РКС 2020 4

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СОЗДАНИЮ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 49 Для повышения надежности функционирова- – изготовление опытных образцов и серийной ния системы целесообразно в дальнейшем (на вто- партии абонентских терминалов; ром этапе развертывании системы) дополнительно разместить СПОИ НО в Петропавловске-Камчат- – проведение комплексных испытаний и ввод ском и Норильске. в действие (развертывание) системы; СПОИ функционально должны быть подчине- – проведение комплекса организационных ра- ны главному центру, обеспечивая решение регио- бот по созданию управляющего органа — оператора нальных задач мониторинга и передачу принятой системы и обеспечению продвижения на рынке информации в ЦПОИ. Данная схема расположения оказания операторских услуг мониторинга состоя- средств системы обеспечивает выполнение монито- ния стационарных и подвижных объектов, опасных ринговых функций на всей территории Российской и ценных грузов. Федерации и в ее экономической зоне. По заказу потребителей услуг системы может Передача информации центров к потенциаль- быть создана сеть пользовательских центров прие- ным пользователям ССПД осуществляется через ма и обработки информации, размещенных в регио- веб-интерфейс по сети Интернет (по протоколу нах РФ. TCP/IP). Возможна также передача сообщений уда- ленным пользователям (на веб-серверы) по сетям Одновременно с выполнением перечисленных GSM в формате GPRS. работ в интересах создания и развертывания ССПД и предоставления на ее базе услуг по мони- По заказу потребителей услуг системы может торингу подвижных и стационарных объектов дол- быть создана сеть региональных пользовательских жен быть решен ряд технических и финансово-эко- центров приема и обработки информации, разме- номических проблем: щенных в регионах РФ. – создание нормативно-правовой базы (поло- Порядок создания жение о системе, нормативные документы предо- и развертывания ССПД ставления потребителям услуг мониторинга, базо- вое тарифное соглашение и т. д.); Организацию и обеспечение проведения работ по созданию и развертыванию ССПД осуществляют – формирование на базе АО «Российские кос- Роскосмос (Заказчик) совместно с АО «Российские мические системы» централизованной структуры, космические системы» (Исполнитель) по согласо- осуществляющей эксплуатацию системы в интере- ванию с Росгидрометом, Росрыболовством, МЧС сах потребителей услуг мониторинга, и создание РФ и другими заинтересованными федеральными единого управляющего органа — оператора ССПД. органами исполнительной власти. При этом оператор системы обеспечивает: Комплекс работ, обеспечивающих создание – предоставление всего спектра телематиче- и эффективное применение ССПД, включает: ских услуг ССПД; – сертификацию технических средств; – создание центра приема и обработки инфор- – продажу и аренду абонентского оборудова- мации (в АО «Российские космические системы»), ния, программного обеспечения и пользовательских формирование нормативной базы и организацион- элементов наземного сегмента ССПД; ной структуры для создания на этой основе глав- – гарантийное обслуживание и сервисную ного центра приема и обработки информации и опе- поддержку наземного оборудования. ратора системы; На этапе разработки технической документа- ции должны быть проработаны вопросы об объеди- – разработку и изготовление СПОИ НО нении функций мониторинга разных министерств и СПОИ ГС, обеспечивающих прием и обработку и ведомств в рамках единой государственной си- информации от БРТК, установленных как на низ- стемы мониторинга. коорбитальных, так и на геостационарных КА; Поскольку технические средства центров уни- фицированы, они при необходимости могут дубли- – создание региональных пользовательских ровать возможности друг друга, обеспечивая на- центров приема и обработки информации; дежность и высокое качество услуг мониторинга. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

50 Ю. Б. ДОРОФЕЕВ, Д. А. ТУЛИСОВ Очевидно, что при таком подходе система может 4. Михайлов Р. Л. Описательные модели систем спут- быть легко наращиваема путем создания подобных никовой связи как космического эшелона телеком- центров на территориях зарубежных государств, муникационных систем специального назначения. что обеспечит постоянную равномерную загрузку СПб.: Наукоемкие технологии, 2019. 150 с. космического сегмента. 5. Системы спутниковой связи и вещания: Справочно- Заключение аналитическое издание / Под ред. Ю. А. Подъезд- кова. М.: Радиотехника, 2018. 360 с. Создание отечественной спутниковой системы сбора и передачи данных в совокупности с формиро- 6. Курбанов К. А., Сахно С. И. Современные зарубеж- ванием и развертыванием необходимой инфраструк- ные системы спутниковой связи, обеспечивающие туры обеспечит реализацию возможностей данной предоставление высокоскоростных услуг связи // системы для решения следующих актуальных задач: Инновационные механизмы решения проблем науч- ного развития: Сб. статей Международной научно- – создание эффективной мониторинговой си- практической конференции. Уфа: ООО «Omega Sci- стемы на базе отечественных спутниковых средств ence», 2017. С. 55–58. для предоставления абонентам информационных услуг о состоянии и местоположении подвижных 7. Minoli D. Innovations in Satellite Communication и стационарных объектов, расположенных в любой and Satellite Technology: the Industry Implications точке земного шара; OF DVB-S2X, high throughput Satellites, Ultra HD, M2M, and IP.. Secure Enterprise Systems Inc., NY, – создание и внедрение перспективных науч- 2015. 420 p. но-технических разработок, в том числе комплек- са технических средств мониторинга, информаци- 8. Меньшиков В. А., Перминов А. Н, Рембеза А. И., онных технологий обработки данных в действую- Урличич Ю. М. Основы анализа и проектирования щие и создаваемые системы мониторинга; космических систем мониторинга и прогнозирова- ния природных и техногенных катастроф. М.: Ма- – обеспечение информационной защищенно- шиностроение, 2014. 736 с. сти в интересах национальной безопасности при осуществлении мониторинга объектов; 9. Дорофеев Ю. Б., Матвеев С. В., Рубан Л. Н., Ту- лисов Д. А. Использование режима межспутнико- – создание оператора системы, а также ис- вой ретрансляции в гидрометеорологической косми- пользование возможностей системы по обеспече- ческой системе нового поколения на основе КА «Ме- нию функционального взаимодействия с зарубеж- теор-МП» // Ракетно-космическое приборостроение ными системами для проведения активной полити- и информационные системы, 2017, т. 4, вып. 4. ки на рынке операторских услуг, что позволит по- С. 57–63. высить экономическую эффективность созданной ССПД и будет способствовать развитию междуна- 10. Дорофеев Ю. Б., Матвеев С. В. Основные прин- родных связей. ципы функционирования и использования системы сбора, обработки и передачи данных на базе отече- Список литературы ственных спутниковых средств // Труды IX научно- практической конференции «Проблемы прогнозиро- 1. Рогальский В. И. Аналитический обзор «Россий- вания чрезвычайных ситуаций». М.: Центр «Анти- ские космические системы местоопределения по- стихия», 2009. движных средств и передачи цифровых данных». М.: ФГУП «РНИИ КП», 2000. 11. Дорофеев Ю. Б., Никушкин И. В., Матвеев С. В. Особенности функционирования и использования 2. Селиванов А. С., Рогальский В. И., Дедов Н. В. Кос- системы сбора, обработки и передачи данных мическая система сбора природоресурсных данных «Курс-М» на базе отечественных спутниковых с наземных платформ и определения их местополо- средств // Ракетно-космическое приборостроение жения «Курс» // Современные технологии автома- и информационные технологии. 2009–2010. Труды тизации, 1997, № 3. С. 36–41. II Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического при- 3. Сомов А. М., Корнев С. Ф. Спутниковые системы боростроения и информационных технологий», по- связи. М.: Горячая линия – Телеком, 2012. 244 с. священной 100-летию со дня рождения М. С. Ря- занского, 2–4 июня 2009 г. / Под редакцией Ю. М. Урличича, А. А. Романова. М.: Радиотех- ника, 2009. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 51–55 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ УДК 623.624.9 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.4.51.55 Адаптация радиолинии КИС по скорости передачи информации в условиях помех А. В. Круглов, д. т. н., профессор, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация О. И. Хомов, аспирант, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В современных командно-измерительных системах широкое распространение получили фазоманипулированные сигналы, которые при относительно простых способах формирования обладают низким уровнем боковых лепестков автокор- реляционной функции. Также в последние годы выполнен ряд исследований по реализации принципа построения командно- измерительных систем, основанного на адаптации алгоритмов обработки к свойствам полезных сигналов и помех. На основании этого принципа разработан алгоритм адаптации радиолинии КИС, позволяющий производить выбор инфор- мационных каналов по результатам их анализа на различных скоростях и автоматически подключать выбранный канала, что является актуальной задачей для управления низкоорбитальными космическими аппаратами. В статье предложена схема приемника с параллельным приемом нескольких информационных каналов с разной скоростью передачи информации. Проведенный анализ автокорреляционных и взаимокорреляционных функций позволил сделать вывод, что полученные данные не противоречат предположениям о возможности реализации адаптивного приемника с выбором информационного канала по скорости. Показано, что применение такого приемного устройства с алгоритмом выбора и переключения информационных каналов по скорости приема обеспечивает значительный выигрыш по времени передачи информации в сравнении с традиционным приемом и переключением скоростей по командам в условиях сложной помеховой остановки. Ключевые слова: приемник, канал, радиолиния, помеха, сигнал Adaptation of the CMS Radio Link According to the Information Rate in the Presence of Interference A. V. Kruglov, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation O. I. Khomov, postgraduate student, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. In modern command and measurement systems (CMS), phase-shift keyed signals are widespread, which, with relatively simple methods of formation, have a low level of side lobes of the autocorrelation function (ACF). Also, in recent years, a num- ber of studies have been carried out on the implementation of the principle of constructing the CMS, based on the adaptation of processing algorithms to the properties of useful signals and interference. On the basis of this principle, an algorithm for adapting the CMS radio link has been developed, which makes it possible to analyze information channels at various speeds and automatically connect the selected channel, which is an urgent task for controlling low-orbit spacecraft. The article proposes a receiver scheme with parallel reception of several information channels with different information transfer rates. The analysis of autocorrelation and cross-correlation functions made it possible to conclude that the data obtained do not contradict the assumptions about the possibility of implementing an adaptive receiver with the choice of an information channel in terms of speed. It is shown that the use of such a receiving device with an algorithm for selecting and switching information channels according to the reception rate provides a significant gain in information transmission time in comparison with traditional reception and switching of speeds by commands in conditions of complex interference stop. Keywords: receiver, channel, radio link, interference, signal

52 А. В. КРУГЛОВ, О. И. ХОМОВ Введение В современных командно-измерительных си- стемах (КИС) широкое распространение получили В настоящее время космические радиолинии псевдошумовые сигналы (ПШС), которые при от- подвержены воздействию различных типов помех. носительно простых способах формирования обла- Воздействие большого количества помех может дают низким уровнем боковых лепестков (УБЛ) уменьшить скорость передачи информации и вы- автокорреляционной функции (АКФ). Также в по- звать затруднения в приеме и выделении из сиг- следние годы выполнен ряд исследований по ре- нала информации радиоэлектронными средствами. ализации принципа построения КИС, основанного Под действием помех радиосистемы перестают на адаптации алгоритмов обработки к свойствам быть источником информации, несмотря на их ис- полезных сигналов и помех [2]. правность. Можно выделить несколько основных способов борьбы с помехами [1]: На основании этого принципа разработан ал- горитм адаптации радиолинии КИС, позволяющий – увеличение энергетического потенциала ра- производить выбор информационных каналов по диолинии (мощности передатчика, коэффициента результатам их анализа на различных скоростях усиления антенны); и автоматически подключать выбранный канал, что очень актуально для управления низкоорбиталь- – снижение уровня собственных шумов при- ных КА. емника; Современное развитие элементной базы и вы- – снижение уровня внешних помех на входе числительной техники с применением рекоменда- приемника за счет их компенсации; ции CCSDS [3] (Consultative Committee for Space Data Systems — Консультативного комитета по кос- – применение совместной обработки помехи мическим системам передачи данных) позволят и сигнала, основанной на определении различий улучшить и повысить помехоустойчивость и сокра- между полезным сигналом и помехой; тить время вхождения в связь в командных радио- линиях с ПШС. – повышение отношения сигнал/помеха за счет использования помехоустойчивых методов модуля- Основные принципы работы ции и кодирования. адаптивного приемника с параллельным приемом Развитие технических решений, обеспечиваю- нескольких информационных щих защиту от помех, идет в направлении ком- каналов с разной скоростью плексного применения указанных выше и других передачи информации методов, однако реализация таких решений требует определенного усложнения аппаратуры. Как отмечается в [4], «для радиоканалов со сложными сигналами с расширением спектра ха- Одночастотная гармоническая помеха выреза- рактерно совместное действие шумовых и струк- ется в относительно узкой полосе частот, а полез- турных помех. В многоканальных системах струк- ная информация полностью восстанавливается по турные помехи обусловлены взаимным влияни- «неповрежденным» участкам спектра. Любая со- ем каналов, объединяемых в одной радиолинии, средоточенная в спектре помеха на выходе корре- а в многоспутниковых системах — взаимным влия- ляционного приемника преобразуется с использо- нием межспутниковых радиоканалов, работающих ванием псевдошумовых сигналов (ПШС) в широ- в выделенном частотном диапазоне. Кроме того, кополосную и эффективно подавляется. на радиоканалы со сложными сигналами возможно воздействие преднамеренных структурных помех. Эффективность работы приемника в условиях Действие шумовых структурных помех является помех зависит от выбора вида модуляции, кодиро- вания и методов обработки сигнала в приемнике. Вопросы кодирования и перемежения символов яв- ляются самостоятельными направлениями исследо- ваний, поэтому остановимся подробнее лишь на проблемах приема выбранных сигналов в условиях помех. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

АДАПТАЦИЯ РАДИОЛИНИИ КИС ПО СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 53 наиболее сложным для оценки показателей помехо- информация (КПИ). Приемник осуществляет вы- устойчивости передачи информации и синтеза оп- бор сигнала на нескольких используемых информа- тимальной обработки принимаемых сигналов». ционных скоростях. Входная смесь сигнала и поме- хи y(t) поступает в m параллельных рабочих ка- Помехоустойчивость приема сигнала для ши- налов (рис. 1), каждый из них настроен на свою рокополосных сигналов (ШПС) определяется базой тактовую частоту приема. сигнала, равной отношению полосы информацион- ного сигнала к полосе широкополосного сигнала. Полученные отсчеты с корреляционных при- емников поступают на схему выбора максимума Уровень помех на входе приемника может (СВМ), где сравниваются с порогом. В результа- в несколько раз превышать полезный сигнал. Это те сравнения выдается решение, какой из m сиг- может быть результатом действия как шумов есте- налов был передан. Решение будет приниматься по ственного происхождения, преднамеренных помех, максимальным уровням выходного сигнала в од- так и собственных шумов приемника. В связи ном из выделяемых каналов. Блок подключения вы- с этим возникает необходимость создания надеж- бранного канала (БПВК) автоматически подключает ных систем связи, которые могли бы с заданной один из m-каналов с выбранной скоростью информа- вероятностью передавать информацию в условиях ции для выделения нужных нам данных. помех [5]. В качестве такой системы может быть использован корреляционный приемник на основе Предложенный способ приема информации псевдослучайных последовательностей. позволяет адаптировать линию по скорости пере- дачи информации. Бортовой приемник анализирует На практике при обнаружении сигнала исполь- все m-каналов и выбирает канал, на котором рабо- зуется последовательно-параллельная процедура об- тает наземная станция. Факт приема сигнала отра- работки. На рис. 1 приведена структурная схема жается в квитанционном сигнале. приемника, осуществляющего параллельный при- ем сигналов на разных информационных скоростях На этом экономится время переключения ско- и автоматическое подключение нужного канала. рости передачи командно-программной информа- ции КПИ. Если КПИ на высокой скорости не при- Рассмотрим принцип работы разрабатывае- нимается в БА, то НС переходит на более низкую мого приемника. На вход приемного тракта борто- скорость автоматически без команд. вой аппаратуры поступает командно-программная Алгоритм выбора информационного канала Рис. 1. Функциональная схема параллельного приема В радиолиниях КИС могут применять- сигналов с разными информационными скоростями ся различные скорости передачи КПИ, напри- мер 1 Кбит/c, 8 Кбит/c, 16 Кбит/c, 32 Кбит/c, и автоматическим подключение нужного канала 128 Кбит/c, 256 Кбит/c. Внешняя помеховая обста- новка, которая воздействует на эту радиолинию КИС, требует оперативности к объему доставки ин- формации на борт КА. В качестве примера КПИ в табл. 1 представ- лена структура передаваемой информации в соот- ветствии с рекомендациями CCSDS [6]. В соответствии с табл. 1 каждому блоку КПИ предшествует стартовая последовательность, которая передается на той же тактовой частоте, что и информация. По выделению стартовой последова- тельность можно судить о скорости передаваемой РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

54 А. В. КРУГЛОВ, О. И. ХОМОВ Рис. 2. M -последовательность Рис. 3. Автокорреляционная функция для тактовой частоты 1 кГц в первом канале (К1) Рис. 4. Взаимокорреляционная функция для тактовой частоты 8 кГц во втором канале (К2) Рис. 5. Взаимокорреляционная функция для тактовой частоты 16 кГц в третьем канале (К3) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

АДАПТАЦИЯ РАДИОЛИНИИ КИС ПО СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 55 Т а б л и ц а 1. Компоненты блока передачи информации тивного приемника с выбором информационного канала по скорости. Блок передачи командного звена Применение такого приемного устройства Стартовая Закодиро- Завершающая с возможностью адаптации радиолинии КИС к воз- последова- ванные последова- действию помех по скорости передачи информации тельность данные тельность в условиях помех обеспечивает значительный вы- игрыш по времени передачи информации в срав- 31 символ Кодовый блок Длина одного нении с традиционным приемом и переключением кодового блока скоростей по командам. информации. В качестве примера выбрана стар- Список литературы товая последовательность, представляющая собой M -последовательность (рис. 2) с периодом M = 1. Невдяев Л. CDMA: Борьба с помехами. Текст: элек- = 25 − 1 = 31 с соответствующим порождаю- тронный // Сети/Network world: электронный жур- щим полиномом 5-й степени, которые приведены нал. 2000. № 10. https://www.osp.ru/nets/2000/10/ в табл. 2. Решение о выборе канала и, следователь- 141420 (Дата обращения 18.11.2020). но, скорости передачи информации можно сделать по выделению стартовой последовательности. 2. Формирование обобщенных данных. Эксперименталь- ная спецификация CCSDS 551.1-O-1. Текст: электрон- Т а б л и ц а 2. M -последовательность ный // Научные исследования и разработки в обла- сти стандартов космических систем связи. Оранжевая M -последовательность Порождающий книга. 2015, вып. 1. 48 с. https://public.ccsds.org/ полином h(x) Pubs/551x1o1e1(R).pdf (Дата обращения 18.11.2020). 0000100101100111110001101110101 h(x) = x5 + x2 + 1 3. Дронов А. Н., Леонов М. С., Круглов А. В. и др. Ал- горитмы синтеза и обработки сигналов, обладающих С помощью программы, написанной на языке свойством симметрии в спутниковых системах пере- программирования С++, были рассчитаны и по- дачи информации // Цифровая обработка сигналов строены графики для корреляционных функций. помехоустойчивых космических радиолиний. Моде- Графики, полученные с помощью этой программы, ли, алгоритмы и технические средства. Сборник ста- представлены на рис. 2–5. тей. М.: Радиотехника, 2007. 96 с. Анализ функций авто- и взаимокорреляции по- 4. Мальцев Г. Н., Травкин В. С. Оптимальный прием казывает, что максимальный уровень боковых ле- сложных фазоманипулированных сигналов в спут- пестков АКФ-последовательности (рис. 3) не пре- никовых радиоканалах в условиях внутрисистемных вышает уровня 0,3 относительно нормированного структурных помех // Информационно-управляющие уровня 1. На рис. 4 и 5 показано, что выбросы системы, 2006, № 5 (24). С. 36–42. взаимокорреляционных функций стартовой после- довательности на скоростях 8 и 16 кГц не превы- 5. Ларьков И. В. Исследование параметров корреляци- шают величину 0,48 от нормированного значения, онного приемника псевдослучайных сигналов // Ис- что даст возможность выделить канал с нужной следования и разработки в области машиностроения, скоростью передачи. энергетики и управления: материалы XV Между- народной научно-технической конференции студен- Заключение тов, аспирантов и молодых ученых, Гомель, 23– 24 апреля 2015 г. / Министерство образования Республики Беларусь, Гомельский гос. техн. ун-т им. П. О. Сухого; под общ. ред. А. А. Бойко. Гомель: ГГТУ им. П. О. Сухого, 2015. С. 273–276. Проведенный анализ автокорреляционных и вза- 6. Telecommand Part 1 Channel service. Recommendation for Space Data System Standards CCSDS 201.0-B-3. имокорреляционных функций позволил сделать Текст: электронный // Blue Book. Washington, DC: вывод, что полученные данные не противоречат CCSDS. 2000. 42 p. https://public.ccsds.org/Pubs/ предположениям о возможности реализации адап- 201x0b3s.pdf (Дата обращения 18.11.2020). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 56–62 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ УДК 621.396.679 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.4.56.62 Особенности построения приемо-передающего антенно-волноводного устройства K-, Ka-диапазонов систем связи С. И. Бойчук, [email protected] ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация В. И. Демченко, к. т. н., [email protected] ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация А. Е. Коровкин, [email protected] ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация А. В. Шипулин, [email protected] ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация Ю. И. Полтавец, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Приведены результаты разработки антенно-волноводного тракта, обеспечивающего прием и передачу сигналов в расширенном диапазоне K-, Ka- с режимом автосопровождения, реализованном на возбуждении высших типов волн. Опре- делены показатели эффективности облучателя, параметры волноводного устройства выделения сигналов ошибки, частотного дуплексера, фазосдвигающих секций и устройств поляризационного преобразования. Ключевые слова: антенно-волноводный тракт, диаграмма направленности, гофрированный рупор Construction Features of the Transceiver Antenna-Waveguide Device of К/Ka-Band Communication Systems S. I. Boychuk, [email protected] FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russian Federation V. I. Demchenko, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russian Federation A. E. Korovkin, [email protected] FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russian Federation A. V. Shipulin, [email protected] FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russian Federation Yu. I. Poltavets, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The paper presents the results of the development of an antenna and waveguide transmission line providing reception and transmission of signals in the extended K/Ka-band with an autotracking mode implemented on the excitation of higher types of waves. The indicators efficiency of the feed, parameters of the waveguide device for extracting error signals, frequency duplexer, phase-shifting sections, and polarization conversion devices were determined. Keywords: antenna and waveguide transmission line, radiation pattern, corrugated horn

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО АВУ 57 Загруженность линий систем связи в Ka-диа- фазосдвигающих секций и устройств поляризацион- пазоне c каналами приема и передачи на часто- ного преобразования, обеспечивающих максималь- тах 19 ГГц и 30 ГГц приводит к необходимости пе- ную эффективность МЗА. реходить к более высоким значениям частот при создании перспективных систем связи, что поз- 3. Исследование частотных характеристик раз- волит увеличить объем передаваемой информации работанного приемо-передающего антенно-волно- по каналам земных станций спутниковой связи. водного тракта. Для увеличения качества передачи широко исполь- зуются сигналы ортогональных круговых поляри- С целью обеспечения автоматического сопро- заций. Применение поляризационного уплотнения вождения КА, как правило, применяется моно- в таких системах предполагает обеспечение много- импульсный метод, основанный на одновременном диапазонной зеркальной антенны (МЗА) уровня использовании формируемых зеркальной антенной кроссполяризационной развязки в рабочих диапа- суммарной и разностной ДН [4]. Для получения зонах частот не менее −30 дБ [1]. Для работы суммарно-разностных ДН в основном применяют в миллиметровом диапазоне частот МЗА должна единый многомодовый гофрированный конический иметь высокие показатели эффективности, обеспе- рупор, в котором для возбуждения суммарной ДН чивающие прием и передачу сигналов в различных используется основной тип волны H11, а для раз- погодных условиях [2, 3]. При этом выбор требуе- ностных ДН — высшие типы волн E01, H01, H21. мых значений показателей эффективности должен проводиться с учетом возможности обеспечения Зеркальные антенны должны содержать в сво- повышенной точности наведения и удержания мак- ем составе совмещенный приемо-передающий ан- симума диаграммы направленности (ДН), которая тенно-волноводный тракт (АВТ), состоящий из по- с ростом частоты приводит к значительному умень- следовательно соединенного широкополосного гоф- шению ее ширины. рированного рупора, формирующего ДН суммарно- го и разностного каналов, волноводного устройства Очевидно, решение задачи создания высокоэф- для выделения волны высшего типа H21 на основе фективного МЗА связано прежде всего с разработ- ответвителя моды, а также устройства частотной се- кой первичного антенно-волноводного устройства лекции сигналов премного и передающего каналов (АВУ). В соответствии с этим в статье исследу- (частотный дуплексер) с устройствами поляризаци- ются частотные характеристики составных частей онного преобразования круговых поляризаций [5,6]. АВУ для двухдиапазонной антенны спутниковой связи К-, Ka-диапазонов. Известные технические решения не обес- печивают выполнения всей совокупности требо- Цель статьи — оценка возможности разработ- ваний, предъявляемых к зеркальным антеннам ки АВУ K-, Ka-диапазонов с кроссполяризацион- K- и Ka-диапазонов земных станций спутниковой ной развязкой не менее 30 дБ и возможностью связи, в том числе автосопровождения на едином построения режима автосопровождения на едином рупорном излучателе. рупорном излучателе. Для поддержания связи с сопровождаемыми Решаются следующие задачи. КА станции должны содержать совмещенный при- 1. Анализ возможности создания совмещен- емо-передающий антенно-волноводный тракт с ре- ных приемо-передающих АВУ K-, Ka-диапазонов жимом автосопровождения. Представленное АВУ с характеристиками кроссполяризационной развяз- содержит: последовательно соединенные приемо- ки не менее 30 дБ и возможностью построения ре- передающий облучатель с гофрированной внутрен- жима автосопровождения на едином рупорном из- ней структурой, волноводное устройство ВУ ВСО лучателе. на основе ответвителя моды H21 и устройства сло- жения, частотный разветвитель и сумматор, устрой- 2. Выбор варианта построения разрабатывае- ства поляризационного преобразования — поляриза- мого АВУ, показателей эффективности излучателя, торы, поляризационные селектора; а также в при- параметров волноводного устройства выделения сиг- емных (суммарном и разностном) каналах располо- нала ошибки (ВУ ВСО), частотного дуплексера, жены полосовые фильтры, предотвращающие попа- дание передаваемых сигналов в приемный канал. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

58 С. И. БОЙЧУК, В. И. ДЕМЧЕНКО, А. Е. КОРОВКИН И ДР. Рис. 1. Облучатель: а) общий вид; б) внутренняя структура, где 1 — модовый преобразователь, 2 — радиальный переход, 3 — коническая секция Рис. 2. Диаграмма направленности облучателя: а) канал приема; б) канал передачи, где 1 — разностная ДН, 2 — суммарная ДН в -плоскости, 3 — суммарная ДН в H-плоскости В ходе создания АВУ были разработаны все хода длиной 1,6K{λ0} 2 и конической секции дли- входящие в него волноводные устройства. Оп- ной 4K{λ0} 3, образующей его раскрыв. Фазовый тимизация геометрических параметров внутрен- центр рупора отстоит на 5K{λ0} от его раскрыва ней структуры устройств проводилась исходя из и меняется с ростом частоты в пределах 4K{λ0}– обеспечения высоких электрических характеристик 6K{λ0}. Внутренняя структура облучателя показа- МЗА. на на рис. 1, б. Возбуждение основного и высшего типов волн Полученные ДН облучателя на центральных (H11 и H21), а также формирование соответствую- частотах рабочих диапазонов частот представлены щей суммарной и разностной ДН достигается ис- на рис. 2. полнением облучателя с волноводным выходом сечения диаметром 1,1K{λ0} и гофрированной Полученные ДН облучателя обеспечивают оп- внутренней структурой рупорной части облучате- тимальные характеристики облучения контрреф- ля [7]. Общий вид облучателя показан на рис. 1, а. лектора в K- и Ka-диапазонах частот с углом об- лучения 18◦ и в целом позволят добиться высоких Облучатель представляет собой конический энергетических характеристик антенной системы. рупор с ребристой внутренней поверхностью, обра- Наличие разностной ДН с явно выраженным про- зованной периодической структурой кольцевых ка- валом (нулем ДН) в направлении максимума сум- навок, и функционально состоит из модового пре- марной ДН позволит обеспечить режим автомати- образователя длиной 5K{λ0} 1, радиального пере- ческого сопровождения АВУ. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО АВУ 59 Для выделения сигналов ошибки и формирова- ния разностного канала используется ВУ ВСО на основе ответвителя высшей моды H21. Ответвитель моды H21 имеет повышенное сечение, что обеспе- чивает распространение высших типов волн в круг- лом волноводе и выделение сигналов ошибки на его боковых выходах. Содержит в каждой линии свя- зи прямоугольные щели и не вносит возмущений в суммарный канал. При приеме и передаче сигна- лов в круглом волноводе ВУ ВСО, наряду с волной высшего типа H21, возбуждается и волна основного типа H11, что обеспечивает формирование разност- ной и суммарной ДН. Ответвитель моды выпол- нен на основе круглого волновода сечения 1,1K{λ0} с восемью диаметрально расположенными щелями, формирующими волноводные каналы. Общий вид разработанного ВУ ВСО показан на рис. 3, а. Рис. 4. Коэффициент стоячей волны частотного дуплек- сера: а) K-диапазон; б) Ka-диапазон Рис. 3. Общие виды: а) волноводное устройство выде- Поляризаторы приемного и передающего ка- ления сигнала ошибки; б) частотный дуплексер налов выполнены с использованием 90-градусных фазосдвигающих секций, состоящих из отрезка Разветвитель выполнен из последовательно со- квадратного волновода, на двух противополож- единенного круглого волновода 0,86K{λ0}, кониче- ных стенках которого выполнены периодические ского гладкого перехода с диаметрально располо- гофрированные структуры, а также переходов на женными продольными щелями и круглого волно- цилиндрический волновод диаметром 0,73K{λ0} вода 0,41K{λ0}. Фильтры нижних частот вафель- и 0,41K{λ0} соответственно. ного типа выполнены на основе прямоугольного волновода сечением 11 × 5,5 мм. Сумматор пред- Для осуществления поляризационного преоб- ставляет собой конический переход с диаметрально разования сигналов круговых поляризаций секции расположенными продольными щелями на круглый поляризаторов устанавливают под 45◦ к выходам волновод 0,73K{λ0}. ортомодовых преобразователей. Общие виды поля- ризаторов представлены на рис. 5. Общий вид разработанного частотного дуплек- сера представлен на рис. 3, б. Полученные зависимости дифференциального фазового сдвига от частоты поляризаторов прием- Полученные после проведения моделирования ного и передающего каналов приведены на рис. 6. внутренней структуры и отработки изготовленно- го образца значения коэффициента стоячей волны Отклонение значений дифференциального фа- в K-и Ka-диапазонах представлены на рис. 4. зового сдвига поляризаторов каналов приема и пе- редачи от 90◦ составляет не более 1,8◦ и 2,9◦ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

60 С. И. БОЙЧУК, В. И. ДЕМЧЕНКО, А. Е. КОРОВКИН И ДР. Рис. 5. Общий вид поляризаторов канала приема (а) и передачи (б) Рис. 6. Зависимость дифференциального фазового сдвига поляризаторов приемного (а) и передающего (б) каналов от частоты соответственно. Это позволяет добиться требуемых Рис. 7. Общий вид селекторов приема (а) и передачи (б) значений кроссполяризационной развязки. Рис. 8. Общий вид приемо-передающего антенно-волно- Поляризационные селекторы приемного и пе- водного тракта редающего каналов выполнены в виде тройников, состоящих конструктивно из двух деталей. Внут- ренняя структура образована на основе квадратно- го волновода сечением 11×11 мм в приемном кана- ле и 4,3 × 4,3 мм в передающем каналах, содержит ступенчатый переход на прямоугольный волновод стандартного сечения 11 × 5,5 мм в приемном ка- нале и 6,2 × 3,1 мм в передающем каналах соот- ветственно. Общие виды селекторов представлены на рис. 7. По завершению разработки топологии и кон- струкции входящих устройств был сформирован приемо-передающий антенно-волноводный тракт, обеспечивающий прием и передачу сигналов в K-, Ka-диапазонах частот с режимом автосопро- вождения для размещения в МЗА. На рис. 8 пред- ставлен общий вид опытного образца АВУ. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО АВУ 61 Рис. 9. Коэффициент стоячей волны антенно-волноводного тракта: а) по каналу приема; б) по каналу передачи Рис. 10. Кроссполяризационная развязка антенно-волноводного тракта: а) по каналу приема; б) по каналу передачи Полученные при моделировании высокие ха- поляризаций с возможностью автоматического со- рактеристики всех устройств, а также техноло- провождения КА моноимпульсным методом при ра- гичная конструкция по результатам изготовления боте в составе приемо-передающей МЗА. позволили добиться по выходам антенно-волновод- ного тракта требуемых значений кроссполяризаци- Выводы онной развязки и КСВН в режиме приема и пере- дачи ортогональных сигналов круговых поляриза- 1. Анализ возможности создания совмещен- циях в K-, Ka-диапазонах. ных приемо-передающих АВУ K-, Ka-диапазонов с характеристиками кроссполяризационной развяз- На рис. 9 показан уровень согласования изго- ки не менее 30 дБ и возможностью построения товленного образца АВУ по каналу приема и пере- режима автосопровожнения на едином рупорном дачи. КСВН не превышает значения 1,4. излучателе показал необходимость использования гофрированного рупорного излучателя на повышен- На рис. 10 приведены графики зависимости ном сечении, имеющего сложный преобразователь измеренных кроссполяризационных развязок АВУ различных типов волн. по каналу приема и передачи. 2. Выбор варианта построения разрабатывае- Графики, приведенные на рис. 10, показывают, мого АВУ и входящих в него различных вол- что кроссполяризационная развязка в канале при- новодных устройств, в том числе гофрированно- ема не превышает −35 дБ, а в канале передачи — го рупорного излучателя, должен обеспечивать −33 дБ. оптимальный выбор параметров при совокупности заданных требований — полосы частот, кроссполя- Таким образом, предложенная конфигурация ризационной развязки, потерь по каналам приема антенно-волноводного тракта K-, Ka-диапазонов ча- стот c единым рупорным излучателем обеспечивает прием и передачу сигналов ортогональных круговых РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

62 С. И. БОЙЧУК, В. И. ДЕМЧЕНКО, А. Е. КОРОВКИН И ДР. и передачи, возможности формирования суммарно- 3. Свидетельство о государственной регистрации про- разностных ДН. граммы для ЭВМ 2019666288. Расчет затухания в атмосферных газах, гидрометеорах / С. И. Бойчук, 3. Исследование частотных характеристик раз- Л. Н. Козлова, А. Е. Коровкин и др.; заявитель и па- работанного приемо-передающего антенно-волно- тентообладатель ФГУП «РНИИРС». № 2019612895; водного устройства показало, что выбранный ва- заявл. 21.11.2019; опубл. 06.12.2019. риант построения АВУ обеспечивает прием и пере- дачу сигналов K-, Ka-диапазонов частот, кросспо- 4. Коровкин А. Е., Раздоркин Д. Я., Шипулин А. В. ляризационную развязку 35 дБ и 33 дБ и обеспе- Моноимпульсный облучатель зеркальных антенн на чивает формирование суммарно-разностных ДН. высших типах волн // Антенны, 2012, вып. 9(184). С. 14–18. Список литературы 5. Демченко В. И., Косогор А. А., Раздоркин Д. Я. Ме- 1. Крылов Ю. В., Тайгин В. Б. Проектирование облу- тодология разработки многодиапазонных зеркаль- чателя в Ka/Q-диапазоне на основе «восстанавлива- ных антенн // Антенны, 2012., вып. 9(184). С. 4–13. ющей» схемы // Вестник СибГАУ, 2015, т. 16, № 2. С. 417–422. 6. Бойчук С. И., Коровкин А. Е., Раздоркин Д. Я. Ан- тенно-волноводные устройства с единым рупором 2. Габриэльян Д. Д., Демченко В. И., Коровкин А. Е. для многодиапазонных антенных систем // Радио- и др. Показатели и критерии эффективности об- техника, 2019, т. 83, № 7 (9). С. 202–208. лучающей системы многодиапазонной зеркальной антенны радиоэлектронных комплексов // Вестник 7. Свидетельство о государственной регистрации про- воздушно-космической обороны, 2018, вып. 4 (20). граммы для ЭВМ 2018611281. Программа ис- С. 24–33. следования диаграммы направленности гофриро- ванного рупора / С. И. Бойчук, Д. Д. Габриэльян, А. Е. Коровкин и др.; заявитель и патентообла- датель ФГУП «РНИИРС». № 2017662418; заявл. 30.11.2017; опубл. 29.01.2018. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 63–73 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 528.835.042.3 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.4.63.73 Развитие аппаратуры ДЗЗ серии МСУ-МР в части повышения точности радиометрических измерений и расширения ее функциональных возможностей К. В. Бадаев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Ю. М. Гектин, к. т. н., доцент, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Ю. Ю. Гулин, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. А. Зайцев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация В. Н. Максин, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Н. П. Пузаков, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация В. Н. Сахаров, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Д. С. Серебряков, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация М. Б. Смелянский, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. Г. Фролов, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Работа посвящена описанию технической эволюции аппаратуры МСУ-МР, устанавливаемой на космические ап- параты серии «Метеор-3М». После запуска каждого следующего космического аппарата серии у коллектива разработчиков появляются новые идеи по модернизации аппаратуры МСУ-МР в целях повышения ее метрологических характеристик. В этой работе подробно описаны как уже апробированные в ходе летных испытаний улучшения аппаратуры МСУ-МР (расшире- ние диапазона измеряемых температур, дистанционная регулировка параметров электронных трактов формирования сигнала и температур имитаторов абсолютно черного тела, усовершенствование методики фокусировки в наземных условиях), так и те, летная апробация которых еще предстоит (дистанционная фокусировка, увеличение холодопроизводительности радиатора ими- татора абсолютно черного тела, а также ряд других). Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, спутниковая аппаратура, модернизация аппаратуры, инфракрасный диапазон спектра, радиометрическая точность измерений

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 63–73 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ Evolution of ERS Equipment of the MSU-MR Series as Related to Increasing the Accuracy of Radiometric Measurements and Expanding Performance Capabilities K. V. Badayev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Yu. M. Gektin, Cand. Sci. (Engineering), associate professor, [email protected]а Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Yu. Yu. Gulin, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. A. Zaytsev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation V. N. Maksin, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation N. P. Puzakov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation V. N. Sakharov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation D. S. Serebryakov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation M. B. Smelyanskiy, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. G. Frolov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. This work is devoted to the description of the technical evolution of the MSU-MR equipment installed on Meteor-3M series spacecraft. After the launch of each successive spacecraft of the series, the development team generates new ideas concerning the modernization of the MSU-MR equipment in order to improve its metrological characteristics. This work describes in detail both the improvements of the MSU-MR equipment already tested during flight tests (expansion of the temperature measurement range, remote adjustment of the parameters of electronic signal generation paths and of the temperatures of black body simulators, refinement of the method of laboratory focusing) and of the equipment yet to be subject to flight tests (remote focusing, increasing the cooling capacity of the radiator of the black body simulator, as well as a number of others). Keywords: Earth remote sensing, satellite equipment, equipment modernization, infrared spectrum, radiometric accuracy of mea- surements

РАЗВИТИЕ АППАРАТУРЫ ДЗЗ СЕРИИ МСУ-МР 65 Введение Т а б л и ц а. Основные характеристики аппаратуры МСУ-МР КА «Метеор-М» № 2-2 5 июля 2019 года в рамках формирования российской группировки спутников дистанционно- Наименование параметра Значение го зондирования Земли (ДЗЗ) [1] на круговую сол- параметра нечно-синхронную орбиту был успешно запущен космический аппарат (КА) «Метеор-М» № 2-2 про- Средняя высота орбиты, км 832 изводства АО «Корпорация ВНИИЭМ». В числе целевой аппаратуры на борту КА находится мно- Полоса обзора в направлении, перпендику- 2900 гозональное сканирующее устройство малого раз- лярном направлению полета КА, км решения МСУ-МР производства АО «Российские космические системы» (далее МСУ-МР 2-2). Линейное разрешение на поверхности 1,0 в подспутниковой точке, км Аппаратура серии МСУ-МР предназначена для решения таких гидрометеорологических задач, Количество каналов 6 как определение температуры суши и акваторий, картирование облачности, определение ее высоты Границы спектральных диапазонов в кана- 0,5–0,7 и водозапаса и т. д. К настоящему моменту аппара- тура МСУ-МР 2-2 успешно прошла летные испыта- лах № 1–6, мкм 0,7–1,1 ния и принята в штатную эксплуатацию. Основные характеристики аппаратуры МСУ-МР 2-2, подтвер- 1,6–1,8 жденные в процессе летных испытаний, представ- лены в таблице. Сейчас к запуску готовится аппа- 3,5–4,1 ратура МСУ-МР для КА «Метеор-М» № 2-3 (далее МСУ-МР 2-3). 10,5–11,5 Для аппаратуры серии МСУ-МР это уже чет- 11,5–12,5 вертый по счету запуск — предыдущие КА серии были запущены в 2009, 2014 и 2017 годах (за- Диапазон измеряемых эффективных ярко- 0–85 пуск КА «Метеор-М» № 2-1 в 2017 году закон- стей в каналах № 1–3, Вт/(м2 · ср): 0–71 чился неудачей). Устройство и общие принципы • 0,5–0,7 мкм 0–10 функционирования аппаратуры серии МСУ-МР по- • 0,7–1,1 мкм дробно описаны в работе [2], достигаемые точно- • 1,6–1,8 мкм сти в определении температур акваторий приведе- ны в работе [3]. Здесь будут описаны доработки, Отношение сигнал/шум в каналах № 1–3: 1000 реализованные в аппаратуре МСУ-МР 2-2 и 2-3, • 0,5–0,7 мкм 800 а также планируемые усовершенствования после- • 0,7–1,1 мкм 600 дующих приборов этой серии. • 1,6–1,8 мкм Диапазон измеряемых радиационных тем- 220–380 190–320 ператур в каналах № 4–6, K: 190–320 • 3,5–4,1 мкм • 10,5–11,5 мкм • 11,5–12,5 мкм Эквивалентная шуму разность температур 0,06 0,06 на уровне 300 K в каналах № 4–6, K: 0,07 • 3,5–4,1 мкм • 10,5–11,5 мкм • 11,5–12,5 мкм Разрядность выходного сигнала, бит 10 Модернизация аппаратуры МСУ-МР ние диапазона измеряемых температур в каналах для КА «Метеор-М» № 2-2. № 4–6. В предыдущих приборах МСУ-МР он со- Оптимизация границ диапазона ставлял 220–320 K во всех трех каналах. измеряемых температур в каналах № 4–6 Спектральные диапазоны 10,5–11,5 и 11,5– 12,5 мкм предназначены для определения темпера- Важнейшей особенностью, впервые реализо- туры подстилающей поверхности — суши, водной ванной в аппаратуре МСУ-МР 2-2, стало расшире- поверхности, льда, облачности и пр. При этом су- ществует ряд объектов, имеющих температуру ниже 220 K (в основном это высокая облачность и поляр- ные шапки). Соответственно их температуру было РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

66 К. В. БАДАЕВ, Ю. М. ГЕКТИН, Ю. Ю. ГУЛИН И ДР. Рис. 1. Фрагмент изображения Южного полюса, полу- (далее ФПУ) с четырьмя фоточувствительными ченного в канале № 5 аппаратуры МСУ-МР КА «Ме- площадками (ЧП) в каждом, ориентированными вдоль направления сканирования [5]. Ранее в каж- теор-М» № 2-2 23.07.2020 дом из этих каналов использовались идентичные электронные формирователи сигнала, а выходной невозможно определить по данным аппаратуры цифровой сигнал представлял собой просуммиро- МСУ-МР КА «Метеор-М» № 1 и 2 [4]. При со- ванный с необходимыми временными задержками здании аппаратуры МСУ-МР 2-2 нижняя граница и осредненный сигнал от всех четырех ЧП (циф- диапазона измеряемых температур в каналах № 5 ровой режим временной задержки и накопления). и 6 была понижена до 190 K за счет изменения ко- В канале № 4 аппаратуры МСУ-МР 2-2 таким об- эффициентов аналогового усиления сигнала без су- разом формируется усредненный сигнал от первых щественных потерь радиометрического разрешения трех ЧП. Коэффициент аналогового усиления для (рис. 1). Значения сигналов всех зарегистрирован- них соответствует температурному диапазону 220– ных температур переданы без ограничений. Изоб- 230 K. Коэффициент усиления сигнала от четвер- ражение приведено в стереографической проекции, той ЧП устанавливается существенно более низ- наложена координатная сетка. ким, так что верхний уровень температурного диа- пазона достигает для нее значения 380 K [6]. Кон- Спектральный диапазон 3,5–4,1 мкм опти- кретные значения коэффициентов аналогового уси- мально подходит для обнаружения и регистрации ления подбираются при наземной настройке. очагов пожаров. Поэтому в канале № 4 верхняя граница диапазона измеряемых температур была Теперь операция формирования выходного сиг- существенно повышена — до 380 K — для воз- нала в канале № 4 выполняется по следующему ал- можности регистрации сигнала от высокотемпера- горитму: турных объектов. Однако, поскольку разрядность Uвых = выходного сигнала осталась прежней и составля- = αU ЧП № 1–3 + βUЧП № 4, когда U ЧП № 1,2,3 < U0, ет всего 10 бит, а наряду с расширением тем- пературного диапазона необходимо сохранить вы- αU0 + βUЧП № 4, когда U ЧП № 1,2,3 U0, сокое радиометрическое разрешение в диапазоне 220–320 K, то в этом канале был реализован нели- Рис. 2. Фрагмент изображения западного побережья Аф- нейный аппаратно-программный алгоритм форми- рики, полученного в канале № 4 аппаратуры МСУ-МР рования выходного сигнала. КА «Метеор-М» № 2-2 23.07.2020 В каналах № 4–6 аппаратуры серии МСУ-МР используются линейные фотоприемные устройства РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАЗВИТИЕ АППАРАТУРЫ ДЗЗ СЕРИИ МСУ-МР 67 Рис. 3. Функциональная схема аналоговых трактов аппаратуры МСУ-МР 2-2 где Uвых — выходной сигнал в канале № 4; (далее ИАЧТ-Х и ИАЧТ-Г соответственно). Воз- U ЧП № 1,2,3 — осредненный сигнал от ЧП № 1–3 можность такой регулировки по командам с Земли была реализована при создании аппаратуры МСУ- ФПУ канала № 4 (получаемый с обычным коэффи- МР 2-2. циентом усиления); Для поддержания динамического диапазона UЧП № 4 — сигнал от ЧП № 4 ФПУ канала № 4 сигнала в заданных пределах в каналах № 1–3 ап- (получаемый с пониженным коэффициентом усиле- паратуры серии МСУ-МР реализована автомати- ния); ческая подстройка значения сигнала нулевой яр- кости на заданный уровень «черного» путем изме- U0 — уровень цифрового ограничения сигнала нения величины постоянной составляющей сигна- U ЧП № 1,2,3; ла в аналоговом тракте. В каналах № 4–6 подоб- ным образом выполняется подстройка на заданный α и β — постоянные масштабные коэффици- уровень «холодного» сигнала от ИАЧТ-Х. В ап- енты, используемые при цифровой обработке. паратуре МСУ-МР 2-2 реализована возможность изменения значения заданных уровней подстрой- На рис. 2 представлен фрагмент изображе- ки сигнала во всем диапазоне шкалы выходного ния в канале № 4. На изображении хорошо видны сигнала, а также значения коэффициентов усиле- очаги пожаров. ния в диапазоне от K × 0 до K × 3 (K — ко- эффициент усиления предварительного усилителя) Дистанционное регулирование с 10-битной точностью. Функциональная схема мо- параметров электронных трактов дифицированных аналоговых трактов аппаратуры формирования сигнала МСУ-МР 2-2 представлена на рис. 3. и температур имитаторов абсолютно черного тела Назначение блоков, представленных на рис. 3: Опыт эксплуатации аппаратуры МСУ-МР, на- – B1 — приемник излучения; чиная с ее первого запуска, показал необходи- – ПУ-РХ — предварительный усилитель, состо- мость регулирования в процессе летной эксплуата- ции коэффициентов передачи усилительных трак- ящий из усилителя U1 с фиксированным коэф- тов во всех каналах и температур «холодного» фициентом усиления K и усилителя-суммато- и «горячего» имитаторов абсолютно черного тела ра U2, где происходит коррекция уровня «чер- ного» («холодного»); РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

68 К. В. БАДАЕВ, Ю. М. ГЕКТИН, Ю. Ю. ГУЛИН И ДР. – БОС — блок обработки сигнала, состоящий из лости поверхность основания является излучающей и имеет специальное покрытие с высоким коэффи- • усилителя U3 с переменным коэффициен- циентом черноты. В предыдущих приборах серии том усиления, выполненного на аналого- МСУ-МР установка заданных значений темпера- вом перемножителе, управляемого напряже- туры осуществлялась при наземной регулировке нием от цифроаналогового преобразователя блока ИАЧТ без возможности ее изменения в про- (ЦАП) U6 по коду, переданному с Земли; цессе летной эксплуатации — 40 ◦C для ИАЧТ-Г и −13 ◦C для ИАЧТ-Х. Однако по совокупности • интегратора U4, электронного ключа S1 внешних и внутренних факторов после вывода КА и ЦАП U5, формирующих сигнал рассогла- на орбиту возможны изменения теплового режима сования между измеренным уровнем «чер- МСУ-МР, что приводит к необходимости коррек- ного» («холодного») в видеосигнале и за- ции температур ИАЧТ. В особенности это каса- данным по коду с Земли, который поступает ется ИАЧТ-Х, поскольку возможность адекватного в усилитель-сумматор U2 в качестве управ- регулирования его температуры напрямую зависит ляющего сигнала. от холодопроизводительности радиатора в условиях переменной засветки от Земли и теплопроводности Для обеспечения требуемой радиометрической тепловой трубы. точности в процессе работы аппаратуры ДЗЗ оп- тического и ИК-диапазонов необходимо выполне- С целью коррекции температуры ИАЧТ в по- ние калибровки. В первую очередь это касается лете в аппаратуре МСУ-МР 2-2 в систему тер- калибровки по бортовым источникам излучения. морегулирования был введен элемент управления В инфракрасном диапазоне спектра такими источ- заданным значением температуры излучающей по- никами являются имитаторы абсолютного черного верхности Tуст (рис. 4). Управляющим элементом тела (ИАЧТ). В аппаратуре серии МСУ-МР для выступает ЦАП отечественного производства, ко- калибровки каналов № 4–6 используются ИАЧТ торый задает напряжение установки системы термо- с температурами, достаточно близкими к нижнему (ИАЧТ-Х) и верхнему (ИАЧТ-Г) уровням темпера- Рис. 4. Функциональная схема блока ИАЧТ аппаратуры турного диапазона. МСУ-МР 2-2 Блок ИАЧТ-Х (ИАЧТ-Г) представляет собой единую конструкцию с тремя сегментами — по од- ному на каждый из каналов № 4–6. В них исполь- зуются нагреватели, которые поддерживают темпе- ратуру излучающей поверхности на определенном уровне, нагревая ее от начального значения до за- данного. Начальная температура ИАЧТ-Г соответ- ствует установившемуся значению температуры кор- пуса прибора — около 15 ◦C. Начальная темпера- тура ИАЧТ-Х составляет от −20 до −15 ◦C и обес- печивается отводом тепла от блока посредством тепловой трубы к пассивному внешнему радиатору, который излучает эту энергию в космос. Блок ИАЧТ включает в себя нагревательные элементы RT , запитанные от бортовой сети (БС), датчики температуры, используемые в обратной связи системы терморегулирования To◦c, телеметри- ческие датчики температуры Tт◦м, аналоговую си- стему терморегулирования. Все эти элементы смон- тированы на основании, изготовленном из алюми- ниевого сплава. Обращенная внутрь приборной по- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАЗВИТИЕ АППАРАТУРЫ ДЗЗ СЕРИИ МСУ-МР 69 регулирования, позволяя стабилизировать темпера- жидкий азот. Охлаждение 2-й ступени РХ при нор- туру излучающей поверхности на заданном уровне мальном атмосферном давлении привело бы к неза- в диапазоне от 30 до 60 ◦C для ИАЧТ-Г и от медлительному образованию льда на входных ок- минимальной температуры −20 ◦C до 0 ◦C для нах ФПУ ИК. Для предотвращения обмерзания ИАЧТ-Х. Управление ЦАП осуществляется путем входных окон ФПУ ИК внутренний объем РХ подачи специальных команд через командную ли- герметизируется и вакуумируется с помощью спе- нию КА [7]. циального технологического оборудования (далее ВК РХ). При этом внешнее атмосферное давле- В процессе летных испытаний были успешно ние вызывает деформацию корпуса (основания) РХ, подтверждены работоспособность и надежность ко- вследствие чего изменяется пространственное по- мандного управления температурой ИАЧТ-Х. Од- ложение 2-й ступени и, соответственно, ФПУ ИК нако блок управления и обработки сигнала аппа- относительно фокальных плоскостей объективов. ратуры МСУ-МР 2-2 позволяет хранить обновлен- ные настройки только в энергозависимой памяти, Поскольку РХ первого МСУ-МР был сравни- то есть после перезагрузки прибора все настрой- тельно малых габаритов (из-за чего температура ки возвращаются к исходным значениям. В гото- ФПУ не достигла заданного значения), то означен- вящейся к запуску аппаратуре МСУ-МР 2-3 этот ные деформации для него были невелики и серьез- недостаток устранен. ных проблем с фокусировкой каналов № 4–6 не воз- никло. Однако в результате существенного уве- Усовершенствованная методика личения площади РХ для МСУ-МР КА «Мете- фокусировки каналов № 4–6 ор-М» № 2 этот эффект оказался заметным. Это аппаратуры МСУ-МР стало окончательно понятно в процессе летных ис- в наземных условиях пытаний прибора на борту КА «Метеор-М» № 2 — для некоторых каналов изображение оказалось Фотоприемные устройства инфракрасного диа- сильно расфокусированным. пазона (ФПУ ИК), примененные в каналах № 4–6 аппаратуры МСУ-МР, требуют для своего функ- На основе теоретического анализа и экс- ционирования охлаждения до уровня азотных тем- периментальных исследований была разработана ператур — 76–80 K. Поскольку срок активного су- и внедрена методика фокусировки каналов № 4–6 ществования МСУ-МР составляет не менее 5 лет в камере пониженного давления. в режиме непрерывной работы, то для охлажде- ния ФПУ ИК была использована пассивная си- Суть методики заключается в том, что прибор стема радиационного охлаждения (РХ), имеющая с установленной ВК РХ помещается в камеру по- практически неограниченный ресурс наработки на ниженного давления (при нормальном давлении). отказ. РХ представляет собой сложную конструк- После достижения рабочей температуры ФПУ ИК цию с несколькими слоями зеркальных экранов воздух из камеры откачивается до давления поряд- и двумя излучающими поверхностями — радиатора- ка 20 мм рт.ст. При этом за счет интенсивного ки- ми 1-й и 2-й ступеней. На 2-й ступени РХ, где уста- пения жидкого азота в ванне ВК РХ происходит новлены ФПУ ИК, достигается минимальная темпе- быстрое охлаждение всего объема ванны до тем- ратура за счет многослойного экранирования лучи- пературы его замерзания и кипение прекращает- стых теплопритоков и минимизации кондуктивных ся. В этом состоянии выполняется измерение ко- теплопритоков, для чего 2-я ступень РХ механиче- эффициента передачи модуляции (КПМ) в кана- ски подвешена на тонких нитях-растяжках. лах № 4–6 с помощью оборудования, размещенного внутри вакуумной камеры и включающего в се- В условиях наземных настроек и испытаний бя зеркальный коллиматор, штриховую миру с ди- 2-я ступень РХ охлаждается контактно посред- станционно управляемым устройством перемеще- ством теплообменника, по которому циркулирует ния и контроля ее положения и ИАЧТ — осве- титель миры (рис. 5). По результатам анализа се- рии изображений при различных положениях миры относительно фокальной плоскости коллиматора РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

70 К. В. БАДАЕВ, Ю. М. ГЕКТИН, Ю. Ю. ГУЛИН И ДР. Рис. 5. Схема усовершенствованной лабораторной фо- Рис. 6. 3D-модель блока объективов каналов № 4–6 кусировки каналов № 4–6 аппаратуры МСУ-МР: 1 — с системой фокусировки камера пониженного давления; 2 — аппаратура МСУ- МР; 3 — фокальная плоскость объективов каналов № 4–6; 4 — РХ МСУ-МР; 5 — коллиматор; 6 — штри- ховая мира; 7 — ИАЧТ для каждого канала определяется величина по- чего полностью достаточно для компенсации де- правки, которую необходимо внести в осевое по- формации РХ. ложение объектива канала. Функциональная схема блока фокусировки Летные испытания МСУ-МР 2-2 подтвердили представлена на рис. 7. Фокусировка каждого целесообразность проведения фокусировки по раз- объектива (О) обеспечивается с помощью шаго- работанной методике. Тем не менее достичь пре- вых двигателей (ШД) путем вращения резьбового, дельных значений КПМ, имевших место в назем- образующего винтовую пару с гайкой, закрепленной ных условиях, не удалось. Поэтому было принято на оправе объектива, штока (Ш). С целью получе- решение о разработке и введении в состав аппара- ния минимального шага перемещения объектива за- туры МСУ-МР, начиная с МСУ-МР 2-3, прецизи- действованы два редуктора: встроенный в шаговый онной фокусировки каналов № 4–6 на борту КА. двигатель и дополнительный, являющийся частью конструкции. При достижении крайнего положе- Модернизация аппаратуры МСУ-МР ния замыкается механический контакт концевого для КА «Метеор-М» № 2-3. Дистанционная фокусировка каналов № 4–6 Важнейшей особенностью, впервые реализо- Рис. 7. Функциональная схема блока фокусировки кана- ванной в аппаратуре МСУ-МР 2-3, стала доработ- лов № 4–6 ка блока объективов каналов № 4–6. В его состав были введены специально разработанные механиз- мы на шаговых двигателях, позволяющие прово- дить прецизионную фокусировку объективов в про- цессе штатной эксплуатации по командам с Зем- ли независимо для каждого из каналов (рис. 6). Перемещение объективов производится вдоль оп- тической оси с шагом 0,01 мм в диапазоне ±2,8 мм, РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАЗВИТИЕ АППАРАТУРЫ ДЗЗ СЕРИИ МСУ-МР 71 датчика (К), останавливая перемещение. Управле- Переход от подстройки ние шаговыми двигателями осуществляется инди- уровня «холодного» к подстройке видуально командами управления — КУ посред- уровня «горячего» ством блока сопряжения, запитываемого от борто- вой сети — БСКА. В режиме фокусировки последо- Автоматическая подстройка уровня аналого- вательно осуществляются выбор двигателя, подача вого сигнала на заданное значение позволяет ниве- на него питания, установка счетчика шагов и вы- лировать изменения постоянной составляющей сиг- дача команды на движение на заданное количество нала. Теоретически, ввиду возможности изменения шагов в выбранном направлении. При этом положе- коэффициента преобразования канала (в частности, ние двигателя телеметрируется и передается в слу- в силу приращения чувствительности ФПУ из-за жебной части информационной строки. Положение постепенного снижения концентрации водяных па- объектива, обеспечивающее наилучшую фокуси- ров в газовом облаке вокруг КА, что имеет ме- ровку, определяется путем анализа качества изоб- сто в каналах № 4–6), такую подстройку правиль- ражения подстилающей поверхности. но было бы выполнять для средней точки диапазо- на аналого-цифрового преобразования, чтобы при- Доработка радиатора ИАЧТ-Х ращение чувствительности приводило к минималь- ным рискам выхода сигнала за границы диапазона В ходе летных испытаний аппаратуры АЦП. Этому условию достаточно хорошо удовлетво- МСУ-МР 2-2 была выявлена недостаточная холо- ряет сигнал от ИАЧТ-Х, поскольку его температура допроизводительность радиатора ИАЧТ-Х, в ре- находится вблизи середины основного диапазона из- зультате чего имеет место витковый и суточный меряемых температур 220–320 K. Однако, посколь- ход температуры ИАЧТ, превышающий заданные ку стабильность ИАЧТ-Х зависит от изменения тем- пределы. По результатам летных испытаний аппа- пературы его радиатора, то более качественную ав- ратуры было принято решение о модернизации ра- топодстройку уровня сигнала обеспечивает исполь- диатора ИАЧТ-Х. В аппаратуре МСУ-МР 2-3 пло- зование в качестве опорного сигнала от ИАЧТ-Г. щадь радиатора (а значит, и его холодопроизводи- тельность) увеличена на 16,5 %. С целью сниже- В предыдущих приборах серии МСУ-МР не ния тепловой нагрузки усилена тепловая развяз- было возможности сохранять вносимые по ко- ка радиатора с корпусом прибора, РХ и матами мандам с Земли изменения параметров электрон- экранно-вакуумной теплоизоляции. Увеличена пло- ных трактов формирования сигнала и температур щадь контакта между радиатором и тепловой тру- ИАЧТ, поэтому производилась автоподстройка по бой. Кроме того, на радиаторе установлены три тер- сигналу от ИАЧТ-Х. В аппаратуре МСУ-МР 2-3 модатчика для телеметрического контроля его тем- уже реализована автоподстройка по сигналу от пературы. ИАЧТ-Г. Это позволит добиться большей стабиль- ности постоянной составляющей сигнала. А в слу- Сохранение настроек ЦАП чае сильного изменения коэффициента чувстви- тельности ФПУ возможность перепрограммирова- В аппаратуре МСУ-МР 2-3 доработана элек- ния ЦАП и сохранения настройки позволит ниве- троника блока управления и обработки сигналов — лировать этот эффект. в него добавлено электрически стираемое перепро- граммируемое постоянное запоминающее устрой- Изменение типа калибровочных ство. Это позволило реализовать функцию со- ламп системы калибровки хранения передаваемых с Земли кодов управле- каналов № 1–3 и режима их работы ния с целью оптимизации параметров электрон- ных трактов формирования сигнала и температур Начиная с аппаратуры МСУ-МР 2-3 в систе- ИАЧТ. ме бортовой калибровки и каналов № 1–3 будут РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

72 К. В. БАДАЕВ, Ю. М. ГЕКТИН, Ю. Ю. ГУЛИН И ДР. использоваться лампы нового типа, прошедшие Перспективы дальнейшей соответствующую сертификацию. Также изменен режим их работы. модернизации аппаратуры Опыт более чем пятилетнего функционирова- серии МСУ-МР. ния аппаратуры МСУ-МР на КА «Метеор-М» № 1 и 2 показал, что деградация калибровочных ламп, Доработка ИАЧТ-Х и его радиатора вызванная их непрерывным горением, существенно превышает изменение коэффициентов преобразова- Конкретные шаги должны быть направлены на ния каналов № 1–3. В аппаратуре МСУ-МР 2-3 ка- повышение радиометрической точности. На сегод- либровочные лампы должны будут работать в сле- няшний день очевидно, что существующая система дующем режиме: время непрерывного горения — «холодной» калибровки имеет два недостатка, вно- 1 час, период включения — 1 неделя. Такой режим сящих неопределенность в измеряемые характери- работы позволит существенно сэкономить их ре- стики. Один из них связан с недостаточно высокой сурс, а значит, повысить точность калибровки ка- степенью черноты излучающей поверхности ИА- налов № 1–3 на длительном интервале. Отсутствие ЧТ (коэффициент черноты ε ≈ 0,97). При наличии калибровки в течение того времени, когда лампы переменной засветки рабочей поверхности излуче- выключены, не скажется на точности калибровки, нием от Земли, которая не может быть устранена поскольку высокочастотные помехи в этих кана- в рамках существующей конструкции аппаратуры, лах отсутствуют, а на коррекцию долговременного это приводит к неопределенности фактической ра- тренда коэффициента преобразования канала это диационной температуры ИАЧТ-Х [8]. Повышение не повлияет. коэффициента ε до значения порядка 0,99 может быть достигнуто за счет формирования на излуча- Экспериментальный режим ющей поверхности особого профиля и применения «кругового обзора» известных в настоящее время специальных покры- тий. Согласно своему назначению, аппаратура се- рии МСУ-МР снимает подстилающую поверхность Второй недостаток системы холодной калиб- в угле обзора 110◦ с центром в подспутниковой ровки заключается в наличии колебаний термоди- точке в направлении, перпендикулярном движе- намической температуры ИАЧТ-Х. Причина ана- нию КА. Этот угол обзора формируется за счет логична: это засветка радиатора излучением от непрерывного вращения двухстороннего плоскопа- Земли, интенсивность которого изменяется в вит- раллельного сканирующего зеркала. В аппарату- ковом и суточном ходах. Дополнительная тепловая ре МСУ-МР 2-3 реализован экспериментальный нагрузка на радиатор может составлять, по оцен- режим «кругового обзора» — передачи сигнала, ке, от 6 до 12 Вт. Существенное снижение этой регистрируемого в угле обзора 110◦ с последова- нагрузки может быть обеспечено за счет вве- тельным сдвигом центра угла обзора на 72◦ каж- дения в состав конструкции радиатора экранов- дые 64 строки изображения (приблизительно каж- отражателей. дые 10 секунд). Такой режим позволяет последо- вательно получить изображение всего внутреннего Повышение точности поддержания заданной пространства прибора в каждом канале. Основная температуры ИАЧТ-Х до значений ∼0,05 K может цель использования режима — поиск паразитных быть реализовано путем двухконтурного регули- засветок (в том числе от подстилающей поверхно- рования. Первый, грубый контур должен распола- сти) для выработки рекомендаций по дальнейшей гаться в зоне теплообмена тепловой трубы с ра- модернизации аппаратуры МСУ-МР. диатором. Его задача — поддержание постоянной температуры в этой зоне с относительно невысо- кой точностью, порядка ±0,5 K. Входящий в со- став ИАЧТ-Х второй контур должен отслеживать эти колебания. Повышенная точность достигается за счет того, что этот регулятор должен работать в узком диапазоне изменения мощности. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАЗВИТИЕ АППАРАТУРЫ ДЗЗ СЕРИИ МСУ-МР 73 Дистанционное изменение 4. Киселева Ю. В., Рыжаков А. В., Козлов Д. А., Руб- и сохранение всех настроек блока лев А. Н Контроль калибровки ИК-каналов сканера управления и обработки сигнала МСУ-МР по данным наземных измерений полярных полигонов // Международная школа-конференция По аналогии с механизмом дистанционного из- молодых ученых «Климат и эколого-географические менения и сохранения настроек ЦАП необходимо проблемы Российской Арктики». 4–10 сентября 2016, реализовать те же возможности и для других кон- г. Апатиты. Сб. тезисов докладов. Электросталь: стант, используемых в работе прибора. Изд-во ООО «КАЭМ», 2016. С. 100. Заключение 5. Патент № 2306583 Российской Федерации, G02B 23/12 (2006.01). Многозональное сканирующее ус- Эволюция аппаратуры серии МСУ-МР — по- тройство для дистанционного получения изображе- казательный пример того, как в процессе эксплуа- ний в широком угле обзора: № 2005138576/28: заяв- тации приборов выявляются их существенные осо- лено 12.12.2005: опубл. 20.09.2007 / Н. П. Акимов, бенности и конструктивные просчеты, которые впо- Ю. М. Гектин, М. В. Новиков, М. Б. Смелянский. следствии устраняются. Этот эволюционный про- цесс позволяет выявить наиболее удачные кон- 6. Андреев Р. В., Гектин Ю. М., Зайцев А. А. и др. структивные решения и использовать полученный Способ регистрации высокотемпературных объектов опыт для разработки новой, более совершенной ап- аппаратурой ДЗЗ с применением модифицированной паратуры. передаточной характеристики приемного тракта // Актуальные проблемы создания космических систем Список литературы дистанционного зондирования Земли. Москва, 2016. 1. Концепция развития российской космической систе- 7. Фролов А. Г., Серебряков Д. С., Пузаков Н. П. мы дистанционного зондирования Земли на период и др. Программно-аппаратная реализация компен- до 2025 года. М.: Роскосмос, 2006. 77 с. сации воздействия дестабилизирующих факторов на опорные источники излучения и тракт формиро- 2. Акимов Н. П., Бадаев К. В., Гектин Ю. М. и др. Мно- вания видеосигнала в составе аппаратуры ДЗЗ // гозональное сканирующее устройство малого разре- VIII Всероссийская научно-техническая конферен- шения МСУ-МР для космического информационного ция «Актуальные проблемы ракетно-космического комплекса «Метеор-М». Принцип работы, эволюция, приборостроения и информационных технологий». перспективы // Ракетно-космическое приборострое- Сб. трудов. М.: АО «Российские космические си- ние и информационные системы, 2015, т. 2, вып. 4. стемы», 2016. С. 9–13. 8. Гектин Ю. М., Герасимов Д. Д., Зайцев А. А. и др. 3. Алексанин А. И., Гектин Ю. М., Дьяков С. Е. и др. Анализ внешних воздействий на систему бортовой Учет влияния криоосадков при калибровке ИК-ка- калибровки низкоорбитальной аппаратуры дистанци- налов радиометра МСУ-МР // Исследование Земли онного зондирования в инфракрасном диапазоне // из космоса, 2018, № 1. С. 1–9. 59-я научная конференция МФТИ с международным участием. Тезисы докладов (Москва, 21–26 ноября 2016 г.). Москва, 2016. http://conf59.mipt.ru/static/ reports_pdf/2707.pdf РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 74–82 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 620.171 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.4.74.82 Об уровнях вибрационных воздействий при испытаниях бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов А. С. Левченко, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Рост требований к сроку службы и безотказности бортовой радиоэлектронной аппаратуры приводит к необходи- мости более глубокой и эффективной экспериментальной отработки. В то же время отсутствие зачастую даже двух образцов аппаратуры для проведения испытаний делает задачу подтверждения ее прочностных характеристик трудновыполнимой вви- ду разбросов свойств материалов и техпроцессов. В данной работе изложена методика проведения вибрационных испытаний бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов, позволяющая по результатам испытаний одного опытного об- разца подтвердить прочность произвольного образца данного прибора с высоким уровнем доверия. Определены коэффициенты запаса для разных этапов испытаний аппаратуры при вибрационных испытаниях, которые необходимы для обеспечения за- данной вероятности выявления конструктивных дефектов. Произведено сравнение предложенной методики с современными иностранными нормативными документами по испытаниям бортовой аппаратуры космических аппаратов. Предлагаемая мето- дика позволяет гибко подходить к подбору уровней вибрационных испытаний, поскольку позволяет учесть при определении объемов испытаний конструктивные особенности аппаратуры, влияющие на разброс ее прочности от образца к образцу. Ключевые слова: вибрационные испытания, испытания на прочность, случайная широкополосная вибрация, бортовая аппара- тура космических аппаратов Levels of Vibration Impact during Testing of Spacecraft Avionics Equipment A. S. Levchenko, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The tightening of avionics lifetime and reliability requirements necessitates a profound and efficient experimental method. At the same time, the not infrequent absence of even two equipment samples for conducting tests (considering the variation of properties of materials and technological processes) makes the problem of confirming hardware strength characteristics difficult to solve. The present paper describes a methodology for vibration tests of spacecraft onboard electronics that allows us to reliably confirm the strength of a random sample of the given equipment based on the testing of a single test specimen. Safety margins for different stages of equipment vibration testing are determined. These margins are necessary to ensure the given probability of design defect detection. The proposed methodology is compared with current foreign regulatory documents dedicated to testing spacecraft onboard electronics. The proposed method allows a flexible approach to the selection of vibration test levels since it takes into account the design features of the equipment affecting strength spread from sample to sample during the determination of the scope of required tests. Keywords: vibration tests, strength test, random broadband vibration, spacecraft onboard equipment

ОБ УРОВНЯХ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ 75 Введение водит большие объемы испытаний на стойкость к ВВФ, в том числе до разрушения, чтобы полу- Специфика факторов, действующих на борто- чить максимальный объем информации об аппа- вую радиотехническую аппаратуру космических ап- ратуре. На одном или двух образцах проводятся паратов (КА), определяет сложную структуру на- приемочные (квалификационные по классифика- земной отработки этого класса аппаратуры. Одной ции EKA) испытания с контролем заказчика, объем из особенностей эксплуатации такой аппаратуры яв- которых определяется исходя из конкретной ситу- ляется воздействие на нее на этапе выведения крат- ации: достигнутого уровня качества и надежности, ковременной (не более 10 минут) вибрации с доста- уровня новизны аппаратуры. точно высокими уровнями спектральной плотности виброускорения. Особенностью наземной экспериментальной отработки бортовой радиоэлектронной аппаратуры В мировой практике существуют два подхода космических аппаратов (БРА КА) РФ в современ- к отработочным испытаниям аппаратуры в зависи- ных условиях является невозможность выделить мости от количества образцов: для отработки более чем два комплекта аппарату- ры. Поскольку в отработку, кроме испытаний на 1. На отработочные испытания может быть вы- климатические и механические ВВФ, входят ис- делено большое количество образцов. В этом слу- пытания на радиационную стойкость и ресурсные чае испытания на стойкость к воздействию внешних испытания, фактически на отработочные механиче- воздействующих факторов (ВВФ) проводятся подоб- ские испытания поступает только один образец. но испытаниям на надежность, при которых выяв- ляются статистические свойства совокупности ап- В условиях унификации БРА КА, когда одно- паратуры, а нормы испытаний могут принимать кратным проведением испытаний необходимо обес- значения, равные эксплуатационным. печить качество аппаратуры, которая может изго- тавливаться серийно на различных заводах в те- 2. На отработочные испытания аппаратуры чение многих лет, единственным способом органи- выделяется малое или среднее количество образ- зации испытаний БРА является испытание на оди- цов. В космическом приборостроении этот подход ночных образцах с величинами воздействий, уве- применяется как в России, так и в США и Ев- личенными на коэффициент запаса, что позволяет ропе. В этом случае на отработочные испытания покрыть разброс параметров применяемых компо- выделяется недостаточно образцов для того, чтобы нентов, материалов и прочие вариации свойств ап- выявить статистические свойства совокупности ап- паратуры, изготавливаемой в дальнейшем по отра- паратуры. При этом на испытание может поступить ботанной документации. образец с большими запасами прочности по ВВФ, а в эксплуатацию — не имеющий запасов, в силу В работе рассматривается необходимый уро- чего единственный путь гарантировать работоспо- вень запаса нагрузок при испытаниях БРА КА на собность любого экземпляра аппаратуры, изготов- стационарную вибрацию для обеспечения ее каче- ленного по разработанной конструкторской доку- ства и надежности. ментации (КД), — это испытать с повышенными значениями ВВФ относительно требований техни- Методика проведения ческого задания [1, 2]. Данный подход реализуется вибрационных испытаний БРА КА в российских государственных стандартах на бор- товую аппаратуру КА 5 класса, американских нор- Методика проведения вибрационных испыта- мативно-технических документах (MIL-STD-1540, ний БРА КА должна исходить из того, что на ме- MIL-HDBK-340A), стандартах Европейского кос- ханические испытания предоставляются один или мического агентства — ЕКА (ECSS-E-ST-10-02C, два образца аппаратуры, ни на одном из кото- ECSS-E-ST-10-03C). рых невозможно проведение механических испы- таний до отказа, поскольку эти образцы должны В ЕКА на испытания выделяется до 4–5 ком- впоследствии проходить другие этапы испытаний, плектов аппаратуры, из них на отработочные ис- пытания — до 3–4 образцов [3]. Разработчик про- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

76 А. С. ЛЕВЧЕНКО такие как ресурсные испытания или испытания на радиационную стойкость. Как следствие, такая ме- тодика должна учитывать факторы, влияющие на разброс прочности между образцами приборов. Су- ществуют три базовых фактора, влияющих на раз- брос прочности аппаратуры: • разброс материалов по числу циклов виброна- Рис. 1. Спектральная плотность виброускорения с уче- том резонансных свойств аппаратуры гружения до разрушения [4, c. 510–519]; • разбросы резонансных частот конструктива; Если установить вибродатчики внутри прибо- ра, можно увидеть, что на элементе (плате, пайке, • разбросы добротностей элементов конструкти- ЭРИ, проводнике) прибора спектр СШВ отличается ва, вызванные разбросом жесткостей и демп- от входного [5] (рис. 1): фирующих свойств материалов. Упомянуты данные факторы по той причине, Sэлемента(f ) = Sэкспл(f ) · |K(f )|2, (1) что их влияние невозможно минимизировать при входном контроле и дополнительных испытаниях где |K(f )| — модуль амплитудно-частотной ха- материалов и ЭКБ. Разброс материалов по чис- рактеристики (АЧХ) конструктива в исследуемой лу циклов вибронагружения до разрушения и раз- точке. Здесь следует заметить, что в различных бросы резонансных частот не требуют увеличения точках прибора АЧХ будет различна. Тогда мож- уровня нагрузки при испытаниях, а требуют только но определить эффективное (среднеквадратичное) увеличения длительности испытательного режима значение действующей на элемент прибора случай- относительно эксплуатационного. В данной работе ной вибрации, описываемый как резонатор с одной будет рассматриваться только влияние разбросов степенью свободы, как добротностей элементов конструктива на необхо- димые уровни спектральной плотности виброуско- gэфф. элем = fв рения и амплитуды синусоидальной вибрации, по- = этому вопросы продолжительности воздействия при S(f )·|K(f )|2 df = вибрационных испытаниях в рамках данной статьи не рассматриваются. При выборе продолжительно- fн (2) сти испытаний следует руководствоваться требова- ниями отраслевых нормативных документов. π · Sэкспл(fр) · fр · Qр, 2 Рассмотрим влияние разброса добротностей элементов конструктива на требуемые уровни воз- где fр — собственная частота резонатора, Qр — действий при вибрационных испытаниях. На при- коэффициент динамичности на резонансной ча- бор со стороны посадочной поверхности космиче- стоте. При этом для различных экземпляров при- ского аппарата воздействует случайная широкопо- бора коэффициент динамичности различается за- лосная вибрация (СШВ), описываемая спектраль- частую в разы из-за разбросов свойств материалов, ной плотностью виброускорения Sэкспл(f ), кото- моментов затяжек винтов и т. п. рая представляет собой функцию частоты. Можно определить эффективное (действующее) значение Анализ результатов испытаний на большой вы- действующей на прибор СШВ как борке бортовых радиоэлектронных приборов, про- веденный при выполнении научно-исследователь- gэфф = fв ских работ в 1980-х годах, показал, что коэффици- енты динамичности имеют распределение, близкое S(f ) df . к усеченному по уровню ±3σ нормальному распре- делению (рис. 2). fн При таком распределении чаще всего с заво- да выходят образцы одного и того же прибора, РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ОБ УРОВНЯХ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ 77 Рис. 2. Распределение коэффициентов динамичности для различных экземпляров одного прибора имеющие средние прочностные характеристики, бора Sэилсепмытат было таким же, как и в худшем однако возможно появление как образцов с низ- случае: ким коэффициентом динамичности (далее «хоро- ший» образец), так и образцов с высоким коэф- α2 = Sиспытат(f ) = |Kплохого(f )|2 = фициентом динамичности (далее «плохой» обра- Sэкспл(f ) |Kхорошего(f )|2 зец). Элементы (например, электрорадиоизделия, пайки, клеевые соединения и т. д.) «плохого» об- = Qрсреднее + Kу. н. р.(γ)σQ 2 разца прибора получают механическую нагрузку, Qсрреднее − Kу. н. р.(γ)σQ существенно большую, чем элементы «хорошего» , прибора. Если на испытания попадает «хороший» образец (отмечен сплошной вертикальной линией где Kу. н. р.(γ) — квантиль усеченного нормального на рис. 2), то такие испытания позволяют подтвер- распределения уровня γ, σQ — дисперсия разбро- дить прочность только 16 % из изготовленных об- са коэффициента динамичности, Qрсреднее — сред- разцов прибора. Естественно, в реальных условиях ний уровень коэффициента динамичности по об- определить, какой из образцов попал на испыта- разцам данного прибора. Определение Qрсреднее для ния, невозможно, однако это и не требуется при конкретного прибора — это задача невыполнимая, использовании предлагаемой методики. поэтому следует избавиться от него, заменив на ко- Для того чтобы подтвердить прочность лю- бого образца прибора, изготовленного по отра- эффициент вариации как статистическую характе- ботанной конструкторской документации, нужно при проведении испытаний учесть возможные раз- ристику с наименьшей дисперсией по генеральной бросы коэффициента динамичности. Поэтому при проведении испытаний на одном образце следу- совокупности: ет предполагать, что он обладает низкими коэф- фициентами динамичности и увеличить Sэкспл(f ) α2 = Qрсреднее + Kу. н. р.(γ)σQ 2 в α2 раз до уровня Sиспытат(f ) таким образом, что- Qрсреднее − Kу. н. р.(γ)σQ бы виброускорение на элементах испытуемого при- = ⎛ 1 + Kу. н. р.(γ) σQ ⎞2 1 + Kу. н. р.(γ)VQ 2 (3) ⎝ 1 − Kу. н. р.(γ) ⎠= 1 + Kу. н. р.(γ)VQ = Qрсреднее , σQ Qсрреднее где VQ — коэффициент вариации по коэффициенту динамичности, используется по причине того, что слабо меняется от одного типа прибора к другому. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

78 А. С. ЛЕВЧЕНКО Для радиоэлектронных приборов, разрабатыва- Естественно, что для применения данной методики емых в 1980-х годах, значение VQ, определенное в других организациях отрасли необходимо оце- по большой выборке различных типов приборов, со- нить VQ для аппаратуры их разработки, однако ставляло 0,15. Естественно, что применяемые в со- для радиоэлектронных приборов в качестве пер- временных приборах конструктивные решения тре- вого приближения можно использовать указанное буют пересмотра величины VQ. К сожалению, значение. ввиду того, что на отработочные механические ис- пытания БРА КА последние десять лет редко по- С чем большей вероятностью γ мы хотим га- ступает больше двух образцов, набрать достаточно рантировать соответствие любого образца прибора статистики для оценки коэффициента вариации по эксплуатационным требованиям, тем больше кван- выборке для современных приборов пока не уда- тиль Kу. н. р.(γ). В табл. 1 приведены значения кван- лось. Однако даже имеющаяся статистика показы- тилей Kу. н. р. [6] и коэффициента запаса по спек- вает, что это значение превышает 0,15. Например, тральной плотности виброускорения α2 для раз- коэффициенты динамичности трех образцов типич- личных γ при VQ = 0,15. Значения спектральной ного для радиоэлектронного прибора элемента кон- плотности при испытаниях должны быть увеличе- струкции при одной и той же нагрузке в одной из ны в α2 раз, а амплитуда виброускорения соглас- точек приняли значения 22, 43, 62 (рис. 3). Рас- но (2) — в α раз. смотрим, насколько такие значения соответствуют коэффициенту вариации 0,15. Т а б л и ц а 1. Значения Kу. н. р. и α для различных уров- ней γ Коэффициенты динамичности γ процентов от общего числа образцов прибора должны попадать γ 0,75 0,95 0,96 0,97 0,975 0,98 0,985 0,99 в диапазон значений, который определяется как Kу. н. р. 0,672 1,633 1,736 1,862 1,938 2,028 2,137 2,280 Qрсреднее · [1 − Kу. н. р.(γ)VQ] < Qγ < < Qсрреднее · [1 + Kу. н. р.(γ)VQ]. α 1,224 1,649 1,704 1,775 1,820 1,874 1,943 2,040 α2 1,499 2,719 2,905 3,152 3,312 3,513 3,776 4,157 Для рассматриваемого элемента конструк- В условиях, когда требования к вероятности ции Qсрреднее приблизительно составляет 42. При ко- безотказной работы прибора за срок автономного эффициенте вариации 0,15 для 75 % образцов при- существования могут достигать 0,999, отказ при- боров значение коэффициента динамичности не боров по причине механического разрушения после должно выходить за пределы диапазона выведения (т. е. на начало срока активного суще- ствования) категорически недопустим и его веро- 37,77 < Q0,75 < 46,23, ятность следует максимально снижать. а для 95 % приборов — за пределы диапазона Испытания БРА делятся на различные этапы, в том числе конструкторские испытания и гра- 31,72 < Q0,95 < 52,28. ничные испытания, при которых проводятся меха- нические испытания. При безотказном прохожде- На рис. 3 видно, что для двух образцов при- нии конструкторских испытаний следует гаранти- боров из трех значение коэффициента динамично- ровать прочность 75 % образцов испытуемого при- сти вышло за пределы данного диапазона. Веро- бора (рис. 2, левая вертикальная штриховая линия ятность такого события при коэффициенте вари- и табл. 1, столбец с γ = 0,75), по результатам ации 0,15 меньше 1/4 процента. Учитывая так- граничных испытаний — прочность 99 % образцов же существенные разбросы коэффициентов дина- (рис. 2, правая вертикальная штрихпунктирная ли- мичности, наблюдаемые в парах опытных образцов ния и табл. 1, столбец с γ = 0,99). других приборов, можно уверенно утверждать, что реальное значение VQ для аппаратуры разработки Главным недостатком предлагаемой методики АО «Российские космические системы» выше 0,15. является то, что для конструктивных элементов с низким разбросом коэффициента динамичности РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ОБ УРОВНЯХ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ 79 Рис. 3. Коэффициент динамичности трех образцов элемента конструкции радиоэлектронного прибора (например, для несущих элементов конструктива) ный с прочностными характеристиками приборов, нагрузки при испытаниях будут превышать воз- анализируется, и если будет доказано, что разбро- можные даже для худших образцов прибора. При- сы характеристик элемента прибора, являющегося меняемые в АО «Российские космические систе- причиной отказа, меньше того, который предпола- мы» стандарты организации предусматривают, что гался при задании норм испытаний, то отказ допу- каждый отказ при граничных испытаниях, связан- стим и не требует доработки аппаратуры. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

80 А. С. ЛЕВЧЕНКО Вид испытания Составные части КА Ударная прочность На 6 дБ выше максимальной ожидае- 1 активация всех событий, вызываю- мой среды, 3 раза в обоих направлениях щих удары; 2 дополнительные актива- Акустическое по 3 осям ции управляющих событий (6.2.3.3) Вибрация На 6 дБ выше приемочных уровней в те- На 6 дБ выше приемочных уровней в те- чение 3 минут чение 2 минут Термовакуум (табл. 5, 6) На 6 дБ выше приемочных уровней в те- На 6 дБ выше приемочных уровней в те- чение 3 минут по каждой из 3 осей чение 2 минут по каждой из 3 осей На 10 ◦C выше температуры приемочных На 10 ◦C выше температуры приемочных уровней для 6 циклов уровней для 13 циклов Термовакуум На 10 ◦C выше температуры приемочных На 10 ◦C выше температуры приемочных и термоцикл (табл. 5, 6) уровней для 25 термовакуумных циклов уровней для 3 термовакуумных циклов и 53 термоциклов и 10 термоциклов Статистическая В 1,25 раз выше предельной нагрузки Так же, как и для составной части, нагрузка для беспилотного полета или в 1,4 раз но только проверенные на уровне под- выше предельной нагрузки для пилоти- системы руемого полета на срок, близкий к фак- тическому времени летной нагрузки Рис. 4. Коэффициенты запаса при квалификационных испытаниях по НТД СШВ [7, c. 31] Т а б л и ц а 2. Сводная таблица коэффициентов запасов при вибрационных испытаниях Коэффициент запаса при испытаниях НТД США НТД ЕКА Рассматриваемая относительно эксплуатационных уровней методика Квалификационные По спектральной плотности виброускорения 4 2 1,499 2 1,5 1,22 или конструкторские испытания По эффективному значению виброускорения Разработочные По спектральной плотности виброускорения определяются разработ- 4,15 или граничные 2,04 испытания чиком, превышают По эффективному значению виброускорения квалификационные Сравнение режимов испытаний США близки к предлагаемым для этапа граничных согласно предложенной методике испытаний. Уровни воздействий при квалификаци- с установленными в НТД РФ онных испытаниях ЕКА выше, чем предлагаемые и зарубежных стран уровни при конструкторских испытаниях. Сравнение режимов при вибрационных испы- Таким образом, предлагаемая методика пред- таниях по нормативно-технической документации полагает проведение вибрационных испытаний США (рис. 4) [7, c. 31], Европейского космиче- с коэффициентами запаса, близкими к применяе- ского агентства (рис. 5) [3, с. 48] и режимов со- мым в иностранной НТД. Однако, в отличие упомя- гласно предлагаемой методике приведено в табл. 2. нутых нормативных документов, предлагаемая ме- тодика позволяет для конкретных типов приборов Из таблицы видно, что уровни вибрационных в зависимости от значения коэффициента вариа- воздействий при квалификационных испытаниях ции их конструктивных элементов устанавливать уровни воздействий как больше, так и меньше, РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020 № Вид Уровни воздействий Продолжительность Количество Примечания испытания воздействий 1 Срок Ожидаемая обстановка и максимальная Для длительности и цик- Одно испытание ОБ УРОВНЯХ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ службы рабочая нагрузка лов: – для механизмов приме- няется стандарт ECSS-E- ST-33-01 (таблица 4-3); – для батарей применяется стандарт ECSS-E-ST-20 Стати- KQ × допустимая нагрузка. Требуется для записи Худшие случаи Худшие случаи 2 ческая Поправочный коэффициент KQ представлен данных (10 секунд комбини- комбинированной в стандарте ECSS-E-ST-32-10, пункт 4.3.1. минимум) рованной нагрузка нагрузки нагрузки √ Согласно проекту определяются 3 Вращение KQ × скорость вращения. путем анализа Поправочный коэффициент KQ представлен Одно испытание в стандарте ECSS-E-ST-32-10 4 Переходный KQ × допустимая нагрузка. Требуется для записи В соответствии режим Поправочный коэффициент KQ представлен данных с указанными в стандарте ECSS-E-ST-32-10, пункт 4.3.1 требованиями 5 Случайная Максимальный ожидаемый спектр +3 дБ Две минуты По каждой вибрация для значений спектральной плотности мощ- из трех ности. Если пределы, превышающие 3 дБ, указаны ортогональных компетентным органом по пусковым установ- осей кам, то они применяются 6 Акусти- Максимальный ожидаемый акустический Две минуты Одно испытание ческое спектр +3 дБ. Если пределы, превышающие 3 дБ, указаны компетентным органом по пусковым установ- кам, то они применяются Гармони- KQ × предельный спектр нагрузки. Развертка при 2 окт/мин, По каждой 7 ческие Поправочный коэффициент KQ представлен 5 Гц–140 Гц из трех ортого- в стандарте ECSS-E-ST-32-10, пункт 4.3.1 нальных осей колебания Рис. 5. Коэффициенты запаса при квалификационных испытаниях по НТД ЕКА [3, с. 48] 81

82 А. С. ЛЕВЧЕНКО обеспечивая при этом неизменную достоверность Применение данной методики особенной ак- выявления конструктивных дефектов. туально в условиях унификации бортовой аппара- туры, когда число конструктивных решений сокра- Заключение щается, а за счет высокой серийности появляется возможность набрать статистические данные для Предлагаемая методика вибрационных испыта- оценки VQ. ний показала свою эффективность, т. к. за послед- нее десятилетие аппаратура разработки АО «Рос- Положения предлагаемой методики следует сийские космические системы» не имеет ни одно- учитывать всем организациям, создающим БРА КА, го дефекта, связанного с механической прочностью при определении объемов вибрационных испыта- по результатам выведения. Одновременно с этим ний, поскольку существующая НД не учитывает при проведении НЭО более трети конструктив- изложенные особенности бортовых радиоэлектрон- ных дефектов выявляется на механических испыта- ных приборов космических аппаратов в условиях ниях. Причем это конструктивные дефекты, ко- снижения числа отработочных образцов, произо- торые невозможно оценить методами моделирова- шедшего за последние четыре десятилетия. ния (поскольку в мировой практике в прочностные модели никогда не закладывают все проводники, Список литературы выводы микросхем, мастики для приклейки реле и т. п.), а проявление этих дефектов провоцирует- 1. Введенский Н. Ю., Пустобаев М. В. Анализ отра- ся незначительными отклонениями свойств мате- ботки космической техники на механические воздей- риалов или техпроцессов. Выявление таких слабых ствия в США, ЕС и РФ // Вопросы электромеха- мест конструкции позволяет до изготовления лет- ники, 2012, т. 130. С. 19–26. ного образца внести коррекцию в КД, предотвра- щающую возможные ошибки персонала. 2. Kern D. L., Gordon S. A., Scharton T. D. NASA hand- book for spacecraft structural dynamics testing // Pro- Предложенная методика устанавливает уровни ceedings of the European Conference on Spacecraft воздействия при испытаниях на стационарную виб- Structures, Materials and Mechanical Testing 2005 рацию в зависимости от характерных для применя- (ESA SP-581). May 2005, Noordwijk, Netherlands. емых в приборах конструктивных решений разбро- 11 p. сов коэффициента динамичности. Получаемые для конструктивных решений, характерных для аппа- 3. ECSS-E-ST-10-03C. Space engineering. Testing. 1 June ратуры разработки АО «Российские космические 2012. 128 p. // European Cooperation for Space Stan- системы», уровни испытаний сопоставимы с тре- dardization https://ecss.nl/standard/ecss-e-st-10-03c- бованиями нормативных документов Европейского testing/ (Дата обращения 09.11.2020). космического агентства и NASA. Предлагаемая ме- тодика позволяет более гибко подходить к подбору 4. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти томах / уровней вибрационных испытаний, поскольку если Гл. ред. В. Н. Челомей. Т. 3. Колебания машин, кон- по результатам набора статистики для определен- струкций и их элементов / Под ред. Ф. М. Димент- ных типовых конструктивных решений будет пока- берга и К. С. Колесникова. М.: Машиностроение, зан более низкий коэффициент вариации коэффи- 1980. 544 с. циента динамичности, уровни вибрационных воз- действий при испытаниях можно снизить по фор- 5. Wijker J. Random vibrations in spacecraft structures муле (3) без снижения качества. И напротив, если design. Theory and applications. Dordrecht: Springer, для каких-то типов приборов характерны более вы- 2009. 516 p. сокие разбросы коэффициента динамичности, мето- дика позволяет определить уровни воздействий при 6. Печинкин А. В., Тескин О. И., Цветкова Г. М. и др. виброиспытаниях для достижения требуемой досто- Теория вероятностей: учебник для вузов. М.: МГТУ верности выявления конструктивных дефектов. им. Н. Э. Баумана, 2004. 456 с. 7. MIL-STD-1540C. Military standard. Test requirements for launch, upper-stage and space vehicles. 15 Septem- ber 1994. 126 p. http://everyspec.com/MIL-STD/MIL- STD-1500-1599/MIL-STD-1540C_11337 (Дата обра- щения 09.11.2020). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 83–89 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 004.724.4 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.4.83.89 Обеспечение гарантии доставки информации в бортовой сети космического аппарата на основе интерфейса SpaceWire А. Ю. Кошелев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. М. Дианова, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Д. О. Петухов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В настоящее время интерфейс SpaceWire рассматривается в качестве перспективного стандарта интерфейса пере- дачи данных для применения в аэрокосмической отрасли. В данной работе произведен анализ обеспечения гарантии доставки информации в сетях, построенных на базе стандарта SpaceWire. В результате анализа работы сети с помощью программной модели были выявлены ключевые проблемы, не позволяющие использовать данный стандарт в сетях реального времени. Пред- ложен метод обеспечения гарантии доставки информации в сети SpaceWire на базе маршрутизации по расписанию. Проведено программное моделирование модифицированной сети и получены результаты, подтверждающие применимость предложенного метода обеспечения гарантии доставки информации в сети. Ключевые слова: SpaceWire, червячная маршрутизация, сеть реального времени, маршрутизация по расписанию, гарантия доставки информации Guarantee of Information Delivery in the Spacecraft Onboard Network Based on the SpaceWire Interface A. Yu. Koshelev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. M. Dianova, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation D. O. Petukhov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. Nowadays SpaceWire is regarded as a perspective aerospace data transmission interface standard. This paper gives an analysis of a guaranteed information delivery of SpaceWire networks. The result of the analysis showed key problems that did not allow using this standard in real-time networks. A method was developed and proposed to guarantee the information delivery in the SpaceWire network based on scheduled routing. Tests using a software model of the modified network were performed. The results obtained confirmed the efficiency of the method used to ensure the guarantee of information delivery in the network. It is shown that a network with a modified protocol stack meets real-time requirements. Keywords: SpaceWire, wormhole routing, real-time network, scheduled routing, information delivery guarantee

84 А. Ю. КОШЕЛЕВ, А. М. ДИАНОВА, Д. О. ПЕТУХОВ Введение лено сравнение стеков протоколов OSI [3], SpW и стека протоколов бытовой сети на основе TCP/IP Требования к современным интерфейсам пе- и Ethernet. редачи данных в бортовых космических системах во многом соответствуют требованиям к системам Уровни стека протоколов реализованы в стан- реального времени (СРВ), то есть предъявляется дарте SpW до сетевого уровня, но существуют требование к временному детерминизму [1], что варианты дополнения стека протоколов SpaceWire означает необходимость в детерминизме времени транспортным уровнем в дополнительных узко- взаимодействия между элементами сети. В более специализированных стандартах. Однако они либо ранних поколениях бортовой аппаратуры космиче- не подходят в качестве общесетевого протокола ских аппаратов (БА КА) требования СРВ обеспе- сети управления БА КА, либо требуют модифика- чивалась дисциплиной вычислительного процесса цию оконечных устройств (ОУ) SpW. Передача со- в отдельных узлах и составных частях комплексов общений в SpW осуществляется по маршрутам от и систем БА КА. Однако с ростом функциональной источника до приемника сообщения. Размер пакета и структурной сложности БА КА и КА в целом по- не имеет ограничений. Предусмотрены логическая, явилась необходимость применения развитой архи- путевая и региональная логическая адресации. тектуры БА с применением высокоскоростных ин- терфейсов передачи данных, для чего необходимо Несмотря на то что стек протоколов SpW из- использование унифицированных подходов к обес- начально позиционируется для применения в аэро- печению требований СРВ в бортовой сети. космической отрасли, ему присущи некоторые недостатки, ведущие к проблемам при широком При разработке перспективной БА КА активно применении данного интерфейса в нагруженных внедряется интерфейс SpaceWire ECSS-E-ST-50-12C бортовых сетях. Отсюда появляются попытки пред- (SpW) [2]. SpW представляет собой технологию вы- ложить способы дополнения стека протоколов SpW сокоскоростной коммуникации, аналогичную функ- для обеспечения требований СРВ в современной ционалу протокола Ethernet. На рис. 1 представ- БА КА. Поскольку в данной статье рассматривает- ся дополнение стека протоколов SpW, то проблемы Рис. 1. Соответствие иерархических уровней моделей OSI, SpW и TCP/IP РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГАРАНТИИ ДОСТАВКИ ИНФОРМАЦИИ В БОРТОВОЙ СЕТИ 85 физического уровня стека протоколов выносятся за ветствии со стандартом [2]. Для моделирования скобки. В профессиональном сообществе обсужда- использовались логические протоколы уровней об- ются ряд проблем SpW, которые не рассмотрены мена, пакетов и сети, а также упрощенный сим- в стандарте, но являются принципиальными при вольный уровень, регламентированные стандартом, разработке сложных комплексов и систем БА КА без углубления в физическую составляющую. Про- на его основе. Например, в работе [4] приведе- граммная модель представляет собой поведенче- но рассмотрение ряда проблем интерфейса SpW. Од- скую модель системы, основанной на стандарте ной из ключевых проблем, критически влияющих на SpW [2]. Модель позволяет имитировать передачу качество функционирования сети, является червяч- данных между устройствами, связанными между ная маршрутизация (wormhole routing, или worm- собой дуплексными каналами (линками). В число hole switching). Данный тип маршрутизации при- решаемых задач входит: меняется на сетевом уровне стека протоколов при рассмотрении интерфейса согласно модели OSI [5]. • моделирование инициализации и установления Такой способ маршрутизации исторически приме- канала связи между устройствами перед нача- няется для мультикомпьютерных сетей и берет на- лом обмена данными; чало от червячной коммутации [6], применяющейся для построения мультипроцессорных систем, напри- • моделирование поведения устройств исходя из мер транспьютеров. Реализация червячной маршру- логических протоколов уровней обмена, паке- тизации в стеке протоколов SpW унаследовала про- тов и сети, а также упрощенного символь- блемы червячной коммутации. При успешной пере- ного уровня, регламентированных стандартом, даче в сеть заголовка пакета происходит немедлен- без углубления в физическую составляющую; ная отправка оставшихся данных и канал передачи данных остается блокированным до тех пор, пока не • моделирование режима обмена данными меж- закончится передача всего пакета. Таким образом, ду оконечными устройствами, соединенными в маршрутизирующих коммутаторах (МК) не требу- между собой с помощью маршрутизирующих ется промежуточная буферизация, что существенно коммутаторов. снижает требования к объемам памяти коммутиру- ющих устройств по сравнению с другими способами С помощью программной модели проводились коммутации. Однако простота принципа червячной тесты с имитацией передачи данных в сети SpW маршрутизации привносит существенный недоста- с конфигурациями, приводящими к блокировке па- ток, заключающийся в склонности к взаимным бло- кетов. Для проведения тестирования используется кировкам: передача пакета большого объема может топология с тремя МК и двенадцатью ОУ, приве- привести к длительным задержкам передачи дру- денная на рис. 2. гих пакетов в сети. Кроме того, ошибки в заголов- ке и физические неисправности узлов могут приве- Моделирование проводилось для скорости об- сти к блокировкам. Систематическое возникновение мена во всей сети 10 Мбит/c, что не влияет на блокировок делает невозможным гарантию доставки принципы маршрутизации. МК поддерживают ло- пакетов и гарантию времени доставки пакетов, что гическую адресацию, то есть каждый МК имеет не соответствует принципам СРВ, которые важны свою заранее прописанную таблицу маршрутиза- при реализации систем ответственного применения. ции, в которой каждому физическому адресу ОУ сопоставлен выходной порт МК. Моделирование стандартной сети SpW Ввиду детерминизма функционирования про- граммной модели на ПЭВМ реализована следую- Воспроизведение сетевых коллизий в сети SpW щая схема порядка передачи пакетов: в рамках од- осуществлялось с помощью программной матема- ного МК первым передается пакет от ОУ с мень- тической модели сети SpW, выполненной в соот- шим порядковым номером (физическим адресом), затем пакеты из портов, соединенных с портами других МК. В табл. 1 представлены параметры пе- редаваемых сообщений. На рис. 3 изображена временная диаграм- ма, точки которой иллюстрируют момент времени РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

86 А. Ю. КОШЕЛЕВ, А. М. ДИАНОВА, Д. О. ПЕТУХОВ Рис. 2. Топология и схема передачи данных, используемые для проведения имитационного моделирования Т а б л и ц а 1. Параметры передаваемых сообщений Номер передачи Источник Приемник Размер Минимальное время Период передачи сообщения сообщения, мс 1 сообщения прохождения через линк, мс 8 2 10 3 Device1 Device10 1 Кбайт 1 12 4 32 5 Device2 Device7 64 байта 0,064 16 6 32 Device3 Device12 64 байта 0,064 Device4 Device8 1 Кбайт 1 Device5 Device9 1 Кбайт 1 Device6 Device11 1 Кбайт 1 Рис. 3. Задержки, возникающие во время работы сети РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГАРАНТИИ ДОСТАВКИ ИНФОРМАЦИИ В БОРТОВОЙ СЕТИ 87 запроса хоста на передачу пакета (или времени де тестирования результаты. В данной сети осу- формирования пакета) и задержку в передаче дан- ществлялась передача пакетов размером 4 Кбайта ного пакета для шести передач согласно табл. 1, в один порт и получение ответной квитанции под- полученные в результате проведения моделирова- тверждения при скорости линка 10 Мбит/с. ния. Время запроса хоста соответствует заданным периодам отправки сообщений. Т а б л и ц а 2. Результаты тестирования аппаратуры Для пакета, не испытывающего блокировок Цикл Время ожидания Время ожидания при его передаче по сети, время задержки близ- источника S, подтверждения подтверждения ко к минимальному времени прохождения через от источника 1, от источника 2, линк. Для таких пакетов все точки лежат на одной мс прямой с ординатой, соответствующей минималь- мс мс ному времени прохождения через линк. На дан- ном графике такой характер имеет пакет 4 (чер- 20/20 2,5–10 10–40 ный цвет на графике). Задержка передачи паке- та 6 является стабильной, но с превышением мини- 20/0 2,5–8 10–30 мальной в 3 раза из-за постоянного блокирования передачи другими пакетами. Изменение задержки 0/0 2,5–1000 10–50 5-го пакета носит периодичный характер. Период передачи данного пакета в два раза меньше, чем В первом столбце таблицы показаны периоды у 4-го пакета, который в очереди обработки нахо- передачи сообщений. Диапазон задержек времени дится раньше. При одновременных запросах хоста ожидания ответной квитанции (пакета малого раз- 5-й пакет блокируется, ожидая окончания передачи мера) обусловлен асинхронностью работы оконеч- 4-го пакета. Пакет 1 (зеленый цвет на графике) ных устройств и логикой работы контроллера DMA проходит через два МК и периодически блокиру- (Direct Memory Address), что приближено к усло- ется одним или двумя черными пакетами. виям применения в БА. Проведенное тестирова- ние подтверждает наличие проблем для примене- Наибольший интерес представляют два корот- ния SpW в качестве сети управления. ких пакета 2 (красный цвет на графике) и 3 (си- ний цвет на графике), которые имитируют корот- Обозначенные недостатки стека протоколов кие команды в сети управления. Пакет 2 проходит сети SpW могут быть решены несколькими мето- только через один МК, однако наблюдаются ре- дами, а именно: гулярные блокировки, превышающие минимальное время передачи больше чем в 60 раз из-за необ- 1) предъявлением дополнительных требований ходимости ожидания завершения передачи черных к дисциплине обмена каждого оконечного уст- и зеленого пакетов. Пакет 3 проходит через два ройства сети при разработке БА КА; МК и блокируется, т. к. вынужден ожидать завер- шение передачи черных пакетов, красного и зеле- 2) ограничением информационной нагрузки на ного. сеть до уровня 10–15 %; Результаты подтверждают обозначенные недо- 3) расширением стека протоколов SpW, реализу- статки червячной маршрутизации, которая при- ющего другой принцип маршрутизации в ком- водит к непостоянным запаздываниям в переда- мутаторе сети, но при этом не требующего че информации, что осложняет применение SpW доработку оконечных устройств, соответству- в системах или контурах управления ответствен- ющих стандарту SpW [2]. ного применения, на которые распространяются требования системы реального времени. Результа- В данной статье рассматривается вариант до- ты программного моделирования подтверждаются полнения стандартного стека протоколов SpW. Для при проведении моделирования на реальной ап- подтверждения работоспособности предлагаемой паратуре. В табл. 2 приведены полученные в хо- концепции было проведено программно-математи- ческое моделирование как согласно существую- щему стандарту SpW, так и с модифицированным коммутатором. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

88 А. Ю. КОШЕЛЕВ, А. М. ДИАНОВА, Д. О. ПЕТУХОВ Моделирование модифицированной Предлагаемая логика протокола транспортного сети SpW уровня является достаточно простой и не требует серьезных вычислительных ресурсов. Задача про- Как было сказано выше, сеть SpW может быть токола транспортного уровня состоит в том, что- дополнена транспортным уровнем в рамках концеп- бы обеспечивать отправку сообщений строго по ции стека протоколов иерархической модели OSI. заранее заданному расписанию, обеспечивающему Транспортный уровень должен привнести в сеть поведенческий и временной детерминизм каждого SpW согласованность работы МК, позволяющей со- МК в сети. Для этого в каждом МК сети для этого блюсти необходимые условия передачи данных сети вводится собственная «таблица расписания обме- реального времени. Предлагаемый принцип пред- на сообщениями», регламентирующая все операции ставляет собой синхронную сеть SpW с данными обмена, проходящие через порты МК. Таким обра- (кадрами) фиксированного размера, которые переда- зом, в каждый заданный интервал времени через ются в определенные временные промежутки (тайм- каждый порт МК осуществляется передача только слоты) согласно временному расписанию, в кото- одного определенного сообщения. ром каждому передаваемому кадру (пакету) соот- ветствует один временной слот на каждом порту Работа модифицированной сети SpW была каждого МК. Расписание, маршруты и задержки сымитирована на разработанной масштабируемой для передачи кадров рассчитываются заранее, что программной модели сети. В данной модели ис- исключает возникновение коллизий в сети. Кро- пользовался аналогичный подход моделирования ме того, составление расписания передач позволяет без углубления в символьный и физический уров- с максимальной эффективностью использовать ре- ни обмена. При моделировании сети был применен сурсы сети и осуществлять правильную расчетную тот же тестовый пример, что и на рис. 4. групповую (multicast) доставку аналогично переда- че Time-Code согласно SpW. Результаты моделирования модифицированной сети показаны на рис. 4. Задержки пакетов в данном случае имеют прогнозируемый характер, Рис. 4. Результаты работы модифицированной сети РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГАРАНТИИ ДОСТАВКИ ИНФОРМАЦИИ В БОРТОВОЙ СЕТИ 89 постоянны и находятся в допустимых по величине Список литературы пределах. Таким образом, сеть отвечает требова- ниям СРВ. 1. Бурдонов И. Б., Косачев А. С., Пономарен- ко В. Н. Операционные системы реального времени. Выводы Москва: Институт системного программирования РАН, 2006. 49 с. Маршрутизация, основанная на временном рас- 2. ECSS-E-ST-50-12C, SpaceWire — Links, nodes, rou- писании, позволяет бороться с блокировками в бор- ters and networks, ECSS Secretariat ESA-ESTEC, товой сети, а также поддерживать детерминиро- Requirements & Standards Division, Noordwijk, ванность системы и предоставлять гарантии до- Netherlands, 31 July 2008 // European Cooperation ставки сообщений с фиксированными задержка- for Space Standartization. https://ecss.nl/standard/ ми, что крайне важно при реализации контуров ecss-e-st-50-12c-spacewire-links-nodes-routers-and- управления. Предлагаемый протокол транспортного networks/ (Дата обращения 08.10.2020). уровня маршрутизации не требует от оконечных устройств SpW дополнительной логики, поэтому 3. ISO/IEC 7498-1:1994, Information technology — способен функционировать в сетях существующих Open Systems Interconnection — Basic Reference устройств. Еще одним преимуществом такого подхо- Model: The Basic Model, ISO/IEC JTC1, June 1996, да к организации сети является возможность горя- 59 p. // International Organization for Standardiza- чего или холодного резервирования каналов с помо- tion. Publicly Available Standards. https://standards. щью задания различных маршрутов (виртуальных iso.org/ittf/PubliclyAvailableStandards/index.html каналов) при составлении расписания или наборов (Дата обращения 08.10.2020). расписаний под различные режимы работы системы. Взамен подобная схема требует обязательного на- 4. Журавлев В., Немытов А., Осипов Ю., Першин А. личия источника сообщений времени (Time-Code), SpaceWire: взгляд со стороны. Часть 1 // Совре- а также реализации буферной памяти для каждого менная электроника, 2017, № 8. С. 36–40. порта МК. В развитие данного протокола транспорт- https://www.soel.ru/magazines/PRINT/SoEl_2017- ного уровня возможно предложить выделение части 8/SoEl2017-8pr.html (Дата обращения 08.10.2020). пропускной способности сети для асинхронной пере- дачи по сети информации с червячной маршрутиза- 5. Проект российского стандарта SpaceWire-Rus, сов- цией, нечувствительной к задержкам и потерям дан- местимого с международным стандартом SpaceWire ных из-за коллизий. (SpaceWire-ECSS-E-ST-50-12C), СПБГУАП, 2012. 6. Wormhole Routing Techniques for Directly Connected Multicomputer Systems. Prasant Mohapatra, ACM Computing Surveys, vol. 30, № 3, september 1998. https://www.cs.hmc.edu/˜avani/wormhole/1998- p374-mohapatra.pdf (Дата обращения 08.10.2020). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 90–96 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 621.398 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.4.90.96 Тенденции развития видеотелеметрических систем для измерения температуры термонагруженных областей средств выведения Д. И. Климов, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Т. Т. Мамедов, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация И. Р. Губайдуллин, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В настоящее время появление публикаций, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созда- нию систем видеоконтроля изделий ракетно-космической техники вызвано известным фактом о наиболее достоверном канале информации — зрении (зрение человека дает 95 % информации об окружающих объектах), поэтому включение в систему контроля видеоинформации значительно повышает достоверность информации от существующих средств телеметрирования объектов для отслеживания их штатного функционирования, а также для оперативного и однозначного выявления причин нештатных и аварийных ситуаций, возникающих в процессе полета средств выведения. В статье предлагается способ обработки информации с видеотелеметрической системы о температуре термонагруженных элементов ракет-носителей и разгонных блоков удаленным бесконтактным методом с визуальным представлением посредством преобразования сигнала, получаемого с видеокамер, основанный на принципе работы цветовых пирометров и распределении Планка. Для реализации алгоритма обработки видеоинформации для вычисления температуры разработана структурная схема решающего устройства. Представлена методика представления видеоинформации и температурных измерений при условии наличия цветного видеоизображения с пониженной частотой кадров и широкого спектрального диапазона. Ключевые слова: видеотелеметрия, термо-видеотелеметрия, температура, пирометрические методы, ракеты-носители, разгон- ные блоки, средства выведения Trends in the Development of Video Telemetry Systems for Measuring the Temperature of Thermally Loaded Areas of Launch Vehicles D. I. Klimov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation T. T. Mamedov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation I. R. Gubaidullin, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. Nowadays the appearance of publications, scientific and research, and also research and development works on the creation of video monitoring systems for rocket and space technology products is caused by a well-known fact about the most reliable information channel — vision (human vision provides 95 % of information on surrounding objects), hence the inclusion of video information in the control system significantly increases the reliability of information from existing telemetry facilities of objects to track their normal functioning, as well as for rapid and unambiguous identification of the causes of abnormal and emergency situations that occur during the flight of rocket and space technology products. The article proposes a method for processing information from a video telemetry system about the temperature of thermally loaded elements of launch vehicles and upper stages by a remote contactless method with visual representation by converting a signal received from video cameras based on the principle of color pyrometers and Planck distribution. To implement the algorithm for processing video information for calculating the temperature, a block diagram of the solver is developed. A method for presenting video information and temperature measurements is presented provided that there is a color video image with a reduced frame rate and wide spectral range. Keywords: video telemetry, thermo video telemetry, temperature, pyrometric methods, launch vehicles, upper stages

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ВИДЕОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 91 Общие положения изделия, получаемому с борта ракет-носителей и разгонных блоков (РБ) (например, газогенера- В настоящее время ведется множество на- торы и насосы ракетного двигателя — области ра- учно-исследовательских и опытно-конструкторских кетного двигателя, подвергающиеся воздействию работ по визуальному контролю технологиче- высоких температур). ских процессов, сопровождающих движение ракет- носителей (РН) (например, отделение ступеней, об- Информация о термообстановке наблюдаемого текателя, полезная нагрузка и пр.) [1]. Стоит отме- термонагруженного объекта ракеты-носителя нуж- тить, что в процессе эксплуатации ракеты она под- дается в обработке и представлении в виде темпе- вергается воздействию внешних факторов, которые ратурных измерений и цветных изображений рас- необходимо контролировать посредством информа- пределения температурных полей, поэтому предла- ционно-измерительных систем. Основным внешним гается способ обработки информации о температу- воздействующим фактором, влияющим на пара- ре наблюдаемого объекта, основанный на принципе метры конструкционных материалов, является тем- работы цветовых пирометров. пература. В настоящее время на практике приме- няются температурные датчики в сочетании с ло- Сравнительный анализ кальными коммутаторами температуры (ЛКТ). систем видеоконтроля, предназначенных для эксплуатации С недавних пор предлагается посредством сиг- в средствах выведения налов, получаемых с видеокамер, осуществлять и измерения физических величин удаленным бес- В исследованиях по тематике систем видеокон- контактным методом. В средствах выведения су- троля для средств выведения проведен сравнитель- ществуют области или объекты, средняя темпе- ный анализ систем видеоконтроля производства ратура которых в рабочем режиме превышает Rocket Cam Ecliptic Enterprises Corporation [4], 1200–1500 K (например, области наружной оболоч- OCAM-2 Kayser-Threde [5], АО «ИРЗ» (система ки ракет-носителей, подвергающиеся сильным ме- БСВК) [6], а также рассмотрены основные ха- ханическим воздействиям). рактеристики автономной системы видеоконтроля (АСВК) производства АО «Российские космиче- Для таких областей контактный метод измере- ские системы» (табл. 1). Как видно из таблицы, ния температуры посредством температурных дат- АСВК предполагает большее разрешение фоторе- чиков неприменим ввиду значительного выделения гистрирующего прибора по сравнению с аналогами энергии в том или ином виде (тепловой, кинетиче- и применение динамического алгоритма сжатия ви- ской и пр.). При этом обозначенные объекты наи- деоинформации H.264, с резервированием опорного более предрасположены к возникновению нештат- кадра на один–два шага. ных и аварийных ситуаций. Следовательно, необ- ходима система, контролирующая бесконтактным У всех четырех систем одинаковый принцип по- методом температуру проблемной области и пра- строения. Они состоят из видеокамер, устройства вильность протекания технологических процессов обработки и передающего устройства (см. рис. 1). разделения составных частей космического объек- та, раскрытия конструкций (солнечных батарей, Рис. 1. Обобщенная функциональная схема видеокон- антенн), маневрирования космических объектов троля на борту средств выведения. Предлагается от видеоконтроля перейти к ви- деоизмерениям, в частности температуры, построив термо-видеотелеметрическую систему [2,3]. Термо- видеотелеметрия (ТВТ) позволит обеспечить опе- ративный анализ нештатных ситуаций за счет от- слеживания аномальных температурных зон по видеоизображению поверхности рассматриваемого РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

92 Д. И. КЛИМОВ, Т. Т. МАМЕДОВ, И. Р. ГУБАЙДУЛЛИН Т а б л и ц а 1. Сравнительный анализ существующих систем видеоконтроля Значение характеристики Иностранное производство Отечественное производство № Наименование характеристики RocketCam Ecliptic OCAM-2 БСВК АСВК Enterprises Corpo- Kayser-Threde АО «ИРЗ» [6] АО «РКС» ration (США) [4] (Германия) [5] 1 Количество подключаемых видеокамер до 8 до 4 3 до 7 768 × 494 720 × 576 2 Разрешение фоторегистрирующего от 320 × 240 от 720 × 576 устройства, пикс до 2048 × 1536 до 1280 × 960 3 Частота следования кадров, кадр/с 25 25 16 до 25 4 Алгоритм сжатия видеоизображения JPEG JPEG 2000 JPEG MJPEG H.264 MJPEG MJPEG 5 Емкость буферного ЗУ – – 20 Мб 4 ГБ 6 Масса системы, не более, кг 4,5 12* 10** 6 * – масса с учетом двух передатчиков и двух видеокамер; ** — масса с учетом передатчика. Что касается систем измерения температуры Неудачные пуски РН в 2013–2016 годах (на- посредством сигнала, получаемого с видеокамер пример, 02.06.2013, 16.05.2014, 16.05.2015 — «Про- (термо-видеотелеметрические системы), то до на- тон-М», 01.02.2013 — «Зенит-3SL», 22.08.2014 — стоящего времени в космической промышленности «Союз-СТ-Б», 01.12.2016 — «Союз-У») показыва- они не применялись как в нашей стране, так и за ют, что существующих средств телеметрирования рубежом. По данной тематике практически отсут- состояния объектов (для однозначного оператив- ствуют публикации, но тем не менее проводится ного заключения о причинах аварий) недостаточно, множество опытно-экспериментальных работ и ре- поэтому появление исследовательских работ и раз- гулярно обновляются теоретическая база и методы работка методов измерения температуры термона- измерений, так как температура — ключевой фак- груженных элементов РКТ посредством видеотеле- тор, влияющий на параметры конструкционных ма- метрии весьма актуальны и их результаты заслу- териалов. живают быстрейшего внедрения. Основное внимание в доступных источни- Термо-видеотелеметрия позволит обеспечить ках (например, [7–14]) при использовании видео- оперативный анализ нештатных ситуаций за счет средств уделяется защите видеокамер от радиацион- отслеживания аномальных температурных зон по ного излучения, в отдельных случаях видеокамеры видеоизображению поверхности рассматриваемого используются для выявления на вокзалах и аэропор- изделия, получаемому с борта КА и РН. тах пассажиров с повышенной температурой, а так- же для отслеживания температуры в газовых по- Таким образом, причиной выбора данного на- токах и трубопроводах. В то же время не выявле- правления исследований является необходимость ви- но применение видеокамер для измерения темпера- деоконтроля наиболее важных процессов, сопровож- туры термонагруженных элементов промышленных дающих движение КА и РН, в том числе контроль объектов или в особенности объектов РКТ в широ- термообстановки перспективных средств выведения. ком диапазоне (например, от 300 до 5000–7000 K). К тому же при наблюдении, как правило, исполь- Отличительными особенностями термо-ви- зуются только инфракрасный и видимый диапазоны деотелеметрии являются: излучаемого спектра нагретых тел. – бесконтактное измерение температуры; – широкий диапазон измерения температуры точек объекта; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ВИДЕОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 93 – визуальное представление термообстановки Зная Tхол = Tср = 20 ◦C, найдем Tij из (1): объекта наблюдения; Tij = c1 1 . (3) – наглядное представление о динамике термо- λij обстановки объекта в целом; Yхол λхол 5 hc Yij λij – оперативное обнаружение аномальных тем- ln 1 + e kTхолλхол − 1 пературных зон. Для отображения видеоинформации в части от- Методика измерения температуры слеживания термообстановки объекта при наземной энергонагруженных областей обработке информации требуется применить алго- ритм пересчета длин волн из инфракрасного и уль- трафиолетового диапазонов в видимый диапазон длин волн, основанный на законе смещения Вина: Информацию о термообстановке предполага- b = T λ, (4) ется отображать на экране монитора ПЭВМ в виде цветного видеоизображения. Для этого вычисление где b — постоянная Вина, равная 2896 мкм × K. температуры пирометрическими методами должно быть основано на принципах работы пирометров Отсюда: спектрального отношения или цветовых пиромет- ров, а именно определения температуры по вели- T = b/λ. (5) чине отношения интенсивностей излучения в двух длинах волн λ1 и λ2 [7, 15]. Чувствительность ме- Следовательно, чем длиннее волна, тем ниже тода тем выше, чем шире спектральный диапазон, то есть чем меньше λ1 и больше λ2. температура. Напомним: Алгоритм вычисления температуры основан T , K = t, ◦C + 273. (6) на планковском распределении в диапазоне длин волн, а именно [15]. Пересчет длин волн в видимый спектр произ- водится в соответствии с соотношением [16]: λвд = (λ − λmin)Δλвд + λmin _ , (7) Δλпд где λ — текущее значение длины волны, λmin — минимальное значение величины длины волны Y = 2πhc2 · 1 . (1) в выбранном диапазоне, Δλвд — ширина видимого λ5 hc диапазона волн, Δλвд_ min — минимальное значение ekT λ − 1 длины волны видимого диапазона, Δλпд — ширина выбранного диапазона. Металлы, как правило, имеют малый коэффи- В результате получается видеоизображение, циент излучения в инфракрасной области, который обычно увеличивается с ростом температуры ме- пример которого показан на рис. 2. Наибольший талла. Спектральный коэффициент излучения ελ металла увеличивается с уменьшением его элек- интерес представляют области поля изображения, трической проводимости. Электрическая проводи- мость металла уменьшается с ростом температу- отображаемые при обработке, окрашенные в темно- ры из-за теплового возбуждения молекулярной ре- шетки, что вызывает увеличение коэффициента из- фиолетовый цвет или черные окружности, окайм- лучения [15]. ленные темно-фиолетовым цветом. Выразим отношение интенсивностей текуще- го изображения в рассматриваемой зоне и «холод- ного» изображения 5 hc e kTij λij Yхол = λij · −1 . (2) Рис. 2. Синтезированное цветное изображение, получае- Yij λхол hc мое термо-видеотелеметрической системой e kTхолλхол − 1 РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

94 Д. И. КЛИМОВ, Т. Т. МАМЕДОВ, И. Р. ГУБАЙДУЛЛИН Методика отображения (использование инфракрасных приборов с зарядовой связью — ИК ПЗС), чтобы отследить спектральную информации о термообстановке температуру ниже 525 K в максимуме потока теп- лового излучения [15]. Можно отследить и мень- Просмотр оператором видеоизображения в ре- шие значения температуры при рассматриваемой альном времени необходим для анализа видеоизоб- длине волны излучения, причем минимально воз- ражения с возможностью определения температуры можная температура, которую можно отследить, в интересующей области объекта (КА, РН). определяется также и чувствительностью ПЗС. Чувствительность ПЗС, в свою очередь, опре- Интерфейс программы должен включать сле- деляется уровнем шумов ПЗС (преимущественно дующие составляющие. шумами считывания). Значения температур, при- веденные в табл. 2, требуют особого внимания 1. Опция выбора зоны обзора с соответствую- при отслеживании оператором термообстановки по- щим обозначением. Расположение в соответствии сле наземной обработки видеоинформации, так как с зонами обзора термонагруженных элементов в окрестности данных температур происходит раз- средств выведения задается в эксплуатационной рушение того или иного материала [20]. документации (ЭД) на «Программу отображения видеоинформации (ВИ) для отслеживания термо- Для отслеживания термообстановки в выбран- обстановки элементов средств выведения». ной области изображения предлагается установить по две разнесенные на некоторое расстояние ВК 2. Опция выбора спектрального поддиапазона. в защитном термокожухе: одна с ВФПЗС (прибо- Спектральные поддиапазоны задаются в соответ- ром с зарядовой связью с «виртуальной фазой»), ствии с табл. 1, каждому из них соответствует свой другая — с ИК ПЗС [17]. Обе камеры должны температурный диапазон. быть настроены на одну и ту же область обзора и пересылать на наземную станцию одновремен- Подобное разбиение поддиапазонов осуществ- но получаемые потоки информации [20]. В табл. 3 ляется относительно длин волн, справочных вели- приведены поддиапазоны длин волн, соответствую- чин диапазонов (ближний ультрафиолетовый, ви- щие моделям ПЗС и объективам. димый и пр.) [15, 16], а также на основе анали- за существующих фоторегистрирующих приборов Наряду с визуальным контролем, предлагается и объективов [17, 18]. измерение высоких температур, а также контроль резких температурных перепадов телеметрируемых Для оперативного выявления термонагружен- объектов для более детального анализа нештатных ных зон объекта наблюдения при контроле за тем- и аварийных ситуаций. Измерения осуществляются пературными параметрами предлагается примене- способом, основанным на законе Планка, пиромет- ние фоторегистрирующих устройств низкого разре- шения (например, 256 × 290, 352 × 288) преимуще- Т а б л и ц а 2. Температуры плавления и деформации ственно ближнего и среднего инфракрасного диа- некоторых типов металлов пазонов с частотой 1–3 кад/с [17]. Материал Темпера- Температура необрати- Наибольшее внимание уделяется нагретым те- тура плав- мого изменения кри- лам с температурой выше 250–300 ◦C (в табл. 1 ления, K сталлической решетки, K приведены значения температур, при которых проис- ходит необратимое изменение структуры кристалли- Алюминий 933 723 ческой решетки и температур плавления для наибо- лее часто используемых материалов при проектиро- Титан 1933 ± 20 1156 вании средств выведения) [19]. При более низких температурах подробного детального анализа по- Железо 1812 1042 верхности нагретого тела (до точки) не требуется. Достаточно ограничиться небольшой областью по- Вольфрам 3695 1473 ля изображения. Для менее детального изучения термообстановки в средней и дальней ИК-области Сталь (средние 1720–1795 1258 достаточно видеть окаймленные пурпурным цветом значения) области черного цвета на экране, на вкладке ИК2 Никель 1726 956 РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ВИДЕОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 95 Т а б л и ц а 3. Поддиапазоны длин волн, соответствующие моделям ПЗС и объективам Наименование Диапазон Диапазон цветовых Тип видеорегистратора Тип объектива поддиапазона длин волн, (спектральных) температур*, K ВК с ВФПЗС Длиннофокусный объектив УФ мкм 9653–7621 из кварцевого стекла ВД 7621–3914 ИК1 0,3–0,38 3914–2630 0,38–0,74 2630–525 0,74–1,10 525–362 ИК2 1,10–5,5 362–190 ВК с ИК ПЗС Длиннофокусный объектив из оптического кремния ИК3 5,5–8,0 ИК-системы с глубоким термоохлаждением Длиннофокусный объектив из германия Микроболометрические ИК4 8,0–15,0 приемники * — температурные диапазоны берутся в максимуме интенсивности теплового излучения, получены в соответствии с законом смещения Вина. рическими методами по цветовому спектру или яр- тельное время сохраняет свою работоспособность. кости. На экране монитора ПЭВМ отображается Она зависит от материала, из которого изготов- цветное (или черно-белое) видеоизображение с ча- лен наблюдаемый объект и входящие в него компо- стотой до 3 кад/с, при этом термоопасные зоны поля ненты. Номинальная температура задается заранее. изображения подсвечиваются красным цветом. 3. Опция отображения температуры в выбран- Данные способы контроля наблюдаемых объек- ной оператором зоне. тов позволяют осуществлять видеоконтроль техно- логических процессов и термообстановки средств Таким образом, действия оператора при поль- выведения, а также измерять температуру термо- зовании программой должны быть следующими: нагруженных областей удаленным бесконтактным методом посредством видеокамер при существен- – выбор зоны обзора в соответствии с ЭД; ном сокращении информационного потока, посту- – выбор спектрального поддиапазона; пающего от изделия на наземную приемную стан- – выбор интересующей области зоны обзора цию по каналу «борт–Земля» и выдавать разовые для измерения температуры. команды на повторное выполнение операций раз- вертывания составных частей автоматического кос- Выводы мического аппарата в случае их невыполнения со- гласно циклограмме с целью оперативного предот- В ходе работы были получены следующие ре- вращения нештатных и аварийных ситуаций. зультаты: Следует отметить, что применительно к исполь- – обозначены причины необходимости развития зованию видеокамер на борту средств выведения, и применения видеосистем на средствах выведения; при расположении видеокамер на больших расстоя- ниях от наблюдаемого объекта, возможно примене- – разработана методика вычисления темпера- ние длиннофокусных объективов [21]. При умень- туры по интенсивности теплового излучения на шении расстояния от объекта до объектива, чтобы различных длинах волн, которая позволяет вычис- сохранить модель и исполнение объектива, требу- лять значения температуры наблюдаемых объектов ется увеличить глубину резкости, то есть увеличить удаленным бесконтактным методом; диафрагменное число путем уменьшения действую- щего отверстия объектива. В программе должно – разработана методика отображения инфор- быть предусмотрено задание номинальной темпера- мации о термообстановке при получении цветного туры — температуры, при которой материал дли- видеоизображения и численных значений темпе- ратур, позволяющая визуализировать термообста- новку наблюдаемого объекта и оперативно опреде- лять термоопасные зоны; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

96 Д. И. КЛИМОВ, Т. Т. МАМЕДОВ, И. Р. ГУБАЙДУЛЛИН – представлены спектральные диапазоны в со- 11. Конесев С. Г., Хлюпин П. А. Диагностика тепло- ответствии с реально существующими фотореги- вым методом электротехнического оборудования // стрирующими приборами и оптическими материа- Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2012, лами, которые являются входными данными для № 4. С. 51–58. разработки программы отображения информации о термообстановке. 12. Горелик Л. И., Соляков В. Н., Тренин Д. Ю., Трени- на Е. О. Измерение температуры двухдиапазонным Список литературы тепловизионным прибором на основе матричных фо- топриемных устройств // Прикладная физика, 2012, 1. Климов Д. И., Мамедов Т. Т. Система видеокон- № 3. С. 95–100. троля для эксплуатации на ракетах-носителях // XV конференция молодых ученых «Фундамен- 13. Багаутдинов В. Р., Ураксеев М. А. Методы кон- тальные и прикладные космические исследования» троля ходовой части железнодорожного транспорта. 11–13 апреля 2018 года: Сб. трудов. М.: ИКИ РАН, Тепловизионный метод // Известия Волгоградского 2018. С. 31–36. государственного технического университета, 2012, № 10 (97). С. 5–10. 2. Климов Д. И. Видеотелеметрический контроль про- мышленных изделий // Ракетно-космическое прибо- 14. Берг И. А., Худяков П. Ю., Чулков А. О. Бескон- ростроение и информационные системы, 2018, т. 5, тактная диагностика пульсирующего факела на ав- вып. 2. С. 89–98. томатизированном комплексе // Современные нау- коемкие технологии, 2016, № 11-1. С. 9–14. 3. Климов Д. И. Измерение физических величин, ха- рактеризующих факторы воздействия на промыш- 15. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, ленные изделия, удаленным бесконтактным мето- техника, применение. М.: Мир, 1988. 416 с. дом // Радиотехника, 2018, № 2. С. 80–84. 16. Климов Д. И., Благодыр¨ев В. А. Представление 4. Rocket Cam. Digital video system — Eclip- температурных диапазонов нагретых элементов кон- tic Enterprises Corporation — 2002. 4 p. струкций космического аппарата в видимом диапа- http://www.eclipticenterprises.com/rocketcam (Дата зоне длин волн с учетом интегрального коэффициен- обращения 28.09.2020). та теплового излучения // Электромагнитные волны и электронные системы, 2014, т. 19, № 3. С. 62–65. 5. OCAM-2 Online Camera System. ARQUIMEA DEU- TSCHLAND GmbH. 2013. 5 p. https://www.ohb.de/ 17. Вишневский Г. И., Выдревич М. Г., Нестеров В. К., news/2019/ganz-nah-dran-ohb-kamera-system-filmt- Ривкинд В. Л. Отечественные УФ и ИК ФПЗС oneweb-satelliten-im-all (Дата обращения 28.09.2020). и цифровые камеры на их основе // Электроника: наука, технология, бизнес, 2003, № 8. С. 18–24. 6. Бортовая система видеоконтроля для ракет-носите- лей и разгонных блоков БСВК // Сайт ООО «ИРЗ». 18. Коротаев В. В., Мельников Г. С., Михеев С. В. www.irz.ru/products/11/500.htm (Дата обращения Основы тепловидения. СПб.: Санкт-Петербургский 25.09.2020). национальный исследовательский университет ин- формационных технологий, механики и оптики, 7. Фрунзе А. В. Пирометры спектрального отношения: 2012. 123 с. преимущества, недостатки и пути их устранения // Фотоника, 2009, № 4. С. 32–37. 19. Кошкин Н. И., Ширкевич М. Г. Справочник по эле- ментарной физике. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: 8. Хвиюзов М. А., Галашев А. Н. Расчет температу- Наука, 1965. 248 с. ры нагрева поверхности пильного диска при осу- ществлении пирометрического контроля // Изве- 20. Климов Д. И., Благодыр¨ев В. А. Термовидеосисте- стия высших учебных заведений. Лесной журнал, ма для установки на космические аппараты и раке- 2013, № 4 (334). С. 60–65. ты-носители // Ракетно-космическое приборострое- ние и информационные системы, 2016, т. 3, вып. 3. 9. Ткаченко А. В. Дистанционное измерение темпе- С. 76–83. ратуры в поле СВЧ // Наука, образование, биз- нес. Материалы Всероссийской научно-практиче- 21. Jaime Esper, Thomas P. Flatley, James B. Bull Small ской конференции, 2013, № 1. С. 235–238. Rocket/Spacecraft Technology (SMART) Platform // 25-th Annual AIAA/USU Conference on small 10. Лобода Е. Л., Рейно В. В. Исследование оптико-фи- satellites. SSC11-VII-6.7p. зических характеристик высокотемпературных сред https://www.semanticscholar.org/paper/SSCl-lVII- инфракрасными методами // Известия вузов. Фи- 6-Small-Rocket-%2F-Spacecraft-Technology-(-Esper- зика, 2012, т. 55, № 9-2. С. 195–197. Flatley/722b2ed96c5f096e7b1fae7252d770e24d5a1a6b (Дата обращения 28.09.2020). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 97–101 ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ, МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА, ПРИБОРЫ НА КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТАХ УДК 621.3.049.77 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.4.97.101 Принцип формирования металлодиэлектрических микроразмерных метаструктур А. А. Аджибеков, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. А. Жуков, д. т. н., доцент, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация ФГБОУ «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», г. Москва, Российская Федерация О. А. Алексеев, д. т. н., профессор, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Предложен принцип формирования слоистых металлодиэлектрических микроразмерных метаструктур, представ- ляющих собой слои диэлектрика с нанесенными металлическими рисунками. Принцип состоит в изготовлении отдельных слоев фотолитографическими методами с последующей их сборкой и совмещением на специальной установке, использующей источник высокочастотного электромагнитного излучения с антисимметричным полем. Критерием точности совмещения слоев является уровень мощности принимаемого высокочастотного электромагнитного сигнала на выходе приемника, фиксирующего поле источника излучения, рассеянное металлическими метками совмещения, нанесенными на каждый совмещаемый слой. При применении предложенного принципа возможно совмещение оптически непрозрачных металлодиэлектрических слоев ме- таструктур, при этом использование штифтов не требуется. Численная оценка качества совмещения слоев показала, что погрешность совмещения слоев при использовании для зондирования поля сантиметрового диапазона длин волн составляет не более 3–4 мкм. Ключевые слова: метаматериал, метаструктура, волновод The Principle of Formation of Metal-dielectric Micro-sized Metastructures A. A. Adzhibekov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. A. Zhukov, Dr. Sci. (Engineering), Associate Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation FSBEI Moscow Aviation Institute (National Research University) O. A. Alekseev, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The principle of formation of layered metal-dielectric micro-sized metastructures, which are dielectric layers with de- posited metal patterns, is proposed. The principle consists in the production of individual layers by photolithographic methods, followed by their assembly and alignment on a special installation using a source of high-frequency electromagnetic radiation with an antisymmetric field. The criterion for the accuracy of the alignment of layers is the power level of the received high-frequency electromagnetic signal at the output of the receiver, which fixes the field of the radiation source, scattered by the metal alignment marks applied to each matched layer. When applying the proposed principle, it is possible to combine optically opaque metal- dielectric layers of metastructures, without the use of pins. A numerical assessment of the quality of layer alignment showed that the error of layer alignment when using a centimeter wavelength range for field sensing is no more than 3–4 µm. Keywords: metamaterial, metastructure, waveguide

98 А. А. АДЖИБЕКОВ, А. А. ЖУКОВ, О. А. АЛЕКСЕЕВ Введение правило, при изготовлении многослойных печат- ных плат [9, 10]. В найденных источниках пока- За последние два десятилетия многими иссле- зано, что для сборки и совмещения в техно- довательскими коллективами активно ведутся рабо- логии многослойных печатных плат применяется ты по изучению свойств и определению направле- либо штифтовая технология сборки, обеспечиваю- ний применения метаматериалов — композитов, об- щая погрешности совмещения порядка ±50 мкм, ладающих отрицательной диэлектрической или (и) либо автоматизированные системы сборки с опти- магнитной проницаемостью. Впервые предположе- ческой (рентгеновской) системой совмещения с по- ние о возможности существования таких матери- грешностями ±17 мкм [9, 10]. В этой связи акту- алов было высказано в работе В. Г. Веселаго [1]. альной задачей является разработка принципа сов- Также в этой работе были теоретически, с помо- мещения слоистых структур металлодиэлектриче- щью аппарата электродинамики описаны электри- ских микроразмерных метаструктур, обеспечиваю- ческие свойства таких материалов. Позже в рабо- щего высокоточное (с погрешностью совмещения тах [2, 3] был показан способ практической реали- менее 5–10 мкм) совмещение оптически непрозрач- зации подобных материалов. Опубликование работ ных слоев без применения штифтов. [2, 3] способствовало активизации исследований в данном направлении. Исследования были направ- Цель работы — разработка принципа форми- лены на изучение путей реализации метаматериа- рования слоистых металлодиэлектрических микро- лов и направлений их потенциального применения. размерных метаструктур. В частности, была показана возможность использо- вания метаматериалов для создания электрически Для достижения поставленной цели необхо- малых антенн, антенн с низким уровнем заднего димо решить следующие задачи: излучения, линз, экранов с улучшенными характе- ристиками [4–7]. При этом в подавляющем числе – рассмотреть и проанализировать использо- публикаций отражена реализация метаматериалов вание электромагнитного излучения для совмеще- в виде слоистых металлодиэлектрических компози- ния оптически непрозрачных слоев; тов. Размеры металлических элементов этих ком- позитов и расстояния между элементами, как пра- – предложить аппаратную реализацию прин- вило, не превышают длины волны. Таким образом, ципа — установку контроля качества совмещения при переходе к более высокочастотным диапазонам слоев метаструктуры; реализация метаматериалов становится все слож- нее. В миллиметровом и субмиллиметровом диапа- – провести численную оценку качества совме- зонах длин волн размеры металлических элемен- щения слоев. тов могут составлять десятки–сотни микрометров, а требуемые допуски на их изготовление — еди- Использование электромагнитного ницы микрометров и менее. Современные техноло- излучения для совмещения слоев гии формирования металлических структур на ди- электрической подложке (литографические методы Представляет интерес использование электро- изготовления) способны обеспечить такую точ- магнитного излучения сантиметрового, миллимет- ность [8]. Однако при создании слоистой структу- рового и субмиллиметрового диапазонов длин волн ры возникают сложности с точным позиционирова- для реализации совмещения слоев металлодиэлек- нием слоев относительно друг друга. Вопросы сов- трических микроразмерных метаструктур, обеспе- мещения слоев при создании миниатюрных метал- чивающего высокоточное совмещение слоев без лодиэлектрических структур на данный момент изу- применения штифтов. При этом простое облуче- чены слабо. Анализ имеющихся в открытой печати ние совмещаемых слоев метаструктуры электро- источников, посвященных данной тематике, показы- магнитным полем с последующим исследованием вает, что высокоточное совмещение требуется, как картины его рассеяния для определения качества совмещения слоев представляется малоперспектив- ным. Во-первых, зондирование слоистой структуры волнами сантиметрового и даже миллиметрового диапазонов длин волн при характерных размерах РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020