BUS-MODULAR SYSTEM FOR TEST OF ONBOARD RADIOELECTRONIC EQUIPMENT

全文:

Бортовая радиоэлектронная аппаратура перед запуском на орбиту в составе космического аппарата проходит ряд проверок, которые можно разделить на два этапа: - лабораторные испытания; - испытания после сборки аппаратуры - цеховые испытания. Лабораторные испытания проводятся разработчиками, сюда входят лабораторно-отработочные испытания и конструкторско-доводочные испытания. В ходе этих испытаний выявляются ошибки проектирования и прочие дефекты работы прибора. Цеховые испытания проводятся в цехе-изготовителе для устранения дефектов сборки аппаратуры и проверки ее в составе системы космического аппарата. В цеховые испытания входят автономные испытания, комплексные испытания, межведомственные испытания и предъявительские испытания. К специальным испытаниям относятся термовакуумные, вибрационные и акустические. Проводятся они как на этапе лабораторных, так и на этапе цеховых испытаний при помощи специальных средств, имитирующих те или иные воздействия. Радиоэлектронные испытания обязательны как для лабораторных, так и для цеховых испытаний и проводятся специализированными комплексами, включающими в себя всю необходимую для проверки конкретного прибора аппаратуру [1]. Перед добавлением новых узлов в бортовой прибор или полной заменой аппаратуры производится весь цикл лабораторных и цеховых испытаний. Проверка нововведенных узлов в цехе затрудняется негибкостью типового оборудования, его загруженностью испытаниями другой аппаратуры. Кроме этого, испытательные комплексы в цехе традиционно имеют статичную структуру, ориентированную на серийное производство продукции, поэтому их доработка требует значительных финансовых и временных затрат. В связи с чем необходима гибкая аппаратура, позволяющая в короткие сроки реконфигурировать, дорабатывать испытательные комплексы. Мобильность такой аппаратуры повысит ее надежность при переносе к испытательным стендам специальных воздействий. Однако стоит отметить, что отладочное оборудование разработчиков, удобное для лабораторной отработки и удовлетворяющее этим требованиям, зачастую неприменимо в условиях цеха из-за четких оговоренных требований к испытательной аппаратуре. В связи с этим требуется такой испытательный комплекс, который будет и удовлетворять разработчиков для лабораторных испытаний, и соответствовать стандартам цеха в части эксплуатации испытательного оборудования. Автоматизация работы комплексов испытаний позволяет проводить более полную и всестороннюю проверку за меньшее время, а также способствует получению большего объема и лучшего качества испытательной информации. Кроме того, автоматизация испытаний исключает влияние человеческого фактора. Все это позволяет обеспечить требуемый для космического машиностроения уровень проверки. Принимая во внимание вышеизложенное, можно выделить следующие требования к комплексам проверки радиоэлектронной аппаратуры: - предоставление комплексом полноты, достоверности, точности экспериментальных данных; - универсальность по отношению к видам и объектам испытаний; - способность комплекса быстро адаптироваться к изменению задач и условий испытаний; - надежность функционирования технических средств испытаний; - мобильность испытательного комплекса; - удобство управления испытательной аппаратурой; - простота технического обслуживания и ремонтопригодность; - простота разработки программного обеспечения для комплекса. Обеспечить автоматизацию и выполнить все предъявленные требования к комплексам проверок можно, используя магистрально-модульные системы (ММС). Иностранные производители ММС предоставляют потребителям продукцию широкого спектра применения в различных стандартах. Для таких систем разработана огромная номенклатура технических средств и самое разнообразное программное обеспечение, которое позволяет полностью автоматизировать их работу. Отсутствующие компоненты можно разрабатывать самостоятельно или заказывать специалистам, что не значительно скажется на общей стоимости комплекса [2]. В качестве примера можно рассмотреть практическое применение ММС для испытаний аппаратуры радионавигации (АРН). АРН - это специализированный прибор, устанавливаемый на космические аппараты, находящиеся на геостационарной и высокоэллиптической орбитах, для их позиционирования в космическом пространстве. На ММС разрабатывается автоматизированный комплекс для проверки этой аппаратуры. Данный комплекс имитирует внешнюю, по отношению к АРН, среду, с использованием контрольноизмерительной аппаратуры на базе серийных модулей PCI, cPCI/PXI (модули цифрового ввода-вывода, ЦАП, АЦП, специализированные интерфейсные модули, устройства коммутации сигнала, осциллографы, генераторы и т. д.), управляемых промышленным или персональным компьютером, в котором реализована автоматизированная система обработки информации и управления. Таким образом, организуется процесс, подобный штатной эксплуатации прибора в составе космического аппарата. При помощи устройства цифрового ввода-вывода имитируются управляющие воздействия блока управления космическим аппаратом и выдача в него команд из АРН. Аналогово-цифровой преобразователь контролирует аналоговые сигналы, поступающие от аппаратуры радионавигации. Модули релейной коммутации сигнала обеспечивают электропитание прибора. Также в составе комплекса проверок применяется специализированное интерфейсное устройство контроллер мультиплексного канала обмена. Для создания соединителей удобно использовать выносные клеммные модули, что избавляет от создания кабелей и позволяет оперативно переконфигурировать соединения при необходимости. Такой метод испытаний эффективен тем, что довольно просто и быстро позволяет переконфигурировать испытательные комплексы, если цели и методы отработки меняются. Обеспечив все необходимые параметры и воздействия, оператор-испытатель, при помощи управляющего компьютера с необходимым программным обеспечением, начинает проверку АРН и сбор данных о его работе, после чего выводится протокол всех отказов и неисправностей, если таковые имеются. Таким образом, использование аппаратуры на базе серийных модулей и специализированного программного обеспечения позволяет создавать автоматизированные комплексы проверок, удовлетворяющих всем вышеописанным требованиям. Кроме модулей, имитирующих параметры, характерные для большинства бортовой аппаратуры, АРН также необходим имитатор радионавигационных сигналов (ИРНС), который будет воссоздавать навигационную обстановку, подобную реальной, от спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Сегодня аппаратура имитации навигационных сигналов весьма востребованна и некоторыми компаниями производится серийно, но все они ориентированы на потребителей, находящихся в околоземном пространстве, поэтому не подходят для проверки и испытаний АРН. В связи с этим необходима разработка специального ИРНС, с возможностью перепрограммирования, что позволит использовать его для отработки разных типов навигационных приемников. На сегодняшний день наиболее известны три типа формирователей навигационного радиосигнала: - на дискретных синтезаторах; - цифровой схеме; - векторном генераторе. Первый тип формирователя характеризуется тем, что сигнал от каждого навигационного спутника генерируется отдельным синтезатором, формируя квадратурный сигнал, манипулированный по фазе псевдослучайной последовательности, используемой в навигационных системах ГЛОНАСС и GPS с наложенной на нее соответствующей цифровой информацией. Сигналы со всех синтезаторов суммируются, фильтруются, преобразователем частоты вверх переносятся в требуемую область частот и перед выходом ИРНС регулируются по мощности узлом аттенюаторов. Главной проблемой этой реализации ИРНС является синхронизация большого числа дискретных синтезаторов. Именно это послужило основной причиной для отказа от данной схемы при разработке современных многоканальных имитаторов [3]. Во втором типе формирователя в качестве цифровой схемы можно использовать программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), в которой реализован цифровой синтез и суммирование сигнала. При помощи схемы управления интегрированные синтезаторы формируют навигационные сигналы в цифровом виде, после чего они суммируются и переводятся внешним цифро-аналоговым преобразователем в аналоговую форму. Таким образом, получается требуемый сигнал на промежуточной частоте. Далее преобразователь частоты переносит его на рабочие частоты навигационных спутников [3]. Третий тип формирователя наиболее гибок в части быстрого изменения формата заданного сигнала. Векторный генератор представляет собой быстродействующий ЦАП и преобразователь частоты вверх. На его вход подается изменяющийся цифровой код, описывающий навигационный сигнал от нескольких движущихся по соответствующей орбите спутников. Для расчета этого кода используется процессор с требуемым программным обеспечением. При необходимости имитации большого числа навигационных спутников (порядка 12) можно использовать внешнюю память, на которой будет храниться рассчитанный ранее цифровой код, так как в этом случае процессор не сможет обеспечить генерацию кода в режиме реального времени [3]. Для обеспечения требований, предъявляемых к комплексам автоматизированной проверки, при разработке ИРНС также необходимо использовать ММС. Компания National Instruments предлагает технологии ММС, которые позволяют реализовать 2-й и 3-й типы формирователя навигационного сигнала. Ниже рассмотрен 2-й тип. Для данной реализации наиболее подходят модули PXIe-5641R и PXI-5610. Эти модули управляются в среде графического программирования Lab VIEW, которая работает как в операционных системах реального времени, так и в Windows. Данные модули устанавливаются в шасси, например NI PXIe-1075, находящейся под управлением системного контроллера NI PXIe-8130. Модуль PXIe-5641R является универсальным устройством, с помощью которого можно принимать сигнал и производить его обработку, а также синтезировать и воспроизводить его в диапазоне от 250 кГц до 80 МГц с полосой 20 МГц. Для этого он имеет по два аналоговых входа и выхода, оснащенные АЦП и ЦАП соответственно, а также ПЛИС, в которой происходит обработка и синтез сигналов в цифровой форме. Аналоговые входы и выходы имеют встроенные цифровые преобразователи частоты вниз и вверх. Модуль PXI-5610 - это преобразователь частоты в диапазоне от 250 кГц до 2,7 ГГц [4]. Таким образом, реализовав на ПЛИС модуля PXIe-5641R цифровое формирование навигационных сигналов и перенеся его в необходимый нам диапазон частот, получаем ИРНС ГЛОНАСС/GPS в модульном исполнении. В заключение можно упомянуть, что современные тенденции космического машиностроения предъявляют жесткие требования к созданию космических аппаратов и обязывают поддерживать высокую конкурентоспособность завода-изготовителя, в которой существенную роль играет время создания аппарата, немалую часть которого занимает качественная проверка его аппаратуры. Для уменьшения времени проверки радиоэлектронной аппаратуры необходимо использовать современное оборудование, чем и являются комплексы на ММС. Компания National Instruments предлагает технологии ММС и огромную номенклатуру технических средств с самым разнообразным программным обеспечением к ним. Их модули программируются в среде графического программирования Lab VIEW. Данная среда позволяет разрабатывать прикладное программное обеспечение для организации взаимодействия с измерительной и управляющей аппаратурой, сбора, обработки и отображения информации, а также моделирования как отдельных объектов, так и автоматизированных систем в целом. В состав LabVIEW входят библиотеки управления различными аппаратными средствами с такими интерфейсами, как PCI, сPCI/PXI, VXI, GPIB. Программные продукты, созданные с использованием LabVIEW, могут быть дополнены фрагментами, разработанными на общепринятых языках программирования C++, VHDL, Pascal и т. д. Кроме того, подавляющее число разработчиков серийных контрольно-измерительных устройств снабжают свою продукцию драйверами для LabVIEW, что избавляет разработчика программного обеспечения от низкоуровневого программирования. LabVIEW позволяет разрабатывать практически любые приложения, взаимодействующие с любыми видами аппаратных средств, поддерживаемых операционной системой компьютера и идеально подходит для автоматизации работы с радиоэлектронной аппаратурой [5]. Таким образом, комплексы автоматизированных проверок, выполненных на ММС являются наиболее перспективными в области проверки радиоэлектронной аппаратуры. Благодаря использованию серийных модулей различного назначения данные комплексы будут весьма гибкими и мобильными, с относительно небольшими временными и финансовыми затратами в случае необходимости доработки. На примере реализации ИРНС показаны практически неограниченные возможности ММС. Полученный ИРНС является оптимальным для использования в комплексах испытаний на ММС, он обеспечивает требуемые параметры, а именно: многоканальность, требуемое созвездие навигационных спутников и параметры движения приемника на борту космического аппарата.

作者简介

S. Krasnenko

Siberian Federal University

D. Nedorezov

Siberian Federal University

V. Kashkin

Siberian Federal University

A. Pichkalev

JSC “Information Satellite Systems” named after academician M. F. Reshetnev”

参考

补充文件