиBPSK.ПустьдлянаглядностианалитическийспектрмодулирующегосигналасверхнейчастотойFвимеетвид,представленныйна

Рис.1.Аналитическийспектрмодулирующегосигнала

модуляциинесущейчастоты fн сигналомсаналитическимспектромнарис.1.

Здесьнесущаячастотасигнала fн расположенаровнопосерединеполосычастотрадиосигнала B Междуположительной fн иотрицательной fн несущейчастотойпомещается m частотдискретизации fд .Влитературе[1,2]параметр m называют порядкомдискретизации.Напомним,чтонадискретныйсигналвлияютвсечастоты,отличающиесяотчастотсобственногоаналитическогоспектранакратноечислочастотдискретизации.Поэтомудляотсутствияискажениядискретногосигнала частотамисобственногоспектрадолжносовместно выполнятьсяусловие:

m fд < 2 fн B , (m + 1) · fд > 2 · fн + B.

Отсюдаследуетосновноетребованиепривыборечастотыдискретизации:

2 fн + B (m + 1) <fд < 2 fн B m . (2)

Всоответствиисрис.2, г,какподмеченов[2], максимальнаяпомехоустойчивостьпридискретизациидостигается,еслинесущаячастота fн располагаетсяровнопосерединемеждучастотами ( fн + + m · fд ) и ( fн +(m + 1) · fд ),тоестьвыполняется условие:

fн = ( fн + m fд )+( fн +(m + 1)

случаепри m = 9.Отсюдадвапринципиальноразныхподходаксинхронномусложениюцифровых сигналовантенн.

Приповышеннойчастотедискретизации(m = = 0),котораяиспользуетсявметодахрадиоинтерферометриисосверхдлиннымибазами(РСДБ) [3,4],определяютцелоечислоинтерваловдискретизациивзадержкесигналаведомойантенныотносительносигналаопорнойантенны,послечего складываютзначениязарегистрированныхранее квадратурныхцифровыхсигналовсодинаковойзадержкой,определеннойсточностьюдоинтервала повышеннойчастотыдискретизации(микротакта). Приэтомдолжновыполнятьсяусловиекогерентностискладываемыхрадиосигналов,определяемое выражением

ΔTс Δf 1, (6)

где ΔTс —остаточныйсдвигповременимежду радиосигналами, Δf —полосачастотпринимаемогорадиосигнала.ВсистемахРСДБостаточный сдвиг ΔTс равен ΔTд = 1/fд —периодудискретизации.Сложениедискретныхсигналовпроисходит наПЧ2,котораямногобольшеполосырадиосигнала B = 2Fв .Поэтомувусловиекогерентности дляBPSK(ФМн-2)(6)следуетподставить:

Δf = f + B/2 = f + F .

ТогдадляBPSKсучетомусловияузкополосности радиосигнала(5):

домикротакта,равногоостаточномусдвигусигналов ΔTс ,иимеютодинаковуюпогрешностьсложениясигналов,однакометодполосовойдискретизациивсоответствиистеоремойКотельникова–Найквиста(методсдвигаимпульсовдискретизации)требуетгораздоменьшейчастотыдискретизации,чемметодРСДБ.Из(7)и(3)сучетом(5) и(1)при m = 9имеемсоотношениечастотдискретизацииэтихметодов: = 20,05f f B 1) = 20,05f f + 0,1 f 10 = = 401 20 100 21 = 2005 21 = 95,47. (8)

МетодРСДБприводиткнаиболеепростой аппаратнойреализациицифровогоантенногополяилиустройствасинхронногосложениясигналов,приведеннойнарис.3.Аппаратнаяреализацияметодасдвигаимпульсовдискретизации[5,6] иееусовершенствованнаяверсия,приведенная нарис.4–6,гораздосложнее,новсоответствии с(8)имеетв95разменьшуютрудоемкостьвычислений.

Приминимальнодопустимойчастотедискремойантеннынанеобходимоеколичествомикротактов,послечегоскладываемзначениясоответствующихквадратурныхцифровыхсигналов.

Возможенкомпромиссныйспособсинхронногосложениясигналовантеннцифровогоантенногополяс«доворотом»фаз,позволяющийиспользоватьпростоесхемноерешениеРСДБнарис.3 нанизкихчастотахполосовойдискретизациипри приемлемомалгоритмическомусложненииобработкидискретныхсигналовантенн(метод«доворота»фаз).Однакопреждечемрассматриватьметод «доворота»фаз,отметимчтоосновнымипричинамирасфазировкипринимаемыхантеннамисигналовявляетсяразностьходалучейотКАдоантенн всвободномпространствеивфидерах.Дляэтого краткорассмотримпроцессформированиясигнала наПЧ2всхеменарис.3.

Процессамсложениясигналоввустройстве

Извыражения(9)следуетпростойпрактическийвывод:дляустраненияили,покрайнеймере, минимизациивлияниявременираспространения сигналоввкабелях(фидерах)следуетвыровнять ихдлины,тоестьобеспечить: Тогдавыражение(9)дляразностифазприметвид: ходалучей(ΔLхл = 0)имеем ΔθS = 0иобапринимаемыхсигналабудутсовершенноодинаковы. Всилутого,чтофазаинформационногосигнала θS прифазовойманипуляцииBPSKмеждусменой битовявляетсямедленноменяющейсяфункцией, основнойвкладвсдвигпофаземеждусигналамиантеннА1иА2вноситпервоеслагаемое(10), определяемоеПЧ2иразностьюходалучей: Δθ ΔL C

Всоответствиисрис.7разностьходалучейснаправлениядиаграммынаправленностиантеннмеждуантеннами№ i тельнофазовогоцентраопорнойантенны A0

антенны A0 кантенне Ai ,рассчитываютсяпоформулам:

Li0 = (xi x0 )2 +(yi y0 )2 +(zi z0 )2 , cos(αi0 )=(xi x0 )/Li0 ; cos(βi0 )=(yi y0 )/Li0 ; cos(γi0 )=(zi z0 )/Li0 ,

Разностьходалучей дофазовыхцентровантенн

где (xi , yi , zi ) и (x0 , y0 , z0 ) —координатыфазовых центровантенн Ai и A0 вместнойсистемекоординат(см.рис.7).

Направляющиекосинусыдиаграммнаправленностиантеннантеннойрешеткина j -мшагесопровождениявместнойсистемекоординат,представленнойнарис.7,рассчитываютсяпоформулам: cos(αДНj )=cos(ΦДНj ) sin(ΨДНj ); cos(βДНj )=cos(ΦДНj ) · cos(ΨДНj ); cos(γДНj )=sin(ΦДНj ) Здесь ΦДНj —уголместа, ΨДНj —азимутдиаграммынаправленностиантеннна j -мшагесопровождения.

Оценкасдвигаповремениприходарадиосигналамеждуантеннами Ai и A0 Δt i0j определяется поформуле Δt i0j =ΔRi0j /C , где C —скоростьсветавсвободномпространстве.

Компенсацияразностиходалучей

Итак,длясинхронногосложениясигналов сразныхантенннеобходимоскомпенсироватьразностьходалучейотпередатчикамеждуфазовыми центрамиэтихприемныхантенн.ВметодеРСДБ, реализуемомсхемой3,этодостигаетсяприменениемповышеннойчастотыдискретизацииспоследующимсовмещениемцифровыхсигналовсточностьюдомикроскопическогоинтерваладискретизации,удовлетворяющегоусловиюкогерентностипринимаемыхрадиосигналов(6).ВметодеполосовойдискретизациипоКотельникову–Найквисту,реализуемойсхемаминарис.4–6,совмещение цифровыхсигналовдостигаетсясдвигомимпульсов дискретизациисточностьюдомикротакта,равного интервалудискретизациивметодеРСДБ.Наконец,впредлагаемомметоде«доворота»фазсовмещениецифровыхсигналовпредлагаетсяосуществитьпутемпересчетаквадратурныхсигналовведомойантеннынафазуопорнойантеннынаосновеаприорноизвестнойразностиходалучейотКА доопорнойиведомойантенн.

A1(ti k )= S 1c (ti k )2 + S 1s (ti k )2 ,

ϕ1(ti k )=sign(S 1s ti k ) · acos S 1c (ti k ) A1(ti k ) ,

A2(ti )= S 2c (ti )2 + S 2s (ti )2 ,

ϕ2(ti )=sign(S 2s (ti )) acos S 2c (ti ) A2(ti )

ВпределахбитаинформацииприфазовойманипуляцииФМн-2сигналы S 1(t) и S 2(t) являютсягармоническимифункциями,поэтомузначения квадратурныхотсчетовсигнала S 2(t) антенныА2, «довернутые»нафазу ωПЧ2 ΔTk до (i k )-гоотсчетасигнала S 1(t) антенныА1,будутравны:

S 2c (ti ΔTk )= A2(ti ) cos(ϕ2(ti ) ωПЧ2 ΔTk ), S 2s (ti ΔTk )= A2(ti ) sin(ϕ2(ti ) ωПЧ2 ΔTk ). Приэтомквадратурныесоставляющиесуммарного сигналадвухантеннбудутравны:

Допустим,взадержкеотсчетовантенныА2 относительноотсчетовантенныА1наразностьходалучей ΔLхл /C содержится k целыхпериодовполосовойдискретизации Tдп = 1/fдп ,тоесть: k =mod ΔLхл C , Tдп -йотсчетантенныА2будетотставать (i k )-гоотсчетаантенныА1наостаточноевремя,меньшеепериодаполосовойдискретизации Tдп Tk ΔL ΔL C S 1c (ti k ), S 2c (ti ), S 1s (ti k ), S 2s (ti ) косинусныеисинусныеквадратуры (i k )-гоотсчетасигнала S 1(t) антенныА1и i-гоотсчетасигнала S 2(t) антенныА2соответственно.Тогдаамплитудыифазы (i k )-гоотсчетасигналаантенныА1 и i-гоотсчетасигналаантенныА2:

S Σc (ti )= S 1c (ti k )+ S 2c (ti ΔTk ), S Σs (ti )= S 1s (ti k )+ S 2s (ti ΔTk ). Амплитудасуммарногосигнала:

AΣ(ti )= S Σc (ti )2 + S Σs (ti )2 . Фазасуммарногосигнала: ϕΣ(ti )=sign(S Σs (ti )) acos S Σc (ti ) AΣ(ti ) . ΔLхл = 0иабсолютно одинаковыххарактеристикахаппаратурывтрактах сигналовобеихантеннимеем k = 0; ΔTk = 0;

ОсновнуюпогрешностьметодаРСДБвносит остаточныйсдвигскладываемыхсигналов ΔTс , равныйпериодуповышеннойчастотыдискретизации,определяемой(7).ВметодеполосовойдискретизациипоКотельникову–Найквистусосдвигом импульсовдискретизацииосновнуюпогрешность вноситтотжеостаточныйсдвиг,равныймикротактусдвигаипериодудискретизацииприсложениисигналовпометодуРСДБ.Поэтомуможно считать,чтопогрешностьэтихметодоводинакова. Погрешностьметодасинхронногосложениясигналовантеннс«доворотом»фазыопределяетсяточностьюрасчетавремениототсчетаведомойантенныдоближайшегоотсчетаопорнойантенны ΔTk , определяемогоформулой(12).

Для fПЧ2 = 70МГцвсоответствиис(7)имеемостаточныйсдвиг ΔTс = 1/fдРСДБ = 1/(20,05 × × fПЧ2 )= 1/(20,05 · 70 · 106 )= 7,125 · 10 10 с ≈ ≈ 0,7нс.

Чтодаетсложениесигналов?

Всоответствиис(11)разностьходалучей междуантеннамиопределяетсядлинойбазымеждуантеннами L иуглом β междубазойинаправлениемнаКА: ΔLхл = L cos β .Приэтоммаксимумдифференциалаходалучей Ещеодинисточникпогрешностивзадержке сигнала,характерныйдлявсехтрехметодов,—это неточностьвыравниваниядлинкабелямеждугетеродиномисмесителями.Пустьпогрешностьвыравниваниякабелейсоставляет5см,адиэлектрическаяпроницаемостьдиэлектрикакабеля— ε = 2,5 (полиэтилен),тогдапогрешностьвременираспространениявкабелесоставляет dΔTск = 0,05/3 · × × 108 · sqrt(2,5)= 0,026 · 10 8 с = 0,26нс,чтоявляетсяопределяющейпогрешностьюметода«доворота»фазы,новтроеменьшеосновнойпогрешности методаРСДБ.

Такимобразом,метод«доворота»фазысоединяетдостоинстваметодовРСДБиметодасдвигаимпульсовдискретизацииприменьшейпогрешности.Остаетсяоткрытымвопрос:зачемскладыватьсигналыантенн?Ответпростой—дляповышенияэнергетическогопотенциаларадиолинии приограниченныхразмерахприемныхантенн.Сложениесигналовэквивалентносложениюэффективныхплощадейантенн.Допустим,комплекстелеметрическихсредств(КТМС)долженработать сразгоннымблоком,выводящимКАнаорбиты высотой H1 = 20000кми H2 = 36000км.СреднийрадиусЗемли Rz = 6371км.Скоростьпередачиинформации Ri = 512000бит/с.МодуляцияФМн-2.Количестволепестковвспектресигнала(коэффициентрасширенияспектра)дляBPSK, напримерсистемыспутниковогоцифровоговещаниясинтеграциейслужб3-гопоколенияISDB-3S, непревышает mls = 1,1[8].Диаметркаждойих двухантеннКТМСопытногообразца D = 7м, штатногообразца D ш = 5м.КоэффициентэффективностиантенныКТМС Ke = 0,5.Мощность передатчика Pt = 10Вт,коэффициентусиленияпередающейантенны Kt = 2.Коэффициентпотерь втракте η = 0,3.ПостояннаяБольцмана k0 = = 1,38 · 10 23 .Шумоваятемпература t0 = 200K. Расчетведемпоизвестнойформуледляотношения сигнал/шумпомощности: SRN = Pt Kt η Ke D 2 32 d2 Ri mls k0 t0 ,

где d = H1,2 —дальностьдоКАвзенитеили d = = sqrt (Rz + H1,2 )2 ( Rz )2 —дальностьдоКАнагоризонте.Результатырасчетовприведенывтаблице. Критерийоценки:сигнал/шумпомощности долженбытьбольше3раз.Видим,чтоприинформативности512Мбит/содна7-метроваяантеннасправляетсясработойнаорбитахвысотой до20000км,адвемогутработатьинагеостационарныхорбитахвысотой36000км,тогдакакодна 5-метроваяантеннадаетслишкомнизкоеотношениесигнал/шумдаженаорбитах20000кмитребуетсниженияинформативности,адвесправляютсясработойнаорбитах20000,нонагеостационарнойорбитедажедве5-метровыеантеннытребуют сниженияскоростипередачиданныхвдвое.

Такимобразом,сложениесигналовдвухантеннпозволяетвдвоеувеличитьотношениесигнал/шум,увеличитьдопустимуюнаклоннуюдальностьилидопустимуюинформативностьтелеметрическойсистемы.

Итог

Предложенэкономичныйиэффективныйметодсинхронногосложениясигналовантенн,позволяющийстроитьцифровыеантенныеполяназаменубольшихилигигантскихантенн.

Списоклитературы

4. МолотовИ Е.Радиоинтерферометриясосверхбольшимибазами(РСДБ)—история,состояниеиаппаратура.lfvn.astronomer.ru/report/0000007/ p0000007.htm.Сайтинициативныхастрономических проектовПулКОНиLFVN.

5. ВатутинС И ., ЗайцевО В.ПрименениемногоканальныхцифровыхприемныхустройствдлясозданияантенныхполейНАКУКА.Ракетно-космическое приборостроениеиинформационныетехнологии. 2013.VIВсероссийскаянаучно-техническаяконференция«Актуальныепроблемыракетно-космическогоприборостроенияиинформационныхтехнологий» 5–7июня2013г.М.:2014.С.103–120.

6. ВатутинС И ., ЗайцевО В.Патентнаизобретение№2594385«Способобработкиширокополосных сигналовиустройствофазированияантеннприемаширокополосныхсигналов,преимущественнодля антенннеэквидистантнойрешетки».Патентообладатель:ОАО«Российскаякорпорацияракетно-космическогоприборостроенияиинформационныхсистем»(ОАО«Российскиекосмическиесистемы»).Заявка№2015119423.Приоритетизобретения25мая 2015г.ЗарегистрировановГосударственномреестре изобретенийРоссийскойФедерации22июня2016г.

1. ЛайонсР.Цифроваяобработкасигналов:2-еизд. Пер.сангл.М.:ООО«Бином-Пресс»,2006.656с. И ., МолотовИ Е., ДугинН А., КаневскийБ З.Радиотехническиекомплексыдляуправлениядальними космическимиаппаратамиидлянаучныхисследований/Подред.Е.П.Молотова.М.:ФИЗМАТЛИТ, 2007.232с.

7. ГоноровскийИ С .Радиотехническиецепиисигналы:Учеб.длявузов.4-еизд.,перераб.идоп.М.: Международныйсоюзэлектросвязи. https//www.itu/int/dms_pubrec/itu-r/rec/bo/R-RECBO.2098-0201612-I!!MSW-R.doc

DevelopmentoftheSpaceFabry–PerotAntennas withaStructuralElement

BasedonArtificialMagnetodielectric

A.A.Adzhibekov, contact@spacecorp.ru JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

Abstract. ThisarticlestudiesthepossibilityofconstructingonboardFabry–Perotantennasbasedonaslitradiatorwithastructuralelementbasedonanartificialanisotropicmagnetodielectric.Numericaloptimizationofthisantennawascarriedout,which determinedtheelementsofthedielectricandmagneticpermeabilitytensorsofthestructuralelementthatsatisfythecriterion ofthemaximumdirectivityoftheantennaatthelevelofthereflectioncoefficientmodulus|S11 |notexceeding0.2inthefrequencybandof5%.Basedonthefoundvaluesoftheelementsofthedielectricandmagneticpermeabilitytensors,thetopology ofastructuralelementbasedonanartificialanisotropicmagnetodielectricissynthesizedandaslitantennawithsuchanelementis simulated.Atthesametime,theradiationpatternwasnarrowedbymorethan2times,theresultingdirectivitywasatleast12dB atthecentralfrequencyoftherangewithavoltagestandingwavecoefficientofnomorethan1.3inthefrequencybandof5%. MeasurementofcrosssectionsoftheradiationpatternoftheFabry–Perotantennaintwoorthogonalplanesatafrequencyof5GHz wascarriedout.Comparisonofexperimentalandcalculateddiagramsshowedgoodagreementofcalculationandmeasurements.

Keywords: Fabry–Perotantenna,artificialanisotropicmagnetodielectric

Внастоящеевремяприсозданииорбитальныхгруппировокмалыхисверхмалыхкосмическихаппаратов(КА)требуетсясозданиекомпактныхигибкихвпланекомпоновкирадиотехническихустройствиихузлов,втомчислеантенн.Вэтойсвязипредставляютинтересантенны,получившиевлитературеназваниеантенн Фабри–Перо[1–13],представляющиесобойслабонаправленныйизлучатель,размещенныйвнутриоткрытогорезонатора,образованногометаллическимэкраномсоднойстороныиполупрозрачнымтеломсдругой.Какправило,полупрозрачное телопредставляетсобойпластинуиздиэлектрикасопределеннойсравнительновысокойдиэлектрическойпроницаемостью,частотноселективную структуруилиметаллическоетело[1–13].ПомимокомпактныхразмеровантенныФабри–Пероотличаютсяпростотойконструкцииитехнологичностью.Онимогутиспользоватьсякаксамостоятельно[1–11],такивкачествеизлучателейвсоставе антенныхрешеток[11–13].Впервомслучаепри техжепоперечныхгабаритныхразмерахкоэффициентусиленияантенныповышаетсянанесколькодецибелотносительнокоэффициентаусиления слабонаправленногоизлучателя[1–11].Вовтором случаепоявляетсявозможностьувеличитьрасстояниемеждусоседнимиизлучателямиитаким образомуменьшитьихколичество,атакжеупроститьсистемураспределениямощностирешетки, приэтомсущественногоростауровнябоковыхлепестковДНнепроисходит[11–13].Темнеменеекантеннам,предназначеннымдляустановки набортуКА,предъявляютсятребованиянетолько кихэлектрическимхарактеристикам,ноиктемпературномудиапазонуирадиационнойстойкости.Какправило,большевсегодеградациипод действиемтемпературныхирадиационныхвоздействийподверженыполупроводникиидиэлектриантеннФабри–Перо. ОптимизацияантенныФабри–Перо наосновещелевогоизлучателя

Вкачествематериала,которыйбыудовлетворялвсейсовокупноститребований,можетприменятьсякомпозит,представляющийсобойрегулярнуюрешеткуметаллическихэлементов,размещенныхвдиэлектрическойматрице[14–16].Металлическиеэлементы,образующиетакойискусственныйматериал,могутиметьразличнуюструктуру иобладатькакэлектрическим,такмагнитнымоткликами,такчтоэффективныедиэлектрическая имагнитнаяпроницаемостикомпозитавосновном будутопределятьсяформойэлементов,ихразмерамиирасстояниеммеждунимиимогутсущественно отличатьсяотэлектрическихпараметровдиэлектрическойматрицы[14–17].Взависимостиотгеометриитакихметаллическихвключенийкомпозитный материалможетбытькакизотропным,такианизотропным.Наиболеетехнологичныепланарныеметаллодиэлектрическиеструктуры,адаптированные кприменениютехнологииизготовлениямногослойныхпечатныхплатипленочныхтехнологий,позволяютреализоватьтолькоанизотропныематериалы; приэтомизшестиэлементовтензоровдиэлектрическойимагнитнойпроницаемостей (εxx , εyy , εzz ) и (μxx , μyy , μzz ) (ориентацияосейсистемыкоординатпредставленанарис.1)только εxx , εyy и μzz зависятотгеометрииметаллическихвключений[15,17].Остальныеэлементыполностью определяютсяпараметрамидиэлектрическойматрицы[15,17].Еслиприэтомметаллическиевключенияобладаютвращательнойсимметриейотносительноповоротана90◦ вокругоси,перпендикулярнойплоскостивключения,то εxx = εyy иэлектродинамическиехарактеристикитакогоматериалахарактеризуюттрипараметра.Обозначимихследующимобразом: щелевогоизлучателя(рис.1)сполупрозрачнымтеломввидецельноймагнитодиэлектрическойпластины,характеризуемойэлементамитензоровди-

Рис.1.АнтеннаФабри–Перонаосновещелевогоизлучателя

покритериюмаксимумакоэффициентанаправленногодействия(КНД)приуровнемодулякоэффициентаотражения |S11 |,непревышающем0,2вполосечастот5%.Вкачествеварьируемыхпараметроввыберемпараметры ε , μ⊥ ;расстояниемежду пластинойиизлучателем z ;толщинупластины hd Вкачестведиэлектрикаматрицывыберемнитрид алюминия(ε⊥ = 8,7).ДанныйСВЧ-диэлектрикотноситсякклассуразрешенныхкприменениювсоставерадиотехническихсистемКА.

Полученныевходеоптимизациизначенияварьируемыхгеометрическихпараметроввдлинах волнсоставляют: z = 0,4λ и hd = 2λ/15.Нарис.2 представленырасчетныезависимостиКНДимодулякоэффициентаотражения |S11 | отпараметров ε и μ⊥ прификсированныхгеометрическихпараметрах.Каквидноизполученныхзависимостей,основноевлияниенахарактеристикиантенныоказывает параметр ε .Приэтомпрификсированномпараметре ε модулькоэффициентаотражения |S11 | иКНД практическинеменяютсяприизменениипараметра μ⊥ .Оптимумповыбранномукритериюнаходит-

Рис.2.ЗависимостьКНД(сверху)имодулякоэффициентаотражения |S11 | (снизу)антенныФабри–Перо наосновещелевогоизлучателяотэлементовтензоровдиэлектрическойимагнитнойпроницаемостей ε и μ⊥ прификсированныхзначенияхрасстоянияпластиныдоэкрана z итолщиныпластины hd

нияэлементовтензоровдиэлектрическойимагнитнойпроницаемостей,воспользуемсяметодикой, представленнойв[19–21].Сутьметодикисостоит ввычислениимодулейифазкоэффициентовотраженияипрохожденияплоскойволныотслоя магнитодиэлектрикаизвестнойтолщины.Какизвестно[19–21],волновоесопротивление Z икоэффициентпреломления n магнитодиэлектрикасвязаныcкоэффициентомотраженияплоскойволны отслоямагнитодиэлектрика S11 иcкоэффициентомпрохожденияплоскойволнычерезслоймагнитодиэлектрика S21 следующимисоотношениями: —толщинамагнитодиэлектрика; —целоечисло,определяющееветвь функции Re( )

Рис.3.Областьрасчетаприсинтезетопологиикомпозитногоматериала

i Re(ln(ei k0 d )) (1 S11 )2 S 2 21 (1 + S11 )2 S 2 21 ; (5)

μ = ± 1 k0 d ((Im(ln(ei k0 d ))+ 2 π m)

i · Re(ln(ei k0 d )) · (1 + S11 )2 S 2 21 (1 S11 )2 S 2 21 (6)

Соотношения(5)и(6)позволяютопределитьдиэлектрическуюимагнитнуюпроницаемостиматериалапоизвестным S11 и S21 .Воспользуемсяэтимисоотношениямидлясинтезакомпозитногоматериаласматериальнымипараметрами εxx = εyy = 14–15, εzz = 8,7(вкачестведиэлектрикаматрицывыбраннитридалюминия), μxx = μyy = 1, μzz = 0,5–1.Вкачестве топологииметаллизациивыберемрешеткумальтийскихкрестов.Длясинтезакомпозитногомагнитодиэлектрикасискомымиматериальнымипараметрамивдиапазонечастот19,5–20,5ГГцвоспользуемся методомконечныхразностей[8]длярешениясистемыуравненийМаксвелладляобластейрешений,представленныхнарис.3,4.Дляобласти, представленнойнарис.3,награни,параллельные плоскости YZ ,накладываютсяграничныеусловия типаидеальноймагнитнойстенки;награни,параллельныеплоскости XZ ,—граничныеусловиятипа идеальнойэлектрическойстенки.Награнях,параллельныхплоскости XY ,размещаютсяволноводные порты.Такаяобластьрешениясоответствуетпадениюплоскойволны,векторнапряженностиэлектри,сволновымвектором,направленнымпараллельнооси Z , набесконечныйслойискусственногомагнитоди-

Рис.4.Областьрасчетаприсинтезетопологиикомпозитногоматериала плоскости XY .Вычисленныеприэтомпараметры S11 и S21 длявышеуказаннойобластирешения позволяютвосстановитьпараметры εyy и μxx (исоответственно μyy всилусимметрии)магнитодиэлектрика[17].

Длявосстановленияостальныхэлементовтензоровдиэлектрическойимагнитнойпроницаемости определим S11 и S21 электромагнитнойволныдля двухортогональныхлинейныхполяризацийдляобласти,представленнойнарис.4.Еслинаграниэтой области,параллельныеплоскости XY ,наложить граничныеусловиятипаидеальноймагнитной стенки;награни,параллельныеплоскости XZ ,— граничныеусловиятипаидеальнойэлектрической стенки,то,вычислив S11 и S21 ,можновосстановитьпараметры εyy и μzz .Награнях,параллельныхплоскости XY ,размещаютсяволноводные порты.Наконец,еслидляобласти,представленнойнарис.4,поменятьместамиграничныеусловиятипаэлектрическойимагнитнойстенок(зондированиеплоскойволнойспомощьюортогональнойлинейнойполяризации),можновосстановить параметры

Рис.5.Расчетнаячастотнаязависимостьэлементов εxx и εyy тензорадиэлектрическойпроницаемостиразработанногоискусственногомагнитодиэлектрика

Рис.6.Расчетнаячастотнаязависимостьэлементов μxx и μyy тензорамагнитнойпроницаемостиразработанного искусственногомагнитодиэлектрика

(линейныеразмерыкрестов,расстояниемежду крестами,количествослоевметаллизации)добьемсяравенствавосстановленныхэлементовтензоров диэлектрическойимагнитнойпроницаемостейискомымзначениям.

Нарис.5,6представленыполученныечастотныезависимостиэлементовтензоровдиэлектрическойимагнитнойпроницаемостейпараметров εxx и μyy длятрех(красныелинии),четырех(зеленые ентовпередачииотраженияплоскихволнотслоя материаласединичнойячейкой,представленной нарис.4,показанынарис.7и8.Нарис.9 представленатопологияодногослояметаллизацииискусственногомагнитодиэлектрика,полученнаяврезультатесинтеза.

ДляпроверкикорректностирасчетаантенныФабри–Пероспредставлениемконструктивногоэлементаввидесплошногомагнитодиэлектрика былопроведеноеечисленноемоделированиесконструктивнымэлементомввидеслоистойметаллодиэлектрическойструктурысрасчетнойтопологией(рис.10).Сравнениехарактеристик,полученных вобеихмоделях,представленовтабл.1.

Каквидноизтабл.1,характеристикиантенны Фабри–Перонаосновещелевогоизлучателя,полученныепоупрощеннойиполноймоделям,достаточноблизки:отклонениеширинДНпоуровню

Рис.9.Топологияодногослояметаллизацииискусственногомагнитодиэлектрика

Рис.10.Щелеваяантеннасосплошнойанизотропной магнитодиэлектрическойпластинойиконструктивным элементомнаосновеискусственногомагнитодиэлектрика

непревосходит1,1%.Отклонениепомаксимуму КСВНсоставляет5,1%.Повышенноеотклонение КСВНобъясняетсятем,чтоприпредставлении конструктивногоэлементавкачествесплошного магнитодиэлектрикачастотнаядисперсияэлектри(вверху)иконструктивныйэлемент(внизу)

металлизациинаполиимидныхпленках.Размеры конструктивногоэлементасоставляли60 × 60 × × 8мм3 .Конструктивныйэлементбылрасположеннадержателеизполистироланадэкраном щелевогоизлучателянавысоте24мм.Держатель изготовленметодом3D-печати,дляснижениявлияниядиэлектрикадержателянахарактеристикиантенныегоконструкциябылавыполненаячеистой так,чтобынаполистиролприходилосьнеболее30% всегообъемадержателя.Щелевойизлучательвыполненввидеотрезкапрямоугольноговолновода сечением35 × 15мм2 .Наегофланцебылазакрепленаметаллическаяпластинкаразмером60 × 60мм2 спрорезаннойвнейполуволновойщелью.ПроведеноизмерениесеченийДНизготовленногомакетавдвухортогональныхплоскостях.Нарис.12 представленырасчетные(сплошныекривые)иизмеренные(штриховыелинии)сеченияДНантенны Фабри–Перонаосновещелевогоизлучателя.

Каквидноизрис.12,результатыизмерений находятсявхорошемсогласиисрасчетнымихарактеристиками.РасчетныеиизмеренныешириныДН

Рис.12.Сечениярасчетной(сплошныелинии)иэкспериментальной(штриховыелинии)ДНантенныФабри–Перо вплоскостях E (справа)и H (слева)

Сравнениеразработки

сближайшимианалогами

Средирассмотренныхпубликацийближайшимианалогамиантенны,изученнойвданнойработе,являются[5,15].Сравнительныехарактеристикиразработаннойантенныианалоговприведены втабл.2.

Каквидноизтабл.2,средирассмотренных аналоговразработаннаяантеннаимеетнаибольшийКНДпринаибольшихэлектрическихразмерах,атакжесреднююполосучастот,превосходяаналог2иуступаяаналогу1.Такимобразом,ниоднаизсравниваемыхконструкцийнеимееточевидныхпреимуществпереддругими(КНД 12дБдостигаетсявданнойработеприб´ольших, посравнениюсаналогами,электрическихразмерах).Сравнениепотехнологичностипоказывает, чтоконструкция[5]болеепредпочтительнаприпостроенииантеннметровогоидециметровогодиапазоновдлинволн.Конструкции,представленные вданнойработеив[15],болеепредпочтительны всантиметровомимиллиметровомдиапазонах.

Заключение

ВстатьеприведенаметодикасинтезаантенныФабри–Перосконструктивнымэлементом наосновеанизотропногоискусственногомагнитодиэлектрика,заключающаясявпредставленииконструктивногоэлементаввидесплошнойпластины, характеризующейсяэлементамитензоровдиэлектрическойимагнитнойпроницаемостей,поискенабораэлементовтензоров,обеспечивающегомаксимумКНДвзаданномчастотномдиапазонеисинтезомструктурыискусственногомагнитодиэлектрикапонайденномунаборупараметров.Численныммоделированиемпоказано,чторазмещение конструктивногоэлементанаосновеискусственногомагнитодиэлектриканадщелевымизлучателем позволяетполучитьКНДантенны,составляющий около12дБприприемлемомуровнесогласования вполосечастот5%приразмерахрезонатораФабри–Перовдлинахволн1 × 1 × 0,55.Сравнение ДН,полученныхприрасчетеиприизмерениимасштабногомакета,показываетприемлемоесогласие расчетовиэксперимента.

Списоклитературы

1. TrentiniG V .Partiallyreflectingsheetarrays//IRE Transactionsonantennaandpropagation,1956,vol.4, №4.P.666–671.

2. JacksonD R., AlexopoulosN G.Gainenhancement methodsforprintedcircuitantennas//IEEETransactionsonantennasandpropagation,1985,vol.33, №9.P.976–987.

3. AkalinT ., DanglotJ ., VanbesienO., LippensD. AhighlydirectivedipoleantennainaFabry–Perottypecavity//IEEEMicrowaveandwirelesscomponentsletters,2002,vol.12,№2.P.48–50.

4. Al-TarifiM A., AnagnostouD E., AmethA K., WhitesK W .Thepuckantenna:acompactdesign withwideband,high-gainoperation//IEEETransactionsonantennasandpropagation,2015,vol.63, №4.P.1868–1873.

5. БойкоС Н .АнтеннаФабри–Перовысокогоусиления//Антенны,2012,№8.С.46–50.

6. ZhenguoLiu, Zhen-XinCao, Le-NanWu.Compactlow-profilecircularlypolarizedFabry–Perotresonatorantennafedbylinearlypolarizedmicrostrippatch//IEEEAntennasandwirelesspropagationletters,2015,vol.15.P.524–527.

7. GeYuehe, SunZhu, ChenZhizhang, ChenYin-Yan Ahigh-gainwidebandlow-profileFabry-Perotresonatorantennawithaconicalshorthorn//IEEE Antennasandwirelesspropagationletters,2016, vol.15.P.1889–1892.

8. BingHan, Xue-XiaYang, Hai-GaoXue.Amillimeter waveFabry–Perotwithhighgainandcircularpolarizationoperation.ThirdAsiaconferenceonantennas andpropagation,July2014.P.26–29.

9. GardelliR., AlbaniM., CapolinoF .Arraythinning byusingantennasinaFabry–Perotcavityforgain enhancement//IEEETransactionsonantennasand propagation,2006,vol.54.P.1979–1990.

10. TruongKhangNguyen, IkmoPark.Broadbandsingle feedmicrostripantennainaFabry–Perotresonator. Theinternationalworkshoponantennatechnology, December2015P.333–334.

11. KonstantinosKonstantinidis, AlexandrosP. Feresidis, PeterS Hall.Broadbandsub-wavelengthhigh gainantennasbasedonmulti-layermetasurfaces// IEEEtransactionsonantennasandpropagation,2015, vol.63,№1.P.423–427.

12. VaidyaA R., GuptaR., MishraS., MukherjeeJ HighgainlowsidelobelevelFabry–PerotCavityantennawithfeedpatcharray//Progressinelectromagnetics,April2012,vol.28.P.223–238.

13. LiuZ -G., LuW -B.Low-profiledesignofbroadband highgaincircularlypolarizedFabry-Perotresonator antennaanditsarraywithlinearlypolarizedfeed// IEEEAcsess,2017,vol.5.P.7164–7172.

14. PendryJ B., HoldenA J ., RobbinsD J ., andStewartW J .Magnetismfromconductorsandenhanced nonlinearphenomena//IEEETrans.Microw.Theory Tech.,1999,vol.47.P.2075–2081.

15. AttiaH ., YousefiL., RamahiO M.Analyticalmodel forcalculatingtheradiationfieldofmicrostripantennaswithartificialmagneticsuperstrates:theoryand experiment//IEEETransactiononantennaandpropagation,2011,vol.59,№5.P.1438–1444.

16. ВиноградовА П .Электродинамикакомпозитных материалов/Подред.Б.З.Каценеленбаума.М.: ЭдиториалУРСС,2001.208с.

17. DouglasH Werner.Broadbandmetamaterialsinelectromagnetics.Technologyandapplications.PanStanfordPublishingPte.Ltd.,2017.

18. БанковС Е., КурушинА А.Электродинамикадля пользователейСАПРСВЧ.М.:СОЛОН-ПРЕСС, 2017.316с.

19. JiangZ H ., BossardJ A., WamgX ., WernerD H Synthesisingmetamaterialswithangularlyindependenteffectivemediumpropertiesbasedonanisotropicparameterretrievaltechniquecoupledwith ageneticalgorithm//J.Appl.Physics,2011,109. P.1013515(1)–(11).

20. KimS., KuesterE F ., HollowayC L., ScherA D., Baker-JarvisJ R.Effectivematerialpropertyextractionofametamaterialbyconsideringboundaryeffects atTE/TMpolarizedincidence//ProgressInelectromagneticsresearchB,2012,vol.36.P.1–33,

21. AksunM I ., AlparslanA., KarabulutE P., IrciE., Ert ¨ urkV B.Determiningtheeffectivecounstitutive parametersoffiniteperiodicstructures:photoniccrystalsandmetamaterials//IEEEtransactionsonmicrowavetheoryandtechniques,2008,vol.56,№6. P.1423–1434.

интегральныхсхем

К.Е.Воронов, к.т.н.,доцент,voronov.ke@ssau.ru Самарскийнациональныйисследовательскийуниверситетим.С.П.Королева, г.Самара,РоссийскаяФедерация К.И.Сухачев, к.т.н.,доцент,kir.sukhachev@gmail.com Самарскийнациональныйисследовательскийуниверситетим.С.П.Королева, г.Самара,РоссийскаяФедерация Д.А.Шестаков, shestak-21@ya.ru Самарскийнациональныйисследовательскийуниверситетим.С.П.Королева, г.Самара,РоссийскаяФедерация

А.А.Артюшин, artyushin.aa@ssau.ru Самарскийнациональныйисследовательскийуниверситетим.С.П.Королева, г.Самара,РоссийскаяФедерация Аннотация. ВработепредставленподходкразработкесложныхцифровыхсистемнабазенесколькихПЛИС.Дляобеспечения связимеждуотдельнымиИМСилиблокамиэлектроникипредлагаетсяиспользоватьспециальноразработанныйинтерфейс, позволяющийобеспечиватьрезервированиеканалов,осуществлятьпомехоустойчивоекодированиеиаппаратнуюпроверку целостностиданных.

РазработанныйинтерфейсоптимизировандляиспользованиявнебольшихпологическойемкостиИМСПЛИС,втомчисле набазерадиационно-стойкихИМС.ВстатьепоказанареализацияраспределенныхсистемнабазенесколькихИМСПЛИС сорганизациеймежкристальнойсвязи,обеспечивающейвозможностьрезервированияигальваническойразвязки.Примененныерешениявыполненысучетомтребованийимпортозамещенияиприусловииминимальнойноменклатурывнешних относительноПЛИСэлементов.

ВсефункцииреализованысминимальнымизатратамилогическихблоковПЛИСибезиспользованиявнешнихактивных элементов.Представленпримервозможногопостроениясетинабазеразработанныхмодулей.

Ключевыеслова: ПЛИС,сетевойинтерфейс,космическаяэлектроника,системасвязи

ImplementationofFault-TolerantIntercrystalCommunication intheSystemsofSpaceScientificEquipment BasedonMultipleFieldProgrammableGateArrays

K.E.Voronov, Cand.Sci.(Engineering),voronov.ke@ssau.ru

SamaraNationalResearchUniversity,Samara,RussianFederation

K.I.Sukhachev, Cand.Sci.(Engineering),kir.sukhachev@gmail.com

SamaraNationalResearchUniversity,Samara,RussianFederation

D.A.Shestakov, shestak-21@ya.ru

SamaraNationalResearchUniversity,Samara,RussianFederation

A.A.Artyushin, artyushin.aa@ssau.ru

SamaraNationalResearchUniversity,Samara,RussianFederation

Abstract. ThepaperpresentsanapproachtothedevelopmentofcomplexdigitalsystemsbasedonseveralFPGAs.Toensure communicationbetweenindividualICsorelectronicsunits,itisproposedtouseaspeciallydesignedinterfaceallowingchannel redundancy,noise-resistantcoding,andhardwaredataintegrityverification.

ThedevelopedinterfaceisoptimizedforuseinICsFPGAsmallonthelogicalcapacityincludingthosebasedonradiationresistantICs.ThepapershowstheimplementationofdistributedsystemsbasedonmultipleICsFPGAwithorganizationofinterchip communicationprovidingredundancyandgalvanicisolation.Theappliedsolutionsaremadetakingintoaccounttherequirements ofimportsubstitutionandtheminimumnomenclatureofexternal,relativetoFPGAs,elements.

AllfunctionsareimplementedwithminimalcostsofFPGAlogicblocksandwithouttheuseofexternalactiveelements. Anexampleofapossiblenetworkconstructionbasedonthedevelopedmodulesispresented.

Keywords: FPGA,networkinterface,spaceelectronics,communicationssystem

Введение

Дляреализациисистемуправлениякосмическойнаучнойаппаратуройиликосмическимиаппаратами(КА)универсальнымрешениемявляются программируемыелогическиеинтегральныесхемы (ПЛИС)[1–3].Кругзадач,возлагаемыхнасистемыуправления,скаждымгодомрасширяется.Реализуемыенасегодняшнийденьалгоритмыдолжнынетольковыполнятьсвоизадачи,ноиосуществлятьзащитусвоейфизическойреализации отвозможныхсбоев,атакжеиметьсредствасамодиагностики[3].Дляреализациитакогоподхода требуютсяПЛИС,имеющиебольшойзапаслогическихячеекибольшоеколичествопортовввода–вывода.Всвязисэтимуразработчиковсложных системвусловияхимпортозамещениямогутвозникаюттрудностииз-заограниченногономенклатурногорядаотечественныхособостойкихПЛИС, которыектомужеимеютнебольшойобъемлогическихэлементов[4]иограниченныйперечень встроенныхаппаратныхфункций.ОднимизвариантоврешениясформулированнойпроблемыявляетсяразделениесистемынанесколькоПЛИС. Всвязисвышесказанным наиболееважнойцелью являетсяреализацияинтерфейсадлямежкристальнойимежблочнойсвязей.

Достаточночастодляпередачиданныхмежду ПЛИСимикроконтроллерамииспользуютпоследовательныеинтерфейсы,напримерI2C,SPI,UART [5–7].Главнымдостоинствамподобныхинтерфейсовявляетсяиспользованиеминимальногоколичествалинийсвязи,ноони,всвоюочередь,имеют низкуюскоростьобменаданнымииподвержены квоздействиямпомех.

Дляреализацииболеевысокоскоростныхлинийпередачиданныхиспользуютилиинтерфейсы сбольшимколичествомлинийсвязи,илидиффе-

наосноведифференциальныхлиний,наиболееизвестныеизкоторыхEthernet,PCI-ExpressиUSB. Дифференциальныелиниисвязиимеютотличную защищенностьотэлектромагнитныхиперекрестныхпомех,обладаютвысокойскоростьюобмена ипригодныдляпередачиданныхнаб´ольшиерасстояния,чемдругиевидыинтерфейсов.

Врезультатеанализасуществующихинтерфейсовбылоприняторешениеразработатьинтерфейс связи,способныйобеспечитьвысокуюпропускную способность,атакжеобладатьповышеннойотказоустойчивостьюипомехозащищенностью.

Задачи

Приразработкенижнегоуровняинтерфейса необходимоучитыватьследующиеособенности: –защитаотсбоевиотказовкакнафизическомуровнелиниисвязи,такисостороныметода кодированияинформации;

–возможностьнастройкипропускнойспособностиикратностирезервированиявзависимости оттребованийскоростиинадежности;

–наличиегальваническойразвязки; –возможностьорганизациисетей.

Дляобъединениянесколькихустройствводнусетьнеобходиморазработатьпротоколсетевого уровня,которыйбудетудовлетворятьследующим требованиям:

–программнаянастройкавсехпараметровсети; –определениеколлизий,проверкацелостностиданныхилиниисвязи,возможностьопределениядефектаналинии;

–условнаяравнозначностьэлементовсети;

–всеэлементысетидолжныполучатьданные примерноодновременно;

–возможностьшироковещательнойпередачи дляорганизациипротоколовболеевысокогоуровня.

Рис.1. а —структурамежблочногоканаласвязи, б —внутриплатный(межкристальный)каналсвязи

синхронизациичасовприемникаипередатчика. Крометого,сигналбезпостояннойсоставляющей, позволяетвкачествегальваническойразвязкиприменятьсигнальныетрансформаторысминимальнымколичествомвнешнихЭРИ.Передачаосуществляетсяпакетамипо25бит:1стартовыйбит, 16битинформациии8битCRC.Дляреализациинижнегоуровняразрабатываемогопротоколаразработанымодулиприемникаипередатчика SINT(simpleinterface).Всамомпростомслучае, когданеобходимосоединитьвсегодваустройства, тоданныемодулиможноподключитьнепосред-

данных,еслиэтонеобходимо.Модулиприемника ипередатчикаявляютсянезависимымиимогутработатьвполнодуплексномрежиме.Естьвозможностьрасширятьпропускнуюспособностьканала связи,увеличиваяколичестволинийсвязи,этуже особенностьможноиспользоватьдляувеличения надежности,напримерприменяямажоритарноерезервированиелиний.

Модульпередатчикаможноподключитьчерез дифференциальныйвыходнепосредственноквитойпаре,нагруженнойнаразвязывающийтрансформатор.

Интерфейс,состоящийизоднойпрямойиоднойобратнойлиниисвязисприменениемгальваническойразвязки,обладаетхарактеристиками,приведеннымивтаблице.

Параметрыпропускнойспособностиинтерфейсаувеличиваютсяпропорциональнократностилинийсвязи,так,например,используякабельиз4витыхпар,можноувеличитьскорость до20Мбит/снаприеминапередачу.Независимостьмодулейделаетвозможнымформирование

Параметр

Таблица.Параметрылиниисвязи

Характеристика Примечание

Частотасигнала До10Мгц

Скоростьобменаданными

Допустимоерассогласованиетактовых частотмодулейпередатчикаиприемника начастотесигнала2,5МГц,5МГц, 10МГц

Припротяженностилинии(витойпары) до10м

До96Мбит/с 6,2Мбит/сзавычетомCRC

Неболее: 10%для2,5МГц, 5%для5МГц, 2%для10МГц

Прибольшихзначенияхрассогласования илипротяженностилиниисвязипоявляютсяошибки,которыедетектируются контролемCRCилиотсекаютсяселектоМаксимальнаядлинавитойпарынача-ромтайминговпакета стотесигнала2,5МГц,5МГц,10МГц

Неболее: 40мдля2,5МГц, 20мдля5МГц, 10мдля10МГц

ДляИМСтипа5578ТС084 290 ДляИМСтипа5578ТС034 105

ДляИМСтипа5578ТС084 125 ДляИМСтипа5578ТС034

несимметричнойлиниисвязи,когдапередача иприемидутнаразныхскоростяхилиприразном числеканалов,вплотьдопереходакоднонаправленнойпередаче.

Реализациясетевогоуровня

Согласнопоставленнымзадачамразработан протоколифизическаяреализациясети,названная«infiniteloop».Структурносхемасоединения устройствприреализациисети«infiniteloop»показананарис.2.

Потопологиисетьпредставляетсобойкольцо, прямаяиобратнаяветвькоторогопроходятчерез каждыйэлементсети,чтоделаетвозможнымразбиениесетинаотдельныефрагментыпринеобходимости(повреждении),атакжеобразование«мостиковых»соединенийдляповышениянадежности,дажебезприменениярезервныхканалов.Передачаведетсякадрамиразличнойдлительности, нособязательнымзаголовком.Каждыйкадрсостоитизпакетов,формируемыхнанижнемуровне протокола,структурыкадраипакетапредставленынарис.3.Еслилиниясвободналюбойизэле-

элементы«слушают»сеть,каждыймодульполучаетсигналиретранслируетегодальше.Когдавзаголовкесодержитсяадрес,совпадающийсадресом элементасети,происходитзаписьвсегокадравбуферОЗУ,позволяющийсохранитьдо1024пакетов. Каждыймодульсети«infiniteloop»(рис.2)содержитупрощенныйприемникипередатчикVSINT, аналогичныйSINT,нобезвозможностиподключениякШПсофтЦП[9].Модуль«infiniteloop»такжесодержитконтроллер«IL»сетиибуферОЗУ RAM.Контроллер«IL»сетиреализуетвсюлогикуработынасетевомуровне:ведетконтрольцелостностикадрапутемподсчетаполученныхили отправленныхпакетовиколичестваошибок,возникшихприприемекадра,посредствомконтроля CRCкаждогопакета;такжепроводитвременной контрольтайминговкадра,исключаябесконечного ожиданиепродолженияпередачипривнезапном пропаданиисигнала.Поокончанииприемаконтроллер«IL»выставляетсоответствующиефлаги, которыемогутбытьиспользованыкакисточники прерыванийдляЦП[9]. Коллизиимогутвозникнутьиз-завременных задержекраспространениякадрапо«кольцу»сети.

Весьмодульсетизанимаетот780до1180логическихэлементоввПЛИСотечественногопроизводстваотВЗПП-С[4]взависимостиоттипаиспользуемойИМС.Описаннаясистемасвязиуспешнопримененавнаучнойаппаратуре(НА),показаннойнарис.4,гдереализованасвязьподлинной линииотблокаКПАдоисполнительныхислужебныхблоковсамойНА.ВсяНАпостроена наЭРИОП,дляразвязкиКПАотНАиспользова-

Каквидноизосциллограмм,трансформаторнаяразвязканевноситсущественныхискажений вформусигнала,которыебывлиялинаегоцелостность.

Выводы

Работапосвященаразработкесложныхцифровыхсистемкосмическогоназначения,длямежкристальнойимежблочнойсвязивнутрикоторыхпредлагаетсяиспользоватьразработанныйинтерфейс, которыйможетбытьдополненпротоколомсетевогоуровня.Разработанныйинтерфейсоптимизировандляиспользованиявнебольшихпологической емкостиИМСПЛИСимпортногоиотечественногопроизводствавтомчисленабазерадиационно-стойкихИМС.Вработепоказанареализацияраспределенныхсистемнабазенескольких

Рис.5.Осциллограммывразличныхучасткахсети«infiniteloop»сиспользованиемтрансформаторнойразвязки выполненысучетомтребованийимпортозамещения иприусловииминимальнойноменклатурывнешних относительноПЛИСэлементов.Активныхэлементовдляорганизациисетинетребуетсявовсе.

Списоклитературы

1. ВороновК Е., ТелегинА М., СухачевК И ., КалаевМ. П .Формынаведенногоимпульсавдатчикемикрометеороидовичастицкосмическогомусора//Успехиприкладнойфизики,2020,т.8,№6. С.414–418.

2. PiyakovI . V ., KalaevM. P., SukhachevK. I ., VoronovK E &TeleginA M.ADigitalSignalRecordingModuleforaDustHitMassSpectrometer// InstrumentsandExperimentalTechniques,2020,№6. P.83–88.

3. НикитинА А.Реализациярадиационно-стойкого стем,состоящихизнесколькихпрограммируемых

5. KumariR S S., GayathriC .InterfacingofMEMS motionsensorwithFPGAusingI2Cprotocol.2017InternationalConferenceonInnovationsinInformation, EmbeddedandCommunicationSystems(ICIIECS) (17–18March2017,Coimbatore,India).P.1–5.

6. YoonG., KimJ ., KimG -Y ., SonB., YooH .MultipleRS-485interfacemanagementFPGAdesignfor Powermicro-metering.201910thInternationalConferenceonPowerElectronicsandECCEAsia(ICPE 2019—ECCEAsia)(27–30May2019,Busan,Korea (South)).P.2635–2640.

7. СтаршиновВ С ., ТкачевС А.РазработкаIP-Core длясоединенияинтерфейсовAXIиSPIсиспользованиеммикропроцессорныхсистемвсвязке сПЛИС.Наука.Технологии.Инновации.Сб.научныхтрудов.В10т.Т.1/Подред.Д.Н.Достовалова.Новосибирск:Новосибирскийгосударственныйтехническийуниверситет,2018.С.110–117.

8. ЧемодановМ И .ОрганизацияинтерфейсадляреализациипротоколаAXI-LiteмеждуПЛИСфирмыXilinx.Информационныетехнологиивмоделированиииуправлении:подходы,методы,решения, МатериалыIВсероссийскойнаучнойконференции. В2т.Т.2.Ульяновск:КачалинАлександрВасильевич,2017.С.261–268. ВороновК Е., СухачевК И ., ВоробьевД С .РазработкабортовогомодуляуправлениянабазевычислительногоIP-ядра//Ракетно-космическоепри-

Внастоящейстатьесмоделированагруппировкаиз640КА,использующаяорбитальноепостроениеУолкера–Можаева в20плоскостяхоколополярныхкруговыхорбитснаклонением86,4◦ .Показано,чтонаправлениянаКАвсоседнихплоскостях вширотномпоясе ±40◦ меняютсямедленно,чтопозволяетсоздатьмежорбитальнуюсистемупередачиданных.Оценены достижимыескоростипередачиданныхдлясистемыуправленияКА.

Такжепоказано,чтоуправлениегруппировкойиз640малыхКАсорбитальнойконструкциейУолкера–Можаева вS-диапазонеможетбытьорганизованопооднопунктнойсхемеуправления.

Ключевыеслова: многоспутниковаясистема,орбитальноепостроение,передачаинформации,сеансысвязи,управлениеКА

Inter-OrbitalDataTransferSystem

forSmallSpacecraftConstellationControl

S.I.Vatutin, Cand.Sci.(Engineering),SeniorResearcher,vatutin.si@spacecorp.ru

JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

R.M.Gvardin, gvardin.rm@spacecorp.ru

JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

I.K.Kurkov, kurkov.ik@spacecorp.ru

JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

N.V.Egorova, egorova.nv@spacecorp.ru

JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

Abstract. Theattractivenessofmulti-satellitesystemsinloworbitsisduetotheglobalcoverageofthesystematarelativelylow costofcustomercommunicationterminalsandhighresolutionofspacesystemsofEarthremotesensing.

Thepapergivesamodelofaconstellationof640spacecraftusingtheWalker-Mozhayevorbitalconstructionin20planes ofnear-polarcircularorbitswithaninclinationof86 4◦ .Itisshownthatthedirectionsonthespacecraftinadjacentplanes inthelatitudebelt ±40◦ changeslowly,whichallowscreatingofaninter-orbitaldatatransfersystem.Theachievabledatatransfer ratesforthespacecraftcontrolsystemareestimated.

Itisalsoshownthatthecontrolofagroupof640smallspacecraftwiththeWalker-MozhayevorbitalconstructionintheS-band canbeorganizedbyasingle-pointcontrolscheme.

Keywords: multi-satellitesystem,orbitalconstruction,datatransfer,communicationsessions,spacecraftcontrol

Несмотрянафактическоебанкротствопервых низкоорбитальныхмногоспутниковыхсистемсвязи ипередачиданныхIridiumиз66КАмассой680кг, Globalstarиз48КАмассой450кгисистемы Teledesicизпредполагавшихся288болеесовершенныхКАмассой120кг,интерескмногоспутниковымсистемамнеутихает.Модунакосмическоемининепресеклодажеобъявленноевначале 2020г.банкротствобританскойсистемыOneWeb изпредполагавшихсясначала720КАмассойменее150кгнакруговыхорбитахвысотой1200км в18плоскостяхпо40КАвкаждойплоскости. ИзэтихпроектовбылостановлентолькоTeledesic. IridiumиGlobalstarперешливведениеминистерстваобороныСШАиуспешноэксплуатируются. СистемаOneWebусиленнонаращиваетсяновымихозяевами.РеализуютсяпроектыСШАLeoSal, BoeingNGSO,StarLink,КанадыTelesatLEO,КитаяLinkSureSwarmсколичествомКАот45 (TelesatLEO)до3200(StarLink)[1],причемвсе проектыпредусматриваютсущественноенаращиваниегруппировок(посведениямиз[2]этапынаращиванияStarLink—4000,12000и42000КА).

Вэтомжетренденаходитсяироссийскийпроект «Сфера»[3].

Привлекательностьмногоспутниковыхсистем нанизкихорбитахобусловленаглавнымобразом глобальнымохватомсистемыприснижениистоимостисвязныхтерминаловпотребителейивысокимразрешениемкосмическихсистемдистанционногозондированияЗемли.Однаизосновныхпроблем—сложностьуправлениямногоспутниковыми системами.Предпосылкамрешенияэтойпроблемы посвященанастоящаяработа.

В[4]отмечено,чтопространственнаяструктураорбитальныхгруппировокКАнанизкихкруговыхорбитах,какправило,используетпостроение

Рис.1.Орбитальныеконструкции

Вданнойработепостроениемежорбитальнойсистемыпередачиуправляющейинформации рассматриваетсянапримересистемыиз640КА на20околополярныхкруговыхорбитахснаклонением86,4◦ .Простаярасстановкаплоскостейна дуге0–360◦ через360/20 = 18◦ всоответствии сдельта-конфигурациейнарис.1, б даетвстречноедвижениеКАпримерноводнойплоскостипри противоположныхдолготахвосходящегоузла,как показанонаобзорномрис.2в3Dикрупнымпланомнарис.3в3Dирис.4в2D.Каквидим, встречноедвижениеКАввосходящихинисходящихузлахдаетнеудовлетворительноепокрытие ЗемлиприуглахобзорасКА40◦

Рассмотримрасстановкуплоскостейнадуге 0–360◦ через18◦ с1-йпо10-юорбиту,начиная с0◦ ,ис11-йпо20-юорбиту,начинаяс171◦ Посуществуэтокомбинацияиздвухгруппировок по320КАсрасстановкойподуге180◦ на10орбитальныхплоскостяхкаждая.Врезультатеполучаеммодифицированнуюдельта-конфигурацию рис.1, б счередованиеморбитпрямогоиобратноговосхождениячерез9◦ .Общийвидв3Dпредставленнарис.5,крупныйпланв3Dив2D— нарис.6и7.

Каквидим,вмодифицированнойдельта-конфигурациисвосходящимиузламичерез9◦ следы отконусовсугломобзора40 ютсясзапасом,причемКАна10-йи11-йорбитах движутсяпопутно,анаостальныхсоседнихорбитахвстречно,чтосущественнозатрудняетпострое-

ПоэтомувданнойработевыбранаорбитальнаяконструкцияУолкера–Можаевасрасстановкой подолготевосходящегоузланадуге0–180◦ через 180/20 = 9◦ всоответствиисрис.1, а,прикоторой КАвсоседнихорбитальныхплоскостяхдвижутся попутносмалымугловымвзаимнымперемещением,чтообеспечиваетхорошиеусловиядляпостроениямежорбитальнойсистемыпередачиданных. Различияорбитальныхпостроенийсрасстановкой подуге360◦ (дельта-конфигурация)иподуге180 ◦ (конфигурацияУолкера–Можаева)наиболеенагляднопроявляютсяврайонахполюсов. ◦ .Этодает дополнительнуюстепеньсвободыдляоптимизациипокрытияворбитальнойконфигурацииУолкера–МожаеваспопутнымдвижениемКА,удобном дляпостроениямежорбитальнойсистемыпередачиданныхдляуправлениявсейгруппировкойКА. Так,нарис.10представленакрупнымпланоморбитальнаяконфигурацияУолкера–МожаеванаграницеполусферсовстречнымдвижениемКАмежду 1-йи20-йплоскостямиисразнесениеморбитпо дуге185◦ .Разрывыперекрытияотсутствуютдаже приуменьшенииуглаобзорасисходных40◦ до35◦ .

Основнымифакторами,влияющиминапостро-

Рис.11.Зависимостьотвременирасстояниямежду соседнимиКАвсоседнихорбитальныхплоскостях

Видим,чторасстояниядососеднихКАсправа ислевапрактическиодинаковы,графикидляКА1 иКА65сливаются.Длясистемыпередачиданных важно,чтомаксимальноерасстояниемеждусоседнимиКАвсоседнихплоскостяхнаэкваторесоставляетпорядка1200км.

Нарис.12представленыграфикизависимостейотвремениширотыКА33иазимутальныхугловсКА33наКА1иКА65.Видим,чтоимеются участки,накоторыхазимутальныеуглынасоседниеКАвсоседнихплоскостяхменяютсямедленно. Особеннонаглядноэтовиднонарис.13крупным планомзависимостиазимутальныхугловнасоседейотшироты.Впределах ±40◦ поширотеазимутальныеуглынасоседейвсоседнихплоскостях

Рис.13.ЗависимостьотширотыкрупнымпланомазимутальныхугловсКА33наКА1иКА65

меняютсямедленно,чтосоздаетпредпосылкидля созданиямежорбитальнойсистемыпередачиданныхпоуправлениюгруппировкоймалыхКА.

Нарис.14представленыграфикизависимости отвремениазимутальнойугловойскоростиКА33 относительноКА1иКА65.Видим,чтоимеются скачкиугловыхскоростейнаполюсах,тогдакак вэкваториальномпоясеугловыескоростиблизки кнулю.

Изрис.15крупнымпланомвидно,чтоотносительнаяазимутальнаяугловаяскоростьсоседних КАнасоседнихорбитахмалоизменяетсявпределах ±40◦ пошироте.

Изрис.16ещеболеекрупнымпланомвидно, чтоврабочейэкваториальнойполосеширот ±40◦

Рис.14.Зависимостьотвременина7виткахазимутальнойугловойскоростиКА33относительноКА1иКА65

относительнаяазимутальнаяугловаяскоростьсоседнихКАнасоседнихорбитахизменяетсявпределах ±0,02◦ /с.Приэтом,всоответствиисзави-

формулы(2)длямощностисигнала Pr навходе приемника[7,8]нетруднополучитьформулы(7) и(8)достижимойскоростипередачиинформации R длязаданногоотношениясигнал/шумпо мощностиSRNи,следовательно,длязаданнойвероятностиошибкинабитпередаваемойинформации Pb :

Pr = Pt · Gt · η · Kэф · SA 4 π r 2 . (2)

Здесь Pt —мощностьпередатчика; Gt —коэффициентусиленияпередающейантенны; η —коэффициентпотерьврадиолинии; Kэф —коэффициент эффективностиантенны; S —площадьапертуры антенныприемника; r —расстояниемеждуфазовымицентрамипередающейиприемнойантенны. Всвоюочередь,коэффициентусиленияапертурной антенны G связансплощадьюапертурыантенны S идинойволны λ несущейчастоты fн известным соотношением[9]

G = 4 π Kэф S λ2 (3)

Площадьапертурыпараболическойантенны S связанасеедиаметром D соотношением S = π D 2 4 (4) Длинаволны λ связанаснесущейчастотой fн соотношением λ = fн (5)

Мощностьсигнала Pс связанасотношениемсигнал/шум SRN ,мощностьютепловогошума Pш , спектральнойплотностьюшума N0 ,эффективной ширинойполосы Δfэф радиосигнала,постоянной Больцмана k0 ,шумовойтемпературой t◦ ,количествомлепестковвспектремодулирующегосигнала m,длительностьюбитаинформации

Подставив(3)–(6)в(2),получимдляслучаяпередающейиприемнойантеннодинаковогодиаметра D вовнутриорбитальнойимежорбитальнойрадиолиниивыражениедлядостижимойскоростипередачинформации: (7)

Дляслучаяантеннразныхдиаметров Db и Dz врадиолинииборт–Земля: K (8)

Исходяиз Pб = 10 6 всоответствиис(10) и(11)получаем SRN = 5,1352,откудавсоответствиис(7)и(8)приисходныхданных: D = Db = = 0,25м; Dz = 3,0м; Kэф = 0,5; η = 0,3; Pt = = 10Вт; t◦ = 200K; m = 1,1; fн = 2,5 109 Гц(диапазонS)имеемследующиеоценкискоростипередачиинформациивовнутриорбитальнойрадиолинии Rво = 1,87Мбит/с,вмежорбитальныхрадиолиниях Rмо = 2,8Мбит/сиврадиолинияхборт–Земля RбЗ = 281Мбит/с.Такимобразом,припоследовательномвыстраиваниирадиолинийвмаршрутесбросателеметрическойинформации(ТМИ) наЗемлюизакладкикомандно-программнойинформации(КПИ)набортКАузкимместомявляетсярадиолиниямеждусоседнимиКАнаодной орбитесдопустимойскоростью1,87Мбит/с.

Теперьоценимдопустимыескоростипередачиинформациивовнутриорбитальнойрадиолинии Rво ,межорбитальныхрадиолиниях Rмо иврадиолинияхборт–Земля RбЗ исходяиздальности rво = 1467кмвнутриорбитальнойрадиолинии, дальности rмо = 1200кммежорбитальнойрадиолинииидальности rбЗ радиолинииборт–Земля,которуюопределимисходяизуглаобзора Uо = 40◦ ивысотыорбиты H = 1100км:

rбЗ = H cos Uо π 180 = 1100 cos 40 π 180 = 1436км (9)

Расчетыпроведемисходяизвероятностибитовойошибки Pб = 10 6 ,котораясвязанасотношениемэнергиибита Eб кспектральнойплотности шума N0 известнымсоотношением,вытекающим изработыКотельникова[10]: Pб = 1 2 erf Eб N0 · 1 ρ 2 2,(10)

ПосколькусовсемималымиКАгруппировки постоянноимеетсясвязь,товпервомприближении можносчитать,чтодляуправлениямалымКАдостаточносеансовсбросаТМИ,аналогичныхсеансамсбросаТМИсКАнагеостационарнойорбите, тоестьтиповымсеансамсбросаТМИсоскоростью 8Кбит/спродолжительностьюпорядка20минут собщимобъемомТМИзасеанс8000 · 20 · 60 = = 9,6 106 бит.ПустьдляуправлениямалымКА всеансахзакладкиКПИнабортКАдостаточно передавать40Кбайт = 40000 8 = 320000битинформации.Допустимтакжедляначала,чтоавтономностьмалыхКАдопускаетпроведение1сеанса сбросаТМИизакладкиКПИвсутки,тоестьпередачи9,92Мбитинформациина1КА.Тогдавсе 640КАпотребуютпередачи9,92 640 = 6,349 × × 109 битинформации.Засуткиповнутриорбитальнойрадиолинииможнопередать1,87 · 106 · 24 · × × 60 60 = 1,616 1011 бит,чтов25,451разабольше объемаинформацииводномтиповомсеансесбросаТМИизакладкиКПИ.Такимобразом,управлениерассматриваемойгруппировкойиз640малых КАсорбитальнойконструкциейУолкера–Можаева вS-диапазонепотенциальноможетбытьорганизованопооднопунктнойсхемеуправления,причем автономностьмалыхКАгруппировкиможетбыть настолькомалой,чтодопустимопроводитьвсуткидо25типовыхсеансовсбросаТМИизакладки суточно.

Следуетотметить,чтоподробноерассмотрениесистемысовмещенныхвнутриорбитальных, межорбитальныхирадиолинийлинийсвязиборт–Землядляобменауправляющейицелевойинформациейприменительнокмногоспутниковымгруппировкамсвязиидистанционногозондирования Земливыходитзарамкиданнойработыитребуетдальнейшейпроработки.

Такимобразом,управлениегруппировкой из640малыхКАсорбитальнойконструкцией Уолкера–МожаевавS-диапазонеможетбытьорганизованопооднопунктнойсхемеуправления. ПриэтомавтономностьмалыхКАгруппировкимо-

Списоклитературы

1. КлюшниковВ Ю.Мини-спутникисобираются встаи.Независимаягазетаот21.01.2020.

2. СуровцевА.КакработаетStarlinkотИлонаМаска, самыйобсуждаемыйИнтернет2022года. https://www.iphones.ru/iNotes/kak-rabotaet-internetilona-maska(30апреля2022).

3.Началисьсборкаииспытанияпервогоспутника проекта«Сфера».https://www.roscosmos.ru/38040 (01.08.2022).

4. СтепановА А., АкимовА А., ГриценкоА А., ЧазовВ. В.Особенностипостроенияиэксплуатацииорбитальныхгруппировоксистемспутниковой связи.Специальныйвыпуск«Спутниковаясвязь ивещание-2016».С.72–87.

5. WalkerJ G.SomeCircularOrbitPatternsProvidingContinuousWholeEarthCoverage//JournaloftheBritishInterplanetarySociety,July1971, vol.24.P.369–384.

6. МожаевГ В.Синтезорбитальныхструктурспутниковыхсистем:(Теоретико-групповойподход). М.:Машиностроение,1989.C.303.

7. ГришмановскийВ А., СтепановВ С .Расчетдальности,временивидимостиКАиэнергетическиххарактеристикрадиолинийдляпередачителеметрическойинформации.Учебно-методическоепособиекпрактическимзанятиямпокурсу«Командно-измерительныйкомплексуправления».ВИКИ им.А.Ф.Можайского,1985.

8.Энергетическиехарактеристикикосмическихрадиолиний/Подред.О.А.Зенкевича.М.:Сов.радио, 1972.

9. ВоскресенскийД И ., ГостюхинВ Л ., МаксимовВ М., ПономаревЛ И .УстройстваСВЧиантенны/Подред.Д.И.Воскресенского.Изд.2-е, перераб.идоп.М.:Радиотехника,2006.376с. КотельниковВ А.Теорияпотенциальнойпомехоустойчивости.ГЭИ,1956.

А.Е.Тюлин, д.э.н.,к.т.н.,профессор,contact@spacecorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация Г.А.Ерохин, к.т.н.,contact@spacecorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация А.В.Павлов, pavlov_av@spacecorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация В.А.Горбунов, contact@spacecorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация А.А.Тюлькова, tyulkova_aa@spacecorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация О.Н.Смирнова, smirnova_on@spacecorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация Аннотация. Встатьеприводятсясведенияовозможныхметодахиматериалахдляиспользования3D-печативракетно-космическомприборостроении.Приводитсяоценкаэкономическихпоказателей3D-печативсравнениистрадиционнойтехнологией. Рассмотренытривозможныхнаправленияприменения3D-печати:макетирование(прототипирование),изготовлениеизделий, печатьвусловияхкосмическогопространства.Представленырезультатыинициативныхработпоизготовлениюэлементов радиоэлектроннойаппаратурыизметаллическихпорошковметодом3D-печати,проводимыхАО«Российскиекосмическиесистемы».Результатывыполненныхработпоказаликонкурентоспособностьнапечатанныхизделийинеобходимостьпроведения ихпостобработки.Указаныпроблемныевопросыприменения3D-печатиипредложеныпутиихрешения. Ключевыеслова: ракетно-космическоеприборостроение,радиоэлектроннаяаппаратура,3D-печать,аддитивноепроизводство, производствовкосмосе

TheUseof3DPrintingfortheManufacture ofRadioElectronicEquipmentElementsforSpaceApplication

A.E.Tyulin, Dr.Sci.(Econ.),Cand.Sci.(Engineering),Prof.,contact@spacecorp.ru JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

G.A.Erokhin, Cand.Sci.(Engineering),contact@spacecorp.ru JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

A.V.Pavlov, pavlov_av@spacecorp.ru JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

V.A.Gorbunov, contact@spacecorp.ru JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

A.A.Tyulkova, tyulkova_aa@spacecorp.ru JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

O.N.Smirnova, smirnova_on@spacecorp.ru

JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

Abstract. Thearticleprovidesinformationaboutpossiblemethodsandmaterialsfortheuseof3Dprintingintherocketandspace deviceindustry.Theeconomicperformanceof3Dprintingincomparisonwithtraditionaltechnologyisassessed.Threepossible applicationsof3Dprintingareconsidered:modeling(prototyping),productmanufacturingandspaceprinting.Thepaperpresents theresultsoftheinitiativeeffortsontheproductionofradioelectronicequipmentelementsfrommetalpowdersby3Dprinting carriedoutbyJointStockCompany“RussianSpaceSystems”.Theresultsoftheworkperformedshowedthecompetitiveness oftheprinteditemsandnecessityoftheirpost-processing.Theproblematicissuesof3Dprintingapplicationareindicatedandways tosolvethemareproposed.

Keywords: rocketandspacedeviceengineering,radioelectronicequipment,3Dprinting,additivemanufacturing,production inspace

Введение

Космическаяпромышленностьявляетсянаукоемкойотраслью,всвязисчемразвитиеракетно-космическогоприборостроения(РКП)нуждаетсявактивномосвоениипрогрессивныхпроизводственныхпроцессов,обеспечивающихиспользованиевсехпреимуществсовременныхцифровыхтехнологий,ккоторымотносится3D-печать.

Бортоваяиназемнаярадиоэлектроннаяаппаратура(РЭА)можетвключатьсоставныечастисложнойпространственнойконфигурации,которыеизготавливаютметодамимеханическойобработкизаготовоксприменениемсборочныхопераций(сварка,пайка,винтовыесоединения),чтоявляетсядлительнымитрудоемкимпроцессом,атакжевлияет наточность,чтоприводиткухудшениюхарактеристикизделий.Всвязисэтим3D-печатьобладает рядомключевыхдляданнойотраслидостоинств:

–уменьшениесебестоимостиизделийпопричинесокращенияпроизводственногоциклаинизкогорасходаматериалов;

–уникальностьполучаемыхизделийблагодаряновымвозможностямконструирования,появившимсязасчетснятиярядаограничений,вносимыхстандартнойтехнологией;

–гибкостьпроизводствавследствиевыпуска малыхпартийизделийсминимальнымизатратами временинапереналадку;

–повышениеэффективностипроизводства ввидуснижениязатратнасборочно-монтажные операциииупрощениявнутрицеховойлогистики;

–уменьшениетребованийкобеспечениюусловийпроизводства(величиныпоказателеймикроклимата,классычистотыпроизводственныхпомещенийит.п.);

–сокращениесроковразработкииизготовленияновыхизделийсодновременнымулучшением

Крометого,предполагается,чтовнедрение технологийтрехмернойпечатипозволитприбли-

ноготрудакэкологичному(«зеленому»)производствуспривлечениемвысокопрофессиональныхспециалистов.

Всвязистем,чтоврамкаходнойстатьи непредставляетсявозможнымрассмотретьвсеаспектыприменения3D-печатидляизготовления элементоврадиоэлектроннойаппаратуры,информациябудетподеленананесколькочастей.Каждаячастьбудетявлятьсясамостоятельнойстатьей, посвященнойопределеннойтемесприведениемрезультатовпрактическогоопытаАО«Российские космическиесистемы»иобъединеннойсостальнымиобщейтематикой.

Известныеметоды3D-печати иихклассификация

ВсоответствиисГОСТР57558всеметоды 3D-печатиразделеныпотипампроцессовна7категорий.Завремядействиянациональногостандартаколичестворазновидностейметодов3D-печатипревысилосотню,причембольшинствоизних копируетпринципформированияизделия,ноизменяетназвание.

ДляизготовлениядеталейРЭАизметаллов могутбытьпримененыметоды3D-печати,относящиесякдвумкатегориямпроцессов:

1)«синтезнаподложке»—селективноелазерноесплавление,СЛП(SelectiveLaserMelting, SLM);прямоелазерноеплавлениеметаллов, ПЛПМ(DirectMetalLaserMelting,DMLM);прямоелазерноеспеканиеметаллов,ПЛСМ(Direct MetalLaserSintering,DMLS);

2)«прямойподводэнергиииматериала»— непосредственноенанесениеметалла,ННМ(DirectMetalDeposition,DMD);проволочноеэлектронно-лучевоеаддитивноепроизводство,ПЭЛАП (Wire-feedElectron-BeamAdditiveManufacturing, EBAM);селективноеэлектронно-лучевоесплавление,СЭЛС(ElectronBeamMelting,EBM).

Наиболееперспективнымметодом3D-печати дляизготовлениядеталейРЭАизметаллических материалов,помнениюавторов,являетсяметод СЛП,посколькуприменяемыевданномметоде

ПРИМЕНЕНИЕ3D-ПЕЧАТИДЛЯИЗГОТОВЛЕНИЯЭЛЕМЕНТОВ79

цитными,атакжепотому,чтоданныйметодпозволяетполучитьдеталиснаибольшейточностьюразмеровинаименьшейшероховатостьюповерхности посравнениюсдругимиметодами3D-печати. ВданномметодеCAD-модельизделияразбивается наслоиот30до100мкм,наплатформупостроениянаноситсяслойпорошка,затемлазерныйлуч, сфокусированныйнаслоепорошка,расплавляетего частицы,которыеприпоследующейкристаллизации формируюттвердуюмассу,всоответствиисгеометриейтекущегосеченияизделия.Процесспроисходитдотехпор,поканебудутизготовленывсеслои изделия[1].Врусскоязычнойтехническойлитературеможновстретитьтакиеназванияописанного метода,каквыборочноелазерноесплавление,селективноелазерноеплавление,выборочнаялазернаяплавка;ванглоязычной—L-PBF(LaserPowder BedFusion),LBM(LaserBeamMelting).

ДляизготовлениядеталейРЭАизполимерныхматериаловмогутбытьпримененыметоды 3D-печати,относящиесякдвумкатегориямпроцессов:

1)«экструзияматериала»—послойноеналожениефиламента,ПНФ(FusedDepositionModeling,FDM);

2)«фотополимеризациявванне»—лазерная стереография,ЛС(Stereolithography,SLA).

Наиболееперспективнымметодом3D-печати дляизготовлениядеталейРЭАизполимерныхматериалов,помнениюавторов,являетсяметодПНФ, таккакприменяемыевданномметоде3D-печатифиламентыобладаютширокимдиапазономхарактеристик,производятсянесколькимироссийскимикомпаниями,неявляютсядефицитными,атакже потомучтоданныйметодявляетсясамымпростым вреализацииинаиболееизученнымпосравнению сдругимиметодами3D-печатиполимернымиматериалами.Данныйметодпредставляетсобойсоединениепоследовательноналоженныхслоевразогретогодовязкотекучегосостоянияфиламента (сырьевогоматериалаввиденити),которыйпослойноподаетсячерезсоплопринагревевсоответствиисуправляющейпрограммой3D-принтера[2]. Врусскоязычнойтехническойлитературеможно встретитьтакиеназванияописанногометода,как послойноеналожениефиламента,послойныйсинтез,послойнаяукладкаполимера;ванглоязыч-

ной—FFF(FusedFilamentFabrication),FLM (FusedLayerModeling/Manufacturing),PJP(PlasticJetPrinting).

Дляизготовленияпечатныхплат(ПП),т.е.изделий,требующихпечатинесколькимифункциональнымиматериалами,могутбытьпримененыметодыдвухкатегорийпроцессов:

1)«экструзияматериала»—ПНФ,прямоенанесениематериала(DirectInkWriting,DIW);

2)«струйноенанесениематериала»—аэрозольноенанесениематериала(AerosolJetPrinting, AJP),капельноенанесениематериала(DroponDemand,DOD).

Подробнеекаждыйизметодовиособенность егоприменениядляизготовленияППописанывсоответствующихстатьяхизцикла[3].ВвидусуществующейвозможностисозданияПП5классаточностинаиболееперспективным,помнениюавторов, являетсяметодкапельногонанесенияматериала.

Расходныематериалы иоборудование

Указанныевпредыдущемразделеметодыотличаютсянетолькоповозможностиобеспеченияпараметровизделия,ноипоприменяемымматериалам. ДляизготовлениядеталейРЭАизметалла наибольшийинтереспредставляет3D-печатьцветнымисплавами.Наиболееприменяемымив3D-печатиявляютсяалюминиевыйсплавAlSi10MgититановыйсплавTi6Al4V,аперспективными—алюминиевыесплавыссодержаниемредкоземельных металлов,разрабатываемыевнастоящеевремякак вРоссии,такизарубежомиимеющиемеханическиехарактеристики,неуступающиетитановымсплавам.Полуфабрикатуказанныхрасходных материаловможетиметьвидпорошка(дляСЛП, ННМ),пруткаилипроволоки(дляПЭЛАП).

Средиполимерныхматериаловнаибольший интереспредставляютвысокотемпературныеполимеры,такиекакполиэфирэфиркетон(PEEK)иполиэфиримид(PEI).Кперспективнымможноотнестиматериалы,всоставкоторыхвходитуглеилистекловолокно.Полуфабрикатуказанныхрасходныхматериаловможетиметьвидпорошка (дляСЛС)илифиламента(дляПНФ).

ДляизготовленияППпометодам,относящимсяккатегориипроцессов«струйнаяпечать», обычноприменяютсячерниларазличнойвязкости (варьируетсявзависимостиотметода).Дляформированияэлементовпроводящегорисункаобычноприменяютматериалы,всоставкоторыхвходит сереброилиграфен(реже),длядиэлектрических элементов—специальноразработанныесоставы иликерамосодержащиематериалы.Дляреализациинекоторыхметодовтребуетсяналичиеподложки(например,стеклотекстолитаFR).

РасходныематериалыдляизготовлениядеталейРЭАизметалловилипластиковпроизводят каквРоссии,такизарубежом;дляизготовления ПП—заграницей.Стоитотметить,чтостоимость материаловдля3D-печатиможетдо20разпревышатьценуматериаловдлятрадиционныхтехнологий.

ДляизготовлениядеталейРЭАизметаллов илипластиковприменяютпромышленные3D-принтеры,стоимостькоторыхзависитотразмераобластипостроенияизделия,методапечатиидополнительныхопций.3D-принтерыдляпечатиметаллами илипластикамипроизводяткаквРоссии,такиза рубежом.ДляизготовленияППсуществуетспециализированноеоборудованиеиностранныхпроизводителей,имеющеепрограммноеобеспечение,разработанноедлянуждэлектроники.

Однакодляобеспечениятребований,предъявляемыхкаппаратуреРКТ,одного3D-принтера недостаточно.ДляэлементовРЭАизметаллов илипластиковнеобходимучастокпостобработки, адляПП—вакуумнаяпечьилисушильныйшкаф (нередкотребуетсядляулучшенияпроводимости печатныхпроводников). 3D-печати факторы,каквремяизготовленияизатратынарас-

элементов,накоторыхстроятсясложнопрофильныеизделияснависающимиповерхностями,внутреннимиполостямиилитонкимистенками,которыеотделяютсяотизделияпослезавершенияпостроения.Поддержкинужнынетолькодлятого, чтобыпредотвратитьперекосизделиявовремяпечати,ноивнекоторыхслучаяхдляобеспечения теплоотвода(актуальнодляизделий,изготавливаемыхметодомСЛП).Объемподдержеквзависимостиотконфигурацииизделияможетсоставлять от2до50%общегообъемапечати,что,всвою очередь,оказываетзначительноевлияниенаконечнуюстоимостьизделия.

Былиразработанытримоделиволноводного фильтраX-диапазона(ВФХд).Длякаждоймодели разработанкомплектконструкторскойдокументации(КД),ориентированныйнаизготовлениефильтрасприменениемтрадиционныхтехнологий(ТТ) механическойобработки,икомплектКД,ориентированныйнаизготовлениефильтраметодом3D-печати(3D).

Длякаждоймоделиволноводногофильтра итехнологииизготовленияпроведенаоценкастоимостиисроковизготовления(табл.1).

Изтаблицыследует,чтоизготовлениедеталей РЭАметодом3D-печатизаняломеньшееколичествовремениипотребоваломеньшегоколичества операцийпосравнениюсизготовлениемдеталей потрадиционнымтехнологиям.

Макетирование(прототипирование)

Примодернизацииилисозданииновогоизделияуразработчикаможетвозникнутьнескольковариантовбудущейконструкции,которыеаналитически(спомощьюмоделированиявпрограммнойсреде)прошлипроверкунавыполнениезаложенных требований.Втакойситуациидлявыборанаиболее оптимальноговариантаприходитсяприбегатькмакетированию(прототипированию)изделия.Восновноммакеты(прототипы)применяютсядлядемонстрациикачестваполученныхконструкторских решенийпривыполненииопытно-конструкторских работ,новозможныидругиеприменения.Например,прототипыкорпусов,кронштейновиэлементов системпередачивысокочастотныхисверхвысокоча-

Таблица1.Сравнениетехнологийизготовленияизделийизметаллов

Параметрсравнения

Габаритные размеры прототипа, длина × × ширина × × высота,мм

Суммарный объем материала прототипа иподдержек для3D-печати, см3

Сроки изготовления,ч

Себестоимость изготовления, тыс.руб.

Конструкционная сложность

Типтехнологии 3D ТТ 3D ТТ

ВФХд 130 × 48 × 48 79,6 19 168 50 250 1деталь 1операция 15деталей 7операций

ВФХдсподавлением второйполосы пропускания 69,4 × 48 × 60,9 41,7 12 252 27 ∼400 1деталь 1операция 13деталей 9операций

ВФХдсширокой полосойзаграждения × × 156,3 600

стотных(ВЧ-иСВЧ-)сигналовпозволяютпроверитьтехнологичностьконструкцииисобираемость изделия,апрототипПП—найтиошибкивсхеме. Отработкановыхконструкторскихрешений, производимаяприразработкеилимодернизации деталейРЭА,занимаетбольшоеколичествовремени,приэтомвозникаютзатрудненияприизготовленииобразцовновыхизделийнапроизводстве всвязисосложностьювзакупкенебольшогоколичестваматериаловтребуемогосортамента,загрузкойпроизводственныхмощностейприизготовленииосновнойпродукции.

Применение3D-печатидляизготовленияэлементовРЭАможетрешитьданныепроблемыпри условиитщательнойотработкитехнологии.

3D-печатьдляизготовления деталейРЭАкосмического применения

ОсобенностьюдеталейРЭАявляютсяограни-

1деталь 1операция 25деталей 18операций

ишероховатостиповерхности(точностьразмеров от0,02до0,1мм,допускирасположенияповерхностей—от0,02мм,шероховатостьповерхностей отRa0,8мкмдоRa6,3мкм).

Зарубежомпроведенрядисследований,посвященныхоценкевозможностиприменения3D-печатидляизготовлениядеталейРЭА.Сведения онекоторыхуспешносозданныхдеталяхизметаллическихматериаловимногокомпонентныхсплавовпредставленывтабл.2,деталяхизнеметаллическихматериалов—втабл.3.

Измеренныевработах[4,17,20]характеристикидеталейРЭА(коэффициентотражения,потери призаданнойчастоте)хорошосогласуютсясих расчетнымизначениями,чтопозволяетиспользоватьметод3D-печатидляизготовлениясоответствующихизделий.

ВРоссиитакжепроводятсяисследования вданномнаправлении.Например,Ю.П.Борщев идр.[31]недавноопубликовалиданныеобизготовлениипрототиповэлементовантенно-фидерных устройствизалюминиевогосплаваAlSi10Mgпо технологииСЛП:коническойспиральнойантенны иволноводныхпереходов. ленияметодомСЛПволноводногоразветвителя, кронштейна,фильтров,корпусовсканаламиохлажденияирупорныхантенн.

Таблица2.ПримерыдеталейРЭАизметаллов,созданныхзарубежом

Изделие Метод3D-печати

Материал Источник Волноводы

ПЛСМ Нержавеющаясталь316L [4] СЛП Алюминиевыепорошки [5]

Линияпередачи СЛП AlSi10Mg [6] Корпусспутника СЛП AlSi10Mg [7] Кронштейнотражателя СЛП Титановыйсплав [8]

СЭЛС [9]

Рупорныеантенны

СЛП AlSi10Mg [10,11] Рупорнаяантенна споляризатором

ПЛСМ AlSi10Mg [12]

СЛП AlSi10Mg [11] Теплообменники

Поляризаторы

СЛП Титановыеиникелевыесплавы [4] Фильтры

СЛП AlSi10Mg [5,8,11,13]

СЛП Scalmalloy [14]

СЛС Сталь17-4РН [15]

Волноводныефильтры

Щелевыеантенны

СЛП Алюминиевыесплавы,никелевыебронзы спокрытиемсеребромилиникелем [16]

ПЛПМ ALSi9 [17] ПЛСМ AlSi10Mg [18]

СЛП AlSi10Mg [19]

Антенны СЛП,ННМ,ПЭЛАП Алюминиевыесплавы [5]

Антеннаярешетка ПЛСМ AlSi10Mg [20] Резонаторы СЛП Алюминиевыепорошки [5]

Преобразователи СЛП Алюминиевыесплавы,никелевыебронзы спокрытиемсеребромилиникелем

металлами.Н.А.Глушкоссоавторами[34]продемонстрироваливозможностьизготовлениякорпусаспутникаархитектурыCubeSatизкомпозитногоматериала(углепластика)сприменениемзапатентованнойтехнологиикомпозитногосоэкструзионногонаплавлениянитей(CompositeFilament Co-extrusion,CFC).Причемсообщается,чтомассаизготовленногокорпусабыламеньшена34% всравнениисалюминиевыманалогом,изготовленнымпотрадиционнойтехнологии[34].

ПРИМЕНЕНИЕ3D-ПЕЧАТИДЛЯИЗГОТОВЛЕНИЯЭЛЕМЕНТОВ83

Таблица3.ПримерыдеталейРЭАизнеметаллическихматериалов,созданныхзарубежом

Изделие

Метод 3D-печати Материал

Волноводы

Волноводныефильтры

Фильтр

Волноводнаящелевая

антенна

Рупорнаяантенна

Антенны

Управляемаяфазированнаяантеннаярешетка

Рупорныеоблучатели

Источник

ПНФ Полимерныесмолы [5]

ПНФ

ПНФ

ABS,покрытие—химическийникель(3мкм) игальваническаямедь(27мкм) [21]

ABS,покрытие—серебряныечернила [22]

ПНФ PLAспокрытием [23]

ЛС

ЛС

ЛС

3DSсветоотверждаемаяакриловаясмола ссеребрянымичернилами [24]

AccuraXtremeResin,покрытие—химическийникель (3мкм)игальваническаямедь(27мкм) [21]

Полимерысрисункомпроводящимичернилами илихимическимпокрытием [16]

ПНФ ABS,покрытие—серебряныечернила [25]

ЛС Резина,наполненнаякерамикой(SmosPerForm), покрытие—медь(10мкм) [26]

ЛС 3DSсветоотверждаемаяакриловаясмола,покрытие— серебряныечернила [24]

ПНФ

ABS,покрытие—медныелибосеребряныечернила [25,27,28]

ЛС Полимерныесмолы [5]

ПНФ

ABS,покрытие—медныепроводящиечернила игальваническаямедь [29]

ПНФ Полимеры(ABS,PLA)срисункомпроводящимичернилами [16]

ПНФ PLA,покрытие—гальваническаямедь(20мкм) [30]

ЛС Полимерысрисунком,выполненнымпроводящими черниламиилихимическимпокрытием Полимеры(ABS,PLA)срисункомпроводящимичернилами [16]

Дляреализациипроцессапечатибылвыбран методСЛП.ВкачестверасходногоматериалаприменялсяпорошокалюминиевогосплаваAlSi10Mg. Послеизготовлениябылипроведеныконтрольныеизмерения,частьрезультатовкоторыхпредставленавтабл.4.Несоответствиеполученных значенийтребованиямКДсвидетельствуетонеобходимостипостобработкинапечатанныхизделий.

ИзмеренныеэлектрическиехарактеристикимакетныхобразцовВФХд,ВФХдсподавлениемвторойполосыпропускания,ВФХдсширокойполосой Таблица4.Значениенекоторыхпараметровизготовленныхволноводов

задержания,работающихпричастоте8,2ГГциизготовленныхметодом3D-печати,хорошосогласуютсясрезультатами,полученнымивсистемеэлектродинамическогомоделирования.

РезультатыизмеренийимоделированияхарактеристикмакетногообразцаВФХдпредставлены втабл.5.

УмакетногообразцаВФХдсподавлением второйполосыпропусканиябылиобнаруженыпаразитныеполосыпропускания,которыененаблюдалисьврасчетноймодели,чтообъясняется прохождениемвысшихтиповколебаний(моды), Таблица5.Значениеэлектрическиххарактеристик макетногообразцаВФХд

ПРИМЕНЕНИЕ3D-ПЕЧАТИДЛЯИЗГОТОВЛЕНИЯЭЛЕМЕНТОВ85

вызванныхналичиемкоаксиально-волновогоперехода(КВП).Дляулучшенияхарактеристикнеобходимопровестидоработкурезонаторов.

ХарактеристикиВФХдсширокойполосойзадержаниясоставилиследующиезначения:коэффициентстоячейволны(КСВ)неболее2,потери неболее 0,5;однакобыловыявленосмещениеполосыпропусканияна30–50МГц.Такимобразом, былоустановлено,чтодляпопаданияврасчетную характеристикутребуетсяотработкарежимовпечати(например,скоростипостроенияизделияит.д.) иуточнениеисходныхразмеровэлементовмодели сучетомособенностейтехнологиипечати.

Дальнейшиминаправлениямиисследований являютсяминимизацияпотерьвполосепропусканиясигналазасчетуменьшенияшероховатости иувеличенияэлектрическойпроводимостивнутреннихповерхностей,проработкановыхконструкцийфильтров.

ВрезультатепроделаннойинициативнойработыспециалистыАО«Российскиекосмическиесистемы»выявили,чтохарактеристикипрототипов деталей,изготовленныхметодом3D-печати,незначительноуступаютхарактеристикамдеталей,изготовленныхтрадиционнымиметодами.Предполагается,чтоэтосвязаносотсутствиемпроведения операцийпостобработкиинанесенияСВЧ-покрытия.ПолученныехарактеристикимакетногообразцаВФХдпоказаливозможностьегоприменения вприемнойаппаратуреипередающейаппаратуре малоймощности(10–20Вт).

3D-печать

вкосмическомпространстве

Зарубежомработыпоисследованиювозможностейприменениятрехмернойпечативкосмосеведутсяс1993г.Национальнымуправлениемпоаэронавтикеиисследованиюкосмического пространства(КП)—NASA(NationalAeronauticsandSpaceAdministration).В1999г.К.Купер(K.Cooper),тестируя3D-принтер,работающий вгоризонтальномположениипометодуПНФ,обнаружил,чтотехнология,основаннаянаэкструзии, можетработатьбезгравитации,действующейвтипичномнаправлении[35].Вболеепозднихиссле-

дованияхонсовместносМ.Гриффином(M.Griffin)продемонстрировалработоспособностьданной технологиивусловияхмикрогравитациивходесериипараболическихполетов[36].М.П.Снайдер (M.P.Snyder)ссоавт.[35]провелипохожиеисследованиявусловияхмоделированиямикрогравитациииподтвердилирезультатыработы[36],атакжеопределили,чтодляобеспеченияработоспособностикоммерческих3D-принтероввданныхусловияхнеобходимопровестинекоторыемодификации ихконструкции.

Наоснованииданныхисследованийв2014г. NASAсовместносамериканскойкорпорацией «MadeinSpace»(MIS)разработал3D-принтердля реализациипрограммы«3DPrintinginZero-G» («3D-печатьвневесомости»).Тестируемоеоборудование,включающеевсебя3D-принтер(методпечати—ПНФ,рабочаяобласть600 × 1200 × 600мм, расходныйматериал—пластикакрилонитрил-бутадиен-стирол[АБС][37]),иблокэлектроникибылиразмещенывперчаточномящикедляисследованийвусловияхмикрогравитациинаМКС.Полученныерезультатыбылиопубликованывстатьях [38–41].Проанализировавданные,исследователи [37,42]пришликвыводу,чтомикрогравитация неоказываетсущественноговлияниянамеханическиеитеплофизическиесвойстваобразцов,изготовленныхнаМКС,посравнениюсобразцами, изготовленныминаЗемле.

НаиболееприемлемымдляизготовленияизделийвкосмосеНАСАопределилотакиематериалы,какАБС-плаcтикиполиэфиримидUltem 9085[43].Наосноведанных,полученныхвходе численногомоделированияпроцесса3D-печати, теоретическаявозможностьизготовленияизделий изполиэфиримидаметодомПНФвусловияхкосмическоговакуумабылаподтвержденаВ.А.Беспаловымссоавт.[44].

Крометого,сейчаснекоторыезарубежныеисследованиянаправленынаоценкувозможностей применениядругихметодов3D-печативусловияхмикрогравитации.Например,В.Ли(W.Li) ссоавт.[45]наосновеанализарабочихпринциповметодапрямогонанесенияматериалапредположиливозможностьреализациипроцессавусловияхКПзасчетрегулировкисмачиваемостисоплаиподложки.А.Зокка(A.Zocca)ссоавт.[46]

предложиливариантреализацииметодаСЛП вусловияхКПзасчетвведениягазовогопотокадляимитациигравитациииудержанияпорошка врабочейзонеиособойконструкцииустройстваподачипорошкадлянанесенияновогослоя.Сообщается,чторазработаннаяконструкция3D-принтера успешнопрошлаиспытаниявходесериипараболическихполетов.

Проблемныевопросыприменения технологии3D-печати всозданиирадиоэлектронной космическойаппаратуры

Всвязистем,что3D-печатьявляетсяновой технологией,существуетрядперспективныхнаправленийдеятельности,ориентированныхнаприобретениеновыхзнанийиопыта,улучшениехарактеристикизделийиускорениевнедрения3D-печатинапредприятияхРКП.

Длятогочтобыподтвердитьцелесообразность применениятехнологии3D-печатинапредприятияхРКП,необходимопровестисравнительныеиспытанияизделий,изготовленныхпотехнологии 3D-печати,сизделиями,изготавливаемымипотрадиционнымтехнологиям.

Сцельюприменения3D-печативкачестве технологиипрототипированиянеобходиморазработатьметодикупересчетарезультатовиспытаний прототиповнасоответствиезаданнымвтехническомзаданиинаизделиетребованиям,поскольку результатыиспытанийпрототиповнегарантируют получениетакихжерезультатовдляизготовленногопотрадиционнойтехнологииизделия.

Шероховатостьповерхностиизделий,полученныхметодом3D-печати,существеннобольшешероховатостиповерхностиизделийРЭА,которая требуетсяпоконструкторскойдокументации,что можетвлиятьнахарактеристикиизделий.Однако, какследуетизрассмотренныхисточниковипроведенныхавторамиисследований,функциональные характеристикиСВЧ-фильтров,полученныхметодом3D-печатибезпостобработки,дляХ-диапазоначастотиниже,незначительноуступаютха-

рактеристикамСВЧ-фильтров,изготовленныхтрадиционнымиметодами.

Сростомрабочейчастотышероховатостьповерхностивсеболеесущественновлияетнахарактеристикиизделия.Сучетомтого,чтовРКТначинаетсямассовоеосвоениеКа-,V-иQ-диапазонов частот,задачауменьшенияшероховатостиповерхностиизделий,изготовленныхметодом3D-печати, становитсявсеболееактуальной.

Такимобразом,сцельюповышенияфункциональныххарактеристикизделий,полученныхметодом3D-печати,атакжедляобеспечениявозможностимакетированияизделийРЭАнеобходимо определитьметодыиотработатьтехнологические режимыпостобработки.

Крометого,дляпереходакпечативкосмическомпространстветребуетсяосвоениетехнологий 3D-печатинаЗемле.

Всвязистем,чтосуществующаянормативно-техническаядокументация(НТД)охватывает небольшоеколичествоспособов3D-печатииприменяемыхматериаловипоканеобеспечиваетрешениеотраслевыхзадач,длявнедренияилегитимногоприменениятехнологии3D-печатинапредприятияхРКПнеобходимаразработкаНТД,котораяописываеттиповыетехнологическиепроцессыизготовленияизделий;перечниконтролируемых характеристикматериаловдоипосле3D-печати иметодыихконтроля;перечнивозможныхдефектовизделий;правилапроектированияикритерииприемкиизделий;атакженеобходимыограничительныеперечниматериалов,рекомендованных кприменениювсоставеизделий.

Подобноестремительноеразвитие3D-печати должносопровождатьсякорректировкойиактуализациейНТД.Несмотрянато,чтобольшинстводействующихстандартовносятобщийхарактер,внихиногдасодержатсяуженеактуальныеданные.Например,применяемаятерминология,заимствованнаяизиностранныхстандартов идословнопереведенная,неучитываеттерминологию,принятуювстандартахРоссийскойФедерации,чтохорошовиднопоиспользованиювдругомзначениитерминов«аддитивныйпроцессизготовленияПП»(ГОСТР53386)и«аддитивная печать»(ГОСТISO/TS80004-8).Другимпримеромявляетсявесьмаупрощеннаяклассификация,

ПРИМЕНЕНИЕ3D-ПЕЧАТИДЛЯИЗГОТОВЛЕНИЯЭЛЕМЕНТОВ87

приведеннаявГОСТР57589,котораянепозволяетотличитьметоды-аналогиотметодов,использующихновыепринципыформированияслоев.

3D-печатьдляизготовления

космическихаппаратов

Спроснауслугикосмическойсвязи,вещания, передачиданных,навигации,мониторингаЗемли иатмосферыврежимереальноговременипостояннорастет,анаорбите,несчитаягруппировки StarlinkиOneWeb,нетакмногопохожихдруг надругаКА.Снижениестоимостииувеличение объемаперечисленныхуслуг,атакжеповышение оперативностисозданиякосмическихсистем(КС) возможноприусловиипереходаракетно-космическойиндустрииотединичногоиопытно-серийного производстваКАиКСкихмелкосерийномупроизводству.Дляэтихцелейбудутактивноиспользоватькластерымалоразмерных(микро-,нано-, пико-)спутников[47].

Крометого,снижениестоимостисозданияКА можетбытьдостигнутопутемпримененияновыхтехнологий(робототехники,3D-печати,«индустриальногоинтернета»)[48].Ужесейчаснекоторыекомпании—производителиспутников(например,ThalesAlania,Boeing,MadeinSpace,Airbus[49,50])активновнедряют3D-печатьвсвои технологическиепроцессыискаждымгодомувеличиваютколичествонапечатанныхдеталейвсвоихизделиях.

Однимизтекущихобщепризнанныхтрендов являетсясозданиемегагруппировокКА(например, глобальныйИнтернетStarlinkкомпанииSpaceX илиOneWebодноименнойкорпорации,глобальное оперативноенаблюдениекомпанииPlanet),насчитывающихужесотни,авперспективеитысячи объектов.Такаятенденциясвязанастем,чтосповышениемпотенциалаКСвозрастаетигенерируемаяценностьзаказываемыхуслуг[51].

Созданиеподобныхсистемтребуетприменения стандартных(унифицированных)конструкцийспутников,изготовлениекоторыхбудетдешевымимассовым.Вотношениимассовогопроизводствавнедрение3D-печатиможетиметьопределенныеплюсы, связанныесвозможностьюприменениябиониче-

скогодизайнаиотсутствиемсборочныхопераций. Крометого,вслучаепримененияметодов3D-печати,вкоторыхрасходныйматериалразмещаетсяврезервуаре(например,СЛП),мультипликация изделийврабочемполе3D-принтераснизитколичествонеобходимыхподдержек,азначит,уменьшитконечнуюстоимостьнапечатанногоизделия. Однакодляметодов3D-печати,вкоторыхрасходныйматериалподаетсячерезсоплоилиспециальныйвнешниймеханизм,можетвозникнуть экономическийбарьер,обусловленныйнизкойпроизводительностью3D-принтераивысокойстоимостьюсырья.

Стоитотметить,чтовотсутствиеНТДдля применения3D-печативпроизводстведлякаждогоизделиятребуетсяразрабатыватьиутверждать программыиметодикииспытаний,врезультате чегоувеличитсявремяистоимостьизготовления. Заключение

3D-печатьможетоказатьключевоевлияниена развитиекосмическойотрасли,таккакпредоставляетновыевозможностиприизготовленииизделий РКТ.Ужесейчасонанаходитсвоеприменениепри изготовленииизделийРЭА,такихкакволноводы различнойконфигурации,элементыантеннойтехники,СВЧ-фильтры,корпусаприборов,печатные платыидругие.

Опытприменения3D-печативАО«Российские космическиесистемы»показывает,чтоизделия, изготовленныеметодами3D-печати,могутконкурироватьсизделиями,изготовленнымипотрадиционнымтехнологиям.Результатыпроведенных исследованийпоказалинеобходимостьпроведения постобработкиизделий,изготовленныхметодом 3D-печати.

Предполагается,чтодальнейшееразвитие 3D-печатибудетсопряженоспроведениемряданаучно-исследовательскихиопытно-технологических работ,врезультатепроведениякоторыхбудетразработананеобходимаяНТД.

Списоклитературы

1. ЧемодуровА Н .Применениеаддитивныхтехнологийвпроизводствеизделиймашиностроения// ИзвестияТулГУ.Техническиенауки,2016,вып.8, ч.2.С.210–217.

2.ГОСТР59100-2020.Пластмассы.Филаментыдля аддитивныхтехнологий.Общиетехническиетребования.М.:Стандартинформ,2020.С.12.

3. СмирноваО Н ., БоброваЮ С ., МоисеевК М Анализметодов3D-печатидляизготовленияпечатныхплат:Общиеположения.Часть1//Технологиивэлектроннойпромышленности,2020,№8. С.20–25.

4. HolmbergM.OnsurfacelossesinDirectMetalLaserSinteringprintedmillimeterandsubmillimeter waveguides/Dr.Dancila,A.Rydberg,B.Hjorvarsson,U.Jansson,J.J.Marattukalam,N.Johansson, J.Andersson//JournalofInfrared,Millimeterand TerahertzWaves,2018,№39.P.535–545.

5. LiuG.Additivemanufacturingofstructuralmaterials/ X.Zhang,X.Chen,Y.He,L.Cheng,M.Huo,J.Yin, F.Hao,S.Chen,P.Wang,S.Yi,L.Wan,Z.Mao, Z.Chen,X.Wang,Z.Cao,J.Lu//MaterialsScience andEngineering:R:Reports,2021,vol.145.67c.

6. AddamoG.3DPrintingofamonolithicK/Ka-band dual-circularpolarizationantenna-feedingnetwork/ M.Lumia,Fl.Calignano,F.Paonessa,G.Virone, D.Manfredi,L.Iuliano,O.A.Peverini//IEEEAccess.2021,vol.9.P.88243-88255.

7. BecedasJ ., CaparrуsA.Additivemanufacturingappliedtothedesignofsmallsatellitestructurefor spacedebrisreduction//ApplicationsofDesign forManufacturingandAssembly.Chapter5.London: IntechOpen,2018.P.59–76.

8. Blakey-MilnerB.Metaladditivemanufacturingin aerospace:Areview/P.Gradl,Gl.Snedden, M.Brooks,J.Pitot,E.Lope,M.Leary,F.Berto, A.Plessis//Materials&Design,2021,vol.209. 110008.

9. GarciaC R.Effectsofextremesurfaceroughnesson 3Dprintedhornantenna/R.C.Rumpf,H.H.Tsang, J.H.Barton//Electronicsletters,2013,vol.49(12). P.734–736.

10. AddamoG.3DPrintingofhigh-performancefeed hornsfromKutoVbands/O.A.Peverini,Fl.CalignanoD.Manfredi,F.Paonessa,G.Virone,G.Dassano//IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,2018,vol.17.P.2036–2040.

11. AddamoG.Integrationofmicrowavecomponents throughSelectiveLaserMelting/M.Lumia,Fl.Calignano,G.Virone,D.Manfredi,O.A.Peverini//InternationalConferenceonElectromagneticsinAdvanced Applications(ICEAA),2019.P. 1356–1358.

12. KotzeK., GilmoreJ .SLM3D-PrintedhornantennaforsatellitecommunicationsatX-band// 2019IEEE-APSTopicalConferenceonAntennasand PropagationinWirelessCommunications(APWC) (Granada,9–13September,2019),2019.P.148–153.

13.FirstAir-WorthyMetal3DPrintedRFFilterReady forTake-Off.https://www.3dsystems.com/customerstories/firstair-worthy-metal-printed-rf-filter-readytake(Датаобращения01.03.2022).

14. BoothP., LluchE V .Enhancingtheperformance ofwaveguidefiltersusingadditivemanufacturing// ProceedingsoftheIEEE,2017,vol.105.P.613–619.

15. SalekM.3-Dprintedmicrowaveandterahertzpassivecomponents:dissertationforthedegreeofdoctorofphilosophy.TheUniversityofBirmingham. June2019.P.189.https://core.ac.uk/download/pdf/ 341793525.pdf(Датаобращения01.03.2022).

16. AddamoG.AdditiveManufacturingofWaveguide Low-passFiltersbySelectiveLaserMelting:Lessons Learned//46thEuropeanMicrowaveConference, 2016.P.53–67.https://intranet.birmingham.ac.uk/ ac.uk/eps/documents/public/emuw2/WM03.pdf (Датаобращения01.03.2022).

17. SabriM W ., MuradN A., RahimM K A.Highly directive3D-printeddual-beamwaveguideslotted antennasformillimeter-waveapplications//Microwaveandopticaltechnologyletters,2019.P.1–8.

18. Guennou-MartinA etal.Designandmanufacturingofa3-DconformalslottedwaveguideantennaarrayinKu-bandbasedonDirectMetalLaser Sintering//2016IEEEConferenceonAntennaMeasurements&Applications(CAMA),2016.P.1–4. DOI:10.1109/CAMA.2016.7815802.

19. ByersK., BrownL.Additivemanufactured60GHz slotarrayantenna//2018IEEEInternationalSymposiumonAntennasandPropagation&USNC/URSI NationalRadioScienceMeeting(Boston,8–13July, 2018),2018.P.1877–1878.

20. HuangG -L.Fabricationofahigh-efficiencywaveguideantennaarrayviaDirectMetalLaserSintering/ S.-G.Zhou,T.-H.Chio,T.-S.Yeo//IEEEantennasandwirelesspropagationletters,2016,vol.15. P.622–625.

21. VenanzoniG., DionigiM., TomassoniC., SorrentinoR.DesignofaCompact3DPrintedCoaxialFilter//48thEuropeanMicrowaveConference(EuMC), 2018.P.280–283.

22. KhanS., VahabisaniN ., DaneshmandM.AFully 3-DPrintedWaveguideandItsApplicationasMicrofluidicallyControlledWaveguideSwitch//IEEE Transactionsoncomponents,packagingandmanufacturingtechnology,2016,vol.7.P.70–80.

23. ChanK Y ., RamerR., SorrentinoR.Low-costKubandwaveguidedevicesusing3-DPrintingandliquid metalfilling//IEEETransactionsonMicrowave TheoryandTechniques,2018,vol.66.P.3993–4001.

24. McKerricherG., NafeA., ShamimA.Lightweight3D PrintedMicrowaveWaveguidesandWaveguideSlot Antenna//2015IEEEInternationalSymposiumon AntennasandPropagation&USNC/URSINational RadioScienceMeeting,2015.P.1322–1323.DOI: 10.1109/APS.2015.7305050

25. PerigaudA.3Dprintingofmicrowavepassivecomponentsbydifferentadditivemanufacturingtechnologies/S.Bila,O.Tantot,N.Delhote,S.Verdeyme// 2015IEEEInternationalSymposiumonAntennasand Propagation&USNC/URSINationalRadioScience Meeting(19–24July,2015),2015.P.1322–1323.

26. ShangX ., GuoCh., LancasterM J .3-DPrintedCircuitsforRFandMicrowaveApplications. https://www.armms.org/media/uploads/13_shang_ 3-d-printed-circuits-for-rf-and-microwave.pdf(Дата обращения01.03.2022).

27. YaoH .Kaband3DPrintedhornantennas/Sh.Sharma,R.Henderson,S.Ashrafi,D.MacFarlane//2017 TexasSymposiumonWirelessandMicrowaveCircuitsandSystems(WMCS),2017.P.1–4.

28. YaoH ., FangL., HendersonR.Evaluatingconductive paintperformanceon3-DprintedhornAntennas// 2018IEEERadioandWirelessSymposium(RWS), 2018.P.191–193.

29. NaushahiSh H ., RasilainenK., ViikariV .RealizationofRFIDTagAntennawith3DPrintingTechnology//201610thEuropeanConferenceonAntennasandPropagatiob(EuCAP),2016.P.1–4.

30. ShinS -H .Polymer-based3-DPrintedKu-bandsteerablephased-arrayantennasubsystem/D.Alyasiri, M.D’Auria,W.J.Otter,C.W.Myant,D.Stokes, Z.Tian,N.M.Ridler,S.Lucyszyn//IEEEAccess, 2019,vol.7.P.106662–106673.

31. БорщевЮ П .Применениеметода3D-печатиприизготовленииэлементовантенно-фидерныхустройств космическихаппаратов/А.И.Ананьев,И.В.Камышанов,Е.Н.Телеляев//Инженерныйжурнал: наукаиинновации,2020,№9(105).С.14.

32. НисанА.3D-печатьалюминиевымсплавомврадиоэлектронике:опытоптимизации,перепроектированияипроизводства//Современнаяэлектроника, 2021,№7.С.6–13.

33. ЕрмаковА.Опыт3D-печатиэлементовволноводныхСВЧ-трактовирупорныхантенндиапазона 8,5–31ГГц/В.Калиничев,А.Нисан,Г.Потапов, Е.Фролова//Векторвысокихтехнологий,2019, №1(41).С.8–19.

34. ГлушкоН А.Разработкакомпозитногосетчатого корпусамалогокосмическогоаппарата,изготавливаемогометодомтрехмернойпечати/А.В.Азаров, А.Р.Хазиев,В.А.Колесников//Аддитивныетехнологии:Настоящееибудущее.МатериалыМеждународнойконференции(г.Москва,8–9октября 2020г.),2020.С.37–44.

35. SnyderM P., DunnJ J ., GonzalezE G.Effectsof MicrogravityonExtrusionbasedAdditiveManufacturing//AIAASPACE2013ConferenceandExposition(SanDiego,10-12september,2013).2013.6p.

36. CooperK G., GriffinM R.Microgravitymanufacturingviafuseddeposition.Huntsville:Marshall SpaceFlightCenter,2003.17p.

37. PraterT .3DPrintinginZeroGTechnology DemonstrationMission:completeexperimentalresults andsummaryofrelatedmaterialmodelingefforts/ N.Werkheiser,F.Ledbetter,D.Timucin,K.Wheeler, M.Snyder//TheInternationalJournalofAdvanced ManufacturingTechnology,2019,vol.101.P.391–417.

38. PraterT J .SummaryreportonphaseIresultsfrom the3DPrintinginZero-GTechnologyDemonstrationMission,Volume1/Q.A.Bean,R.D.Beshears, T.D.Rolin,N.J.Werkheiser,E.A.Ordonez, R.M.Ryan,F.E.LedbetterIII.Huntsville:Marshall SpaceFlightCenter,2016.156p.

39. PraterT ., BeanQ, WerkheiserN ., LedbetterF ., RyanR.NASA’sIn-SpaceManufacturinginitiative: initialresultsfromInternationalSpaceStationTechnologyDemonstrationandFuturePlans//NASATechnicalReportServer.2016.https://ntrs.nasa.gov/ citations/20160009726(Датаобращения28.02.2022).

40. PrateT ., WerkheiserN ., LedbetterF .SummaryreportonphaseIandphaseIIresultsfromthe3D

PrintinginZero-GTechnologyDemonstrationMission,VolumeII.Huntsville:MarshallSpaceFlight Center,2018.120p.

41. PraterT J .Aground-basedstudyonextruderstandoffdistanceforthe3DPrintinginZeroGravityTechnologyDemonstrationMission/Q.A.Bean,R.D.Beshears,T.D.Rolin,E.M.Rabenberg,H.A.Soohoo, F.E.LedbetterIII,S.C.Bell.Huntsville:Marshall SpaceFlightCenter,2017.94p.

42. PraterT .AnalysisofspecimensfromphaseIofthe 3DPrintinginZeroGTechnologyDemonstrationMission/Q.Bean,N.Werkheiser,R.Grguel,R.Beshears, T.Rolin,T.Huff,R.Ryan,F.Ledbetter,E.Ordonez//RapidPrototypingJournal,2017,vol.23(6). P.1212–1225.

43. JohnstonM M., WerkheiserM J .3DPrintingin Zero-GISSTechnologyDemonstration//AIAA SPACE2014ConferenceandExposition(SanDiego, 4–7August2014).2014.5p.

44. БеспаловВ А.Овозможности3D-печатикрупногабаритныхконструкцийвкосмосе/Т.И.Беспалова,А.В.Погребной,В.В.Хартов//Космонавтика иракетостроение,2021,№2(119).С.119–129.

45. LiW ., LanD., WangY .ExplorationofDirect-InkWrite3DPrintinginSpace:DropletDynamicsand PatternsFormationinMicrogravity//Microgravity ScienceandTechnology,2020,vol.32.P.935–940.

46. ZoccaA.Enablingthe3DPrintingofMetalComponentsin µ-Gravity/J.L ¨ uchtenborg,T.M ¨ uhler, J.Wilbig,GMohr,T.Villatte,F.Leonard,G.Nolze, M.Sparenberg,J.Melcher,K.Hilgenberg,J.Gunster//AdvancedMaterialsTechnologies,2019,vol.4. 11p.

47.Глобальныетехнологическиетренды.Трендлеттер№17/2015.https://hse.ru/data/2015/12/14/ 1134499993/08_12_15_Космос(разворот).pdf(Дата обращения04.05.2022).

48.Технологическоебудущеероссийскойэкономики: ДокладкXIXАпрельскойМеждунар.научн.конф. попроблемамразвитияэкономикииобщества,Москва,10–13апр.2018г./Гл.ред.Л.М.Гохберг; НИУ«Высшаяшколаэкономики».М.:ИДВысшей школыэкономики,2018.193с.,[1].ISBN978-57598-1752-9(вобл.).ISBN978-5-7598-1810-6(ebook).

49.https://satellitetoday.com/innovations/2017/06/27/3dprinting-future-satellite-manufacturing(Датаобращения05.05.2022).

50.Industry4.0andtheFutureofUKSpaceManufacturing.FinalReport//LondonEconomicsJanuary,2019.

51. ПотюпкинА. Ю., ВолковС . А., ТимофеевЮ. А. Перспективныесервисымногоспутниковыхкосмическихсистем//Ракетно-космическоеприборостроениеиинформационныесистемы,2021,т.8, вып.1.С.59–68.

Разработкамикросистемногодатчика дляконтроляэлектризацииповерхности космическихаппаратов

Ю.Б.Дорофеев, к.т.н.,cospas0536@spacecorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация

Р.Ю.Дорофеев, cospas0536@spacecorp.ru АО«Российскиекосмическиесистемы»,Москва,РоссийскаяФедерация Аннотация. Основнойцельюстатьиявляетсяпредставлениерезультатовнаучно-исследовательскойработыпосозданиюмикроминиатюрныхдатчиковдляконтроляэлектростатическихполейнаповерхностикосмическихаппаратовворбитальныхусловияхихэксплуатации.Приэтомпоказанаактуальностьобеспечениятакогоконтролявинтересахнейтрализациивредного влиянияэлектростатикинанадежностькосмическихаппаратови,соответственно,целесообразностьсозданияспециальных датчиков,отвечающихсовременнымтребованиямпримененияворбитальныхусловиях. Показаныконструкция,принципдействияминиатюрногоизмерителяпараметровэлектризации,основныетехнологические принципысоздания,методологияиосновныерезультатыисследованияегоосновныххарактеристикипараметров,выбораих оптимальныхзначений.Проведенаоценканадежностиивозможностиэксплуатацииразработанногоприбораворбитальных условиях.

Представленыпредложенияпопрактическомуприменениюполученныхрезультатовпоразработкемикроминиатюрного датчика,позволяющегоуменьшитьвредноевлияниепроцессовэлектризациииповыситьнадежностькосмическихаппаратов ворбитальныхусловияхэксплуатации.

Ключевыеслова: космическийаппарат,электризация,электростатическийразряд,микроминиатюризация,микросистемный датчик,микросистемныйвибрационныймодулятор

DevelopmentofaMicrosystemSensorforMonitoring

Yu.B.Dorofeev, Cand.Sci.(Engineering),cospas0536@spacecorp.ru

JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation R.Yu.Dorofeev, cospas0536@spacecorp.ru

JointStockCompany“RussianSpaceSystems”,Moscow,RussianFederation

Abstract. Themainpurposeofthearticleistopresenttheresultsofresearchworkonthecreationofmicrominiaturesensors formonitoringelectrostaticfieldsonthesurfaceofspacecraftinorbitalconditionsoftheiroperation.Atthesametime,therelevance ofprovidingsuchcontrolisshownintheinterestsofneutralizingtheharmfuleffectofelectrostaticsonthereliabilityofspacecraft and,accordingly,theexpediencyofcreatingspecialsensorsthatmeetmodernrequirementsforuseinorbitalconditions.

Thearticlepresentsthedesign,principleofoperationoftheminiatureelectrificationparametermeter,basictechnological principlesofcreation,methodologyandmainresultsofthestudyofitsmaincharacteristicsandparameters,andselectionoftheir optimalvalues.Anassessmentofthereliabilityandthepossibilityofoperatingthedevelopeddeviceinorbitalconditionswas carriedout.

Proposalsarepresentedforthepracticalapplicationoftheresultsobtainedforthedevelopmentofthemicrominiaturesensor, whichmakesitpossibletoreducetheharmfuleffectofelectrificationprocessesandincreasethereliabilityofspacecraftinorbital operatingconditions.

Keywords: spacecraft,electrization,electrostaticdischarge,microminiaturization,microsystemsensor,microsystemvibration modulator

Актуальностьсоздания

микроминиатюрныхдатчиков дляконтроляэлектростатических полейнаповерхностиКА

Однимизвоздействующихфакторов,отрицательновлияющихнаработоспособностьбортовой аппаратуры(БРА)ворбитальныхусловияхисоответственнонагарантийныйресурскосмических аппаратов(КА),являетсяпроцессэлектризации ихповерхности,«вызывающийэлектростатические разряды(ЭСР)наповерхностиблоковикабельныхсистем.ЭСР,возникающиевследствиедифференциальнойзарядкиКАислужащиеисточникамиэлектромагнитныхпомех,воздействующих наотдельныеэлементыибортовыесистемывцелом»[1,2].Очевидно,что«потенциалисобственноеэлектрическоеполезаряженногоКАявляютсявозмущающимифакторами,которыенеобходимо учитыватьприпроведенииизмеренийпараметров космическойсредыспомощьюприборов,установленныхнаКА»[3].

Вэтойсвязивнастоящеевремяодноизнаиболееперспективныхнаправлениймикросистемной техникидляорбитальныхусловийприменения— созданиеспециальныхдатчиковразныхтипов,детектирующихлокальныеэлектрическиеполяуповерхностиКАипозволяющихосуществлятьдиагностикуиизучениепроцессовдифференциального заряженияКА.«Совокупностьнесколькихприборов,установленныхвразныхточкахКАиориентированныхопределеннымобразом,позволяетисследоватьраспределениепотенциаланаповерхностиКАиструктуруокружающейегоплазменной оболочки»[4].

ВнастоящеевремяпромышленностьюРФ ирядазарубежныхстранвыпускаетсядостаточно скомрежимеорбитальныхусловийэксплуатации.

Особуюактуальностьэтотвопроспредставляет прииспользованиитакихдатчиковнамалыхкосмическихаппаратах(МКА),гдедействуюттребования,связанныесозначительнымиограничениямипомассеигабаритам.

Основныерезультатыработ вАО«Российскиекосмические системы»посозданию миниатюрногоизмерителя параметровэлектризации

ВнастоящеевремявАО«Российскиекосмическиесистемы»проведеныисследования,результатыкоторыхобеспечиваютсозданиедатчикаконтроляэлектростатическихполей(ЭСП)сиспользованиемтехнологиймикроминиатюризации,при этомразработанаметодологияисследованияосновныхтехнических,технологическиххарактеристик ипараметровмикроминиатюрныхустройств.Итоговымрезультатомисследованийявилосьсоздание микросистемногоиндикатораЭСП,обеспечивающегоконтрольэлектризацииповерхностикосмическихаппаратовворбитальныхусловиях[5,6].

Приэтомбылиразработаныконструкцияминиатюрногоизмерителяпараметровэлектризации смикросистемнымвибрационныммодулятором (МВМ)длядетектированиянапряженностиэлектрическогополянаповерхностиконструкциикосмическогоаппаратаиосновныетехнологические принципысозданиясоставныхэлементовданного прибора.

РазработанныйминиатюрныйизмерительпараметровэлектризацииповерхностиКАвключает[3]:МВМ,состоящийизметаллическогокаркаса,печатныхплат,катушекиндуктивности,подвижногоэкранирующегоэлектрода(ЭЭ),чувствительногоэлектрода(ЧЭ),иэлектрическуюсхему преобразования,состоящуюизпоследовательносоединенныхусилителятокаианалого-цифрового преобразователя(АЦП),приэтомвходусилителятокаподключенкЧЭ,материалподвижногоЭЭ выбираетсяизсоотношения E = E0 k ,где E —модульЮнга, E0 —модульЮнгавн.у., k —коэффициент,характеризующийизменениемодуляЮнга

от 150 ◦Cдо +150 ◦C;значениекоэффициентанаходитсявпределах1,0 k 1,1. Основнымтехническимрезультатомизобретенияявляетсяобеспечениевозможностиуменьшения массогабаритныхпараметровизмерителяпараметровэлектризацииКА,снижениемощностипотребления,повышениеегоработоспособностивусловияхоткрытогокосмоса,атакжеустойчивостикжесткимтемпературнымусловиямэксплуатации.

Принципдействияминиатюрногоизмерителя параметровэлектризациикосмическихаппаратов сМВМсостоитвследующем:

«Приколебанияхподвижногоэкранирующего электрода(3)чувствительныйэлектрод(2)углуб-

ляетсявнутрьотверстияподвижногоЭЭ(3)или выдвигаетсяизотверстия(рис.1).Приналичии внешнегоэлектрическогополяэтоприводиткизменениюпотенциалаЧЭ(2).Сигналсвыхода МВМусиливаетсяусилителемтокаипреобразуетсяАЦПвсигнал,пропорциональныйнапряженностиэлектрическогополя,которыйзатемпоступаетнапередающееустройство»[7](рис.2).

Полученныепорезультатамэкспериментов чувствительностьмикромеханическоговибрационногомодулятора— ∼0,25мВ/кВ/м,случайнаяпогрешностьизмерениянапряженностиэлектрическогополя— ±0,026мВ,расчетнаявероятность безотказнойработы—0,099995.

Основнаяцельпроведенныхисследований посозданиюминиатюрногоизмерителяпараметров электризацииКАбыладостигнутапосредствомрешенияследующихзадач.

1.Проведениесистемногоанализасуществующихотечественныхизарубежныхконструкцийустройств,применяемыхдляизмеренияпараметровЭСПнаповерхностиКА,оценкапараметрическихиконструктивныхограниченийиобоснованиевыборатипадатчикадля примененияворбитальныхусловиях.

Дляэффективногорешенияпоставленнойзадачипроанализированыособенностимикроминиатюризациидатчиковойаппаратуры,которыесвязаныстем,чтоуменьшениемассогабаритныхразмеровчувствительногоэлементавозможнотолько дозначений,ограниченныхособенностямитехнологииегопроизводстваипринципаработы.

Врассматриваемойзадачедолжнобытьобеспеченомаксимальновозможноезначениечувствительностисенсора,определяющееегоработоспособность,аследовательно,вкачествецелевой функциипринятамаксимизацияамплитудыколебаниячувствительногоэлектрода.Граничныеусловия определяютсяпринципомработысенсора,технологиейпроизводстваивключаютдиапазондопустимыхзначений,характеризующихуровнивоздействующихмагнитныхсил,диапазонизмерения,резонанснуючастоту,массогабаритныеивесовыехарактеристики.

Вкачествеметодическойосновыдляпроведенияисследованияврамкахвыполненияданной задачибылиспользованрасчетно-экспериментальныйметод[8].

2.РазработкакомплексаметодикдлярасчетныхиэкспериментальныхисследованийследующиххарактеристикразрабатываемогоМВМ: –влияниемагнитныхсилвозбуждения,вызываемыхкатушкамииндуктивности,нарезонанс-

–влияниеэлектрическогополейнарезонанснуючастотуиамплитудуколебанийэкранирующегоэлектродаМВМ;

–влияниетехнологическихпогрешностейизготовленияМВМэлектрическихполейнаегохарактеристики[9].

Результатыпроведениярасчетарезонансной частотыивеличиныотклоненияЭЭ(табл.1и2)

позволилиопределитьгеометрическиепараметры иматериалЭЭдляМВМ,атакжемаксимальную амплитудуколебанияЭЭ.

Таблица1.Расчетныерезонансныечастотыиамплитудыэкранирующихэлектродов

Материалсплава электрода

Толщина, мкм Частота, Гц

Амплитуда колебания электрода, мм 29НК(29%Ni, 18%Co,55%Fe) 20 283 1,75 50 684 1,22 79НМ(79%Ni, 4%Mo,16%Fe) 20 321 1,41 50 803 0,75

ПримоделированиивлиянияизменениягеометрическиххарактеристикМВМнарезонанснуючастотуиамплитудуколебанийЭЭвпрограммном продуктеAutoCADбылисформированыбазовые исложныегеометрическиеформыЭЭ,приэтомиспользоваласьсреда3D-проектированияSolidWorks, гдедлякаждоговариантаформыподвижнойпластинысоздавались4конфигурации:2варианта толщины(20и50мкм)и2видаматериала(29НК и79НМ);спомощьюрасчетноймоделибыли исследованысобственныечастотыколебанийподвижныхпластинМВМ[7].Длякаждойконфигурацииподвижнойпластинырассчитываласьформы резонансныхколебаний(рис.3).

Полученныерезультаты,представленные втабл.2,позволилиполучитьинформацию,необходимуюдляопределенияматериаласплавапри изготовленииЭЭ,определитьзависимостьрезонансныхчастототгеометрическихформэкранирующихэлектродов.

Врезультатемоделированиябылоустановлено, чтоизменениеноминалаиндуктивностикатушки

Fe 247,6 270,8 259,0 282,5 255,8 293,6 242,8 271,8 259,2 283,9

Ni 299,3 327,4 313,2 341,6 309,3 354,9 293,5 328,6 313,4 343,3 Fe 618,4 676,1 645,9 705,4 638,8 733,1 606,2 678,0 647,1 709,0

Ni 747,6 817,4 781,0 852,9 772,4 886,3 732,9 819,8 782,4 857,2

Рис.3.ПерваямодасобственныхколебанийэкранирующегоэлектродаМС

дляодногоитогожеобразцаЭЭприводиткизменениюрезонанснойчастотыколебаний.

ПримоделированиивлияниявесовыххарактеристикЭЭнаегорезонанснуючастотуиамплитудуколебаний(рис.4)былоопределено,чтопри наращиваниимассыконцабалкиЭЭнеувеличиваетсяамплитудаколебаний,апроисходитравномерноеуменьшениечастоты.МоделированиевлияниявесовыххарактеристикЭЭпозволилоустановитьвозможностьрегулировкивслучаенеобходимостирезонанснойчастотыдляужеизготовленногоМВМ.

Врезультатемоделированиявлияниятемпературыокружающейсредынарезонанснуючастоту иамплитудуколебанийЭЭвразныхтемпературныхдиапазонахполученыследующиерезультаты (зависимостьотношениямодулейупругостиоттемпературыдляЭЭизсплавов29НМи79НКпредставленанарис.5):от 50 ◦Cдо +50 ◦Cизменения резонанснойчастотынепроисходит;от 100 ◦C до +100 ◦Cнаблюдалосьизменениерезонансной частоты.

Рис.5.Зависимостьотношениямодулейупругости оттемпературыдляэкранирующихэлектродовизсплавов29НМи79НК

Былоустановлено,чтодляувеличениятемпературногодиапазонапримененияразрабатываемого устройствацелесообразнопредусмотретьиспользованиегенераторарезонанснойчастотысавтоматическойподстройкойчастоты.

Такимобразом,полученныеприпроведении математическогомоделированиярезультатыпозволилиосуществитьвыборконструктивныхитехническиххарактеристикипараметровМВМ,которыебылииспользованыприпроведенииэкспериментальныхисследованийиподтвержденыихрезультатами.

3.СозданиедействующегомакетаМВМдля экспериментальныхисследованийегохарактеристик.

СозданныйнаосноверезультатовисследованийобразецМВМбылпрактическисмонтирован иустановленнаопытномобразцедатчика.

4.ПроведениерасчетныхиэкспериментальныхисследованийхарактеристикМВМ.Выбор иобоснованиеоптимальныхпараметров,оценкадостигнутыхэксплуатационныххарактеристиксоздаваемогоприбора.

ВинтересахполучениямаксимальнодостовернойоценкихарактеристикипараметровразрабатываемогодатчикаЭПэкспериментальныеисследованиябылипроведенынаспециальносозданноммакетеМВМ[10].Проведенныеисследованиябыли направленынаобеспечениеоптимальнойчувствительностииповышениестабильноститехнических параметровсоздаваемогоустройства,изучениединамикиихизменениявзависимостиотпараметров окружающейсреды.

Втабл.3длякаждоговидаисследованияприведенысоответствующиеметодики,обеспечивающиерешениезадачиоценкихарактеристикивыбораоптимальныхтехническихпараметровМВМ.

Былипроведеныускоренныефорсированные ресурсныеиспытания(ФРИ)МВМвинтересах подтверждениясрокаслужбыразрабатываемого прибора,егоработоспособностиивозможностиполученияданныхонадежностинаэтапеопытнойотработкиворбитальныхусловияхэксплуатации.

Испытаниябылипроведенывследующиеэтапы:термоциклирование,пониженнаятемпература, нормальнаятемпература,повышеннаятемпература.

1 Методикаисследования силовыххарактеристик

2 Методикаисследования коэффициентаформы

3 Методикаисследования температурныххарактеристик

4 Методикаисследования возможностейпонаращиваниювесовыххарактеристикэкранирующегоэлектрода

5 Методикаопределения гистерезисарезонансных частот

6 Методикаопределения шириныполосырезонансныхчастот

7 Методикаисследования

Резонанснаячастота Уголотклонения Изгибнаяжесткость Амплитудаколебаний

Резонанснаячастота Геометрическаяформа

Резонанснаячастота Температура

Резонанснаячастота Масса

Резонанснаячастота Амплитудаколебаний

Резонанснаячастота Амплитудаколебаний

Резонанснаячастота Мощность потребления

ПроведениеФРИневыявилоконструктивных дефектовизделияипозволилоподтвердитьвозможностьэксплуатацииизделиянагеостационарнойорбитенаКАсосрокомактивногосуществования10лет.Отсутствиеотклоненийтакихпараисследования характеристики Измеряемыйпараметр

ивцеломподтвердиливозможностьегосоздания стребуемымихарактеристиками,обеспечивающимиработоспособностьворбитальныхусловиях применения.

5.Определениеосновныхэтаповиисследованиесодержаниятехнологическогопроцесса созданияМВМ,возможныхспособовнейтрализациитехнологическихпогрешностей.

Результатыпроведенныхисследованийпозволилиразработатьтехнологическийпроцессиз-

3)Нанесениефоторезистаисушкафоторезистивноймаски.

4)Формированиерисункаметодомконтактнойдвустороннейфотолитографии.

5)Контрольтопологическогорисунка.

6)Задубливаниемаскифоторезиста.

7)Проведениеконтролялинейныхразмеров напластинахвсоответствиесосборочнымчертежом.

8)Двустороннееэлектрохимическоетравлениезаготовки.

9)Снятиефоторезиставрастворителе.

10)Контрольтравления.

11)Вырезаниезаготовок.

12)Монтажверхнейинижнейпечатнойплатыскорпусоммодуляторавсоответствиисосборочнымчертежом.

13)Проведениеконтролякачествамонтажа.

ОценкаосновныхэксплуатационныххарактеристикМВМ,проведеннаянасозданноммакете сиспользованиемизмерительногостенда,позволила определитьихзначениеисделатьвыводовозможностиизмеренияразрабатываемымприборомпараметровЭСПворбитальныхусловиях.

Сцельюопределенияработоспособности устройствамакетныйобразецМВМпомещался вэкранированныйкорпус,вкоторомразмещался источникэлектрическихполей.ИсточникомЭП явилсязадающийэлектрод,выполненныйввиде меднойпластинкиирасположенныйвнутриэкранированногокорпусанажесткомпроводнике. ДляисследованияспособностиМВМкдетектированиюэлектрическихполейбылсобранстенд (рис.6)саппаратуройподачипотенциаланазадающийэлектрод,источникомпитаниядатчикаиосциллографом[9].

РезультатытестированияподтвердилиспособностьдатчикакдетектированиюЭСПвзаданном

Рис.6.Структурнаясхемаэкспериментальногостенда

виемтермоцикловподтвердиливозможностьприменения,создаваемогоМВМдляизмеренияуровнейЭСПворбитальныхусловияхэксплуатации.

Результатыпроведеннойсравнительнойоценки свидетельствуют,чторазработанныйприборпревосходитизвестныеаналогиизмерительныхустройств поосновнымпоказателям,характеризующимработоспособность,иможетбытьуспешноиспользованворбитальныхусловияхэксплуатациидляэффективногорешениязадачиконтроляэлектризацииповерхностиКАразличныхклассов.

Сравнениезначенийпараметровустройствизмеренияэлектрическихполейпозволяетсделать вывод,чтодатчик,созданныйнабазеразработанногоМВМ,обладаетпереданалогичнымиустройствамирядомследующихпринципиальныхпреимуществ:

–широкийдиапазонизмеренийуровнейнапряженностиЭСП;

–массогабаритныепараметры,характеризующиеразработанноеустройствокакмикроминиатюрное;

–широкийтемпературныйрабочийдиапазон;

–низкаямощностьпотребления.

Такимобразом,параметрытакогодатчикабудутсоответствоватьорбитальнымусловиямприменения,чтообеспечитэффективноерешениезадачиизмеренияпараметровэлектризацииповерхностиКАсегоиспользованием.

Разработкапредложенийпо практическомуприменению результатовисследования

Основапредложенийпообеспечениюэффективногоиспользованияразработанногоустройства ворбитальныхусловияхэксплуатациизаключаетсяввыполненииследующихзадач:

–созданиемикроминиатюрныхустройствконтроляэлектризацииповерхностейКАнаоснове МВМ,разработанноговрезультатепроведенных исследований;

–осуществлениеоптимальноговыборамест размещениядатчиков,обеспечивающихдостоверныйконтрольинформации,наиболееполнохарактеризующийдинамическую«картину»электризацииповерхностиКА,и,какследствие,обеспечивающийсозданиеиэффективнуюработусистемы контроляэлектризации;

–использованиесозданногодатчиканабазе разработанногоМВМвинтересахповышения энергоэффективностисистемыэлектропитанияКА;

–созданиесистемыконтроляэлектризации поверхностиКАдляобеспеченияоценкииуправленияэлектростатическойобстановкойворбитальныхусловиях[1].

Практическаяреализацияданногоспособа применениядатчикасвязанасвозможностьюнакопленияэнергиистатическогоэлектричестваиее использованиядлядополнительнойподзарядкибатарейКА,чтопозволит,соднойстороны,повысить ихресурсиэнергоэффективностьсистемыпитания вцелом,асдругой—снизитьвредноевлияние электризации.

Заключение

Проведенныенаучныеисследованияпосозданиюмикросистемногоиндикатораэлектрических полейиихпрактическиерезультатымогутбытьиспользованыдлярешениязадачиконтроляпараметровэлектризацииповерхностейкосмическихаппаратовразличныхклассов,чтопозволитповысить ихнадежностьворбитальныхусловиях.

Списоклитературы

1. ДорофеевР Ю.СозданиесистемыконтроляэлектризацииповерхностиКАдляобеспеченияоценки иуправленияэлектростатическойобстановкойворбитальныхусловиях//ТрудыМАИ,2012,№51.

2. КостинА В.Анализметодовзащитыбортовойаппаратурыкосмическихаппаратовотвоздействия факторовэлектростатическогоразряда//ВестникСамарскогогосударственногоаэрокосмического университетаим.академикаС.П.Королева,2011, №7(31).С.107–112.

РасположениеМВМнаконструкцииКАцелесообразноприниматьнаосноверезультатов проведениярасчетовсиспользованиемструктурнойэлектрофизическоймодели(СЭМ)электризамаксимальноговоздействиянаконструкцииКА электростатическихразрядов[13].

3.Моделькосмоса:Научно-информационноеиздание: В2т./Подред.М.И.Панасюкова,Л.С.Новикова. Т.2:Воздействиекосмическойсредынаматериалы иоборудованиекосмическихаппаратов.М.:КДУ, 2007.1144с.

4. АкишинА И ., НовиковЛ С .Электризациякосмическихаппаратов.М.:Знание,1985.64с.

5.Патент2695111РоссийскаяФедерация,МПК G01R29/12.Миниатюрныйизмерительпараметровэлектризациикосмическихаппаратовсмикросистемнымвибрационныммодуляторомэлектрическогополя/КорпухинА.С.,СеменовВ.Л.,ДорофеевР.Ю.,СмирновИ.П.,ЖуковА.А.Заявительипатентообладатель:РоссийскаяФедерация,

отименикоторойвыступаетГосударственнаякорпорацияпокосмическойдеятельности«Роскосмос» (RU),№2018107594А;заявл.2018.03.01,опубл. 2019.07.19.

6.ПатентRU2676059C1,МПКG01R29/12.Микросистемныйиндикаторэлектрическихполейкосмическихаппаратов/ДорофеевР.Ю.Заявительипатентообладатель:РоссийскаяФедерация, отименикоторойвыступаетГосударственнаякорпорацияпокосмическойдеятельности«Роскосмос»(RU),№2018107591;заявл.2018.03.01,опубл. 2018.12.25.

7. ДорофеевР. Ю., КозловД . В., КорпухинА.С ., СмирновИ П ., ЖуковA A.Экспериментальноеисследованиеиоценкаизгибнойжесткостивибрационногоэлементамодулятораэлектростатического поля//Ракетно-космическоеприборостроениеиинформационныесистемы,2015,т.2,вып.3.С.62–67.

8. ДорофеевР Ю.Особенностиэкспериментальнотеоретическогометодаоценкистойкостибортовой аппаратурыКАквоздействиюэлектростатическогозарядаворбитальныхусловияхэксплуатации. ТрудыVВНТК«Актуальныепроблемыракетнокосмическогоприборостроенияиинформационных технологий».М.:Радиотехника,2012.С.178–184.

9. ДорофеевР Ю., КозловД В., СмирновИ П ., ЖуковA A.Влияниетехнологическихпогрешностей изготовлениямикросистемноговибрационногомодуляторанаегохарактеристики//Нано-имикросистемнаятехника,2017,№1.С.53–59.

10. ДорофеевР Ю., КозловД В., СмирновИ П ., ЖуковA A.Вибрационныймодулятордляконтроля напряженностиэлектрическихполейворбитальныхусловияхэксплуатации//Ракетно-космическое приборостроениеиинформационныесистемы,2016, т.3,вып.3.С.84–88.

11. ДорофеевР Ю.ОсобенностимоделированияпроцессовэлектризацииКАворбитальныхусловиях эксплуатации//Электромагнитныеволныиэлектронныесистемы,2012,т.17,вып.5.С.20–26.

12. КрупниковК К., МакленовА А., МилевВ Н ., НовиковЛ . С ., СинолинВ Н .Современноесостояниефизико-математическоймоделиэлектризации КАнавысокихорбитах//Космонавтикаиракетостроение,2003,т.1(30).С.116–122.

13. ДорофеевР Ю.Повышениеэнергоэффективности системыэлектропитаниякосмическогоаппарата засчетиспользованияэнергииэлектростатическогозарядаповерхностикосмическогоаппаратаворбитальныхусловияхэксплуатации//ТрудыМАИ, 2013,№68.