SOFTWARE SUPPORT FOR TESTING of large spacecraft REFLECTOR AND EVALUATION OF THE OPERATION PARAMETERS OF COMPONENT WEIGHT COMPENSATION SYSTEM

Texto integral

Введение. Современные тенденции в развитии крупногабаритных трансформируемых рефлекторов (КТР) антенн космических аппаратов (КА) охватывают расширение рабочего диапазона частот, снижение удельного веса и возрастание общих габаритов их конструкций. В области гражданского космоса в настоящее время в мире отмечается стремительный рост рынка широкополосных услуг связи. Крупногабаритные антенные системы обеспечивают прямой доступ персональных потребителей к информационным ресурсам КА, минуя наземных операторов. Стоимость информационных услуг непрерывно снижается за счет эксплуатации энергетически более мощных платформ. Совершенствуются и формируются новые рынки услуг мобильной связи, радиовещания, доступа в Интернет, в будущем возможно появление персонального телевидения и др. [1-3]. Появление на рынке КА, имеющих КТР, увеличивает конкурентоспособность космических систем связи, приводя к глобализации рынка информационных услуг, создавая рыночные преимущества тем странам, которые владеют необходимыми спутниковыми технологиями широкополосного мультимедийного вещания. По состоянию на 2015 г. на орбите находятся более 40 КТР гражданского и двойного назначения (табл. 1). В настоящие время в США, Европе, Японии, Индии разрабатываются новые системы [4]. В области оборонного применения КТР, как ключевой элемент, обеспечат создание технических средств для систем связи, а также космического наблюдения, позволяющих проводить непрерывный мониторинг наземных станций спутниковой связи, радиорелейных и тропосферных линий связи, излучения телеметрических передатчиков баллистических ракет и КА и т. д. Специализированные и военные системы связи работают на частотах ультракоротких волн (УКВ). С использованием КТР можно предоставить услуги на мобильные терминалы. Для достижения высоких значений КУ необходимо применение больших развертываемых рефлекторов с диаметром апертуры более 10 м. Более эффективное управление сетью множественного доступа позволяет оптимизировать использование полосы частот УКВ и общую пропускную способность системы [5-7]. Для недавно освоенных диапазонов дециметровых и сантиметровых волн возникла потребность в создании больших КТР диаметром 18-24 м. Для предоставления услуг подвижной спутниковой связи выделены отдельные полосы частот, наиболее распространенными из которых являются полосы L- и S-диапазона (подвижная спутниковая служба). Таблица 1 Характеристики запущенных спутников Космический аппарат Kiku-8 Eutelsat 10A TerreStar-1 Skyterra-1 MEXSAT XICS (План) Запуск 12.2006 04.2009 07.2009 11.2010 12.2012 02.2018 Зона обслуживания Япония Европа Северная Америка Северная Америка Мексика Япония и прилегающая зона Платформа ETS-VIII (JAXA) Spacebus-4000 (TAS) LS1300 (SS/L) 702HP GMS (Boeing) 702HP GMS (Boeing) NextarGhp (NEC) Диаметр рефлектора 13 м (NTSpace) 12 м (Harris) 18 м (Harris) 22 м (Harris) 22 м (Harris) 30 м (NTSpace) Пользовательский терминал Специальные терминалы Обычные сотовые телефоны Мировым лидером по производству КТР является фирма HarrisCorporation (рис. 1). Постановка задачи. Приведенная выше информация указывает на существенное отставание отечественных разработок в области создания КТР, поэтому требуются радикальные меры по мобилизации ресурсов на данное направление космической деятельности [8-10]. Создаваемые КТР предназначены для решения следующих задач: - выбор оптимальных вариантов конструкций, обеспечивающих достижение заданных технических характеристик; - отработка методик изготовления металлического трикотажного сетеполотна, оптимизированного для L- и S-диапазонов; - отработка методик изготовления высокомодульных размеростабильных шнуров для формообразующей структуры рефлекторов; - отработка математических моделей, применяемых при разработке КТР; - отработка методик проведения тепловых и механических испытаний, применяемых при разработке КТР; - отработка методик измерения и подтверждения точности геометрии КТР и их составных частей как на земле, так и на орбите; - отработка методик испытательного оборудования для развертывания КТР. Основные технические требования к рефлектору диаметром 24 м приведены в табл. 2. Для решения задачи отработки и оценки параметров надёжности функционирования высокотехнологичных КТР и их составных частей как в наземных условиях, так и при воздействии вакуума и экстремальных температур требуется создание технологии, метрологического обеспечения, специализированного технологического оборудования - высокоточной активной автоматизированной многоканальной системы компенсации весовой составляющей (СКВС). Ввиду исключительной сложности конструкции КТР необходимо до запуска антенны в космос смоделировать и проверить на земле в цеховых условиях ее работоспособность, чтобы исключить нештатные ситуации на орбите. Все эти ситуации надо «выловить» на земле, а для этого мы должны КТР обезвесить [7; 8; 11; 12]. Рис. 1. Гистограмма по производству КТР Таблица 2 Технические требования к рефлектору диаметром 24 м Диаметр рефлектора до 24 м Диапазон рабочих частот 0,5-1,5 ГГц (окончательный выбор диапазона частот осуществляется по результатам разработки и защиты эскизного проекта) Масса рефлектора, приведенная к площади поверхности m/S < 0,42 кг/м2 (уточняется на этапе эскизного проекта) для рефлектора диаметром до 24 м, где m - масса рефлектора, S - площадь поверхности рефлектора Погрешность формы радиоотражающей поверхности среднее квадратическое отклонение (СКО) от теоретической формы < 0,02-0,03λ, где λ - длина волны на максимальной частоте рабочего диапазона частот Рис. 2. Структура платформы автоматизации Многоканальная система компенсации весовой составляющей. Проведенный анализ отечественных и зарубежных разработок показал, что наиболее эффективным решением реализации СКВС является интеллектуальная следящая система на основе платформы автоматизации MELSEC System Q MitsubishiElectric. Структурная схема автоматизации представлена на рис. 2 [13]. Платформа MitsubishiSystem Q основана на прогрессивной многопроцессорной технологии: одна система будет иметь несколько процессоров - процессор программируемого логического контроллера (ПЛК), процессор управления движением, процессор управляющей программы на основе SCADA-системы с возможностью полной интеграции запросов по управлению и обмену данными на единой платформе [13-16]. Процессорный модуль управления движением управляет и синхронизирует подключенные к нему сервоусилители, серводвигатели и набор необходимых сенсоров, интегрированных в систему управления для функции непрерывной визуализации и слежения за позициями центров масс звеньев спиц. Каждый модуль системы включает в себя отдельный блок управления, состоящий из ПЛК, модуля управления движением, модуля аналоговых входов, модуля цифровых входов, модуля выходов, источника питания и сервоусилителей, расположенных на базовом шасси. Все модули соединены с базовой управляющей станцией средствами Ethernet. Базовая управляющая станция состоит из ПЛК, модуля MES-интерфейса, коммутационного модуля Ethernet и персонального компьютера с операционной системой для контроллеров позиционирования и SCADA-системы [16-18]. По результатам испытаний в наземных условиях подтверждается: - работоспособность КТР в течение срока активного существования КА в условиях космического пространства; - надежность КТР; - точность КТР; - конкурентоспособность. Необходимо разработать программное обеспечение с учетом заявленных требований, поскольку управление традиционными ручными способами неэффективно, трудоемко, несет большое негативное влияние человеческого фактора, зависит от скорости реакции оператора, занимает много времени и неконкурентоспособно [17; 19]. Программное обеспечение для подготовки и проведения испытаний раскрытия антенны на системе компенсации весовой составляющей. Поставлена задача создания программного обеспечения для СКВС, которая внедренана АО «ИСС» и предназначена для компенсации собственных весов подвижных элементов крупногабаритной конструкции при сборочных операциях и в процессе отработки их функционирования [7]. Проведенные исследования существующих методов и технологических подходов к проведению испытаний сложных технических систем позволили построить собственные программные решения. Архитектура программного обеспечения разработана таким образом, что все опции управления могут быть сконфигурированы и оптимально согласованы с размерами под конкретный тип КТР, а впоследствии, при изменении условий и задач производства, расширены или переконфигурированы. Масштабируемость позволяет реализовать универсальность разработанного программного обеспечения СКВС [20]. Для исключения влияния человеческого фактора и различного рода ошибок при испытаниях разработан интеллектуальный человеко-машинный интерфейс (рис. 3) для тестирования, отладки, работы, с возможностью задания режима работы с непрерывным ведением протокола результатов испытаний и постоянным контролем аварийных ситуаций, режима исследования и калибровки. Рис. 3. Интеллектуальный человеко-машинный интерфейс Проведение имитационных экспериментов позволило выделить основные задачи и режимы работы, которые требуют программной поддержки в процессе подготовки и проведения испытаний КТР с использованием СКВС. Программное обеспечение должно осуществлять поддержку решения следующих задач: - формирование базы команд и алгоритма работы системы; - задание алгоритма работы и параметров: величины требуемого натяжения гибких связей, необходимой скорости (законы изменения скорости) серводвигателей, отслеживающих вертикальное положение гибкой связи, контрольную величину усилия гибкой связи по всей траектории раскрытия спиц антенны; - учет влияния заранее непрогнозируемых динамических процессов; - настройка законов регулирования и динамических параметров разгона/торможения, необходимых для плавного трогания/останова, отработки сигналов с датчиков измерения угла и весоизмерительных ячеек; - выполнение передачи команд и приема; - анализ отработки команд; - ведение протокола результатов испытаний; - контроль аварийных ситуаций. Пример графического представления имитационной модели функционирования программного обеспечения СКВС показан рис. 4. Выполнена программная реализация, позволяющая решать все указанные задачи и осуществлять информационную и программно-инструментальную поддержку подготовки и проведения испытаний КТР с использованием СКВС. Программное обеспечение реализовано в интегрированной среде разработки, состоящей из комплекса программных средств: GX Works3 для программирования и обслуживания MELSEC iQ-R, GT Works3 - программное обеспечение для разработки экранов, MT Works2 - среда разработки контроллеров управления движением. Программное обеспечение разработано на высокоуровневых графических языках: LAD стандарта IEC 61131-3 и FBD стандарта IEC 61131-3 [21], также входит в стандарт IEC-61499 [22]. Применена технология LD-программирования - неформализуемый процесс разработки закона логического управления объектом, основанный на глубоком понимании технического задания, анализе возможных вариантов и выборе оптимального решения в соответствии с заданным критерием [18]. Программное обеспечение обеспечивает работу системы в следующих режимах: - режим сборки; - настройка, калибровка и диагностика; - режим испытаний (компенсации) автоматический/ ручной; - режим удержания; - режим отработки возмущений, выбора закона регулирования; - протокол результата испытаний; - просмотр событий и аварийных сообщений; - архив. Для каждого испытания отдельно могут быть настроены собственные параметры, соответствующие типу КТР, откалиброваны и протарированы датчики веса и угла, выбран алгоритм работы, произведена передача и анализ введённых данных. На этом подготовка испытаний завершается. Далее заданная последовательность команд передается в подсистему выполнения испытаний. Пример настройки для четырех спиц антенны показан на рис. 5. Программное обеспечение ведет контроль и регулировку параметров имитации согласно заданным условиям и отображает в реальном времени их текущие значения и результаты анализа. Разработанная схема визуализации, включающая условные обозначения и цветовую индикацию, позволяет оператору, проводящему испытания, наблюдать за ходом испытания и определять корректность отработки СКВС. Окно мониторинга непрерывно обновляется, отображая текущее состояние испытательных действий. Оператор может остановить процесс испытаний для внешнего осмотра КТР, изменять или вносить коррективы в заданные параметры, выполнять моделирование процесса раскрытия, возобновлять процесс испытаний. Вся хронология действий оператора, протокол событий и аварийные сообщения сохраняются в архиве и доступны для просмотра и анализа. калибровка1 - копия Рис. 4. Имитационная модель функционирования программного обеспечения СКВС Рис. 5. Пример настройки для четырех спиц антенны Заключение. Разработанное программное обеспечение внедрено в программно-аппаратный комплекс, предназначенный для выполнения испытаний КТР с использованием СКВС. Использование программного обеспечения расширяет возможности исследования КТР и повышает качество и надежность проводимых испытаний. Внедрение программных инструментов мониторинга позволяет проводить тестирование физических характеристик КТР и методов анализа логики ее функционирования при постоянном контроле, представляющей информацию о реальном состоянии оборудования. Разработанные программные подсистемы обеспечивают наглядность построения сложных последовательностей испытательных процедур, а также удобство и корректность отображения результатов. Реализованный подход дает возможность использовать программное обеспечение как инструмент исследователя КТР, а также для выполнения автоматизированных испытаний КТР с использованием СКВС.

Sobre autores

I. Kovalev

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

J. Badanina

JSC “Information satellite system” named after academician M. F. Reshetnev”

Email: secret398@mail.ru
52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

Bibliografia

Arquivos suplementares