СПОСОБ ПАРИРОВАНИЯ ПЕРЕГРУЗОК ПО ТОКУ В ЭЛЕКТРОННОМ БЛОКЕ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ВНЕШНИМИ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИМИ ФАКТОРАМИ, ВКЛЮЧАЯ ТИРИСТОРНЫЙ ЭФФЕКТ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR OVER-CURRENT PROTECTION IN ELECTRONIC UNIT OF SPACECRAFT CAUSED BY EXTERNAL FACTORS, INCLUDING THYRISTOR EFFECT, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемый способ парирования перегрузок по току в электронном блоке космического аппарата, обусловленных внешними воздействующими факторами, включая тиристорный эффект, и устройство для его осуществления могут быть применены для управления бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) спутников, космических станций и других космических аппаратов (КА), функционирующих на орбите Земли.
Актуальность проблемы состоит в том, что в процессе полета на БРЭО КА воздействует множество факторов, которые вызывают отказы, в том числе перегрузку по токам, которые необходимо автоматически парировать. Указанные перегрузки часто носят временный характер и не вызывают необратимые отказы бортового оборудования, если производить перезапуск, т.е. немедленное отключение, а затем повторное включение соответствующего электронного блока, в котором они возникают. Обеспечить указанное немедленное отключение средствами наземного комплекса управления (РЖУ) не представляется возможным, так как для выявления перегрузки требуется анализ телеметрической информации, передаваемой от КА, формирование и выдача соответствующих команд. В течение времени, необходимого для принятия решения в НКУ и последующих действий в электронных блоках, в которых возникает перегрузка, могут возникнуть катастрофические необратимые отказы. Проблема решается путем автоматизации действий по парированию указанных перегрузок.
В состав БРЭО входят система управления КА, включающая, в свою очередь бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ), а также электронные блоки, при помощи которых осуществляется управление бортовыми системами (БС). БЦВМ осуществляет формирование управляющих воздействий в соответствии с программой полета, обеспечивает управление положением КА, контроль и управление бортовыми системами в соответствии с их состоянием и логикой управления, заложенной в программное обеспечение. Электронные блоки, непосредственно взаимодействующие с БЦВМ осуществляют преобразование кодов, формируемых БЦВМ в команды управления исполнительными устройствами БС, а также преобразование и первичную обработку информации от в коды, передаваемые в БЦВМ. Через ЭБ, подключенные к БЦВМ может осуществляться непосредственное управление исполнительными устройствами БС, например, управление нагревательными элементами или элементами охлаждения системы обеспечения тепловых режимов (СОТР), и прием и преобразование информации от датчиков температуры. Кроме того, через указанные ЭБ может осуществляться управление другими электронными блоками, непосредственно входящими в состав БС.
Электронные блоки, входящие в состав БРЭО КА конструктивно представляют собой герметичные контейнеры, в которых устанавливаются модули, выполненные, например, в виде печатных плат с установленными на них электронными микросхемами, резисторами, индуктивными и другими элементами. Функционально, на упомянутых печатных платах размещаются оконечные устройства для связи с бортовой цифровой вычислительной машиной (БЦВМ), преобразователи кодов, буферные регистры, счетчики, преобразователи, например широтно-импульсных, аналоговых сигналов, аналого-цифровые преобразователи. Внутри герметичного контейнера ЭБ печатные платы соединяются между собой при помощи контактных соединителей. В то же время межблочные связи выполняются в виде бортовой кабельной сети, содержащей разъемы с механическими контактами. Стабилизация температуры указанных ЭБ осуществляется при помощи нагревательных и охлаждающих элементов СОТР.
Во время полета КА на функционирование его бортового оборудования влияют внешние воздействующие факторы, в том числе различные виды излучений, невесомость, вакуум и другие. Длительности различных воздействий различаются и могут составлять от нескольких секунд, например время статического разряда, до нескольких минут, например, излучение, возникающее в результате солнечной вспышки. Следствиями указанных воздействий являются сбои и отказы бортового оборудования, которые могут вызывать эффекты перегрузок по току в ЭБ.
Повышение токов потребления блоками, входящими в состав БСУ, может быть вызвано различными факторами, к которым относятся:
- воздействие частиц высокой энергии,
- воздействие космической плазмы.
- воздействие температуры,
- воздействие вибрации.
Ионизирующие излучения Солнца и космического пространства приводят к постепенной деградации параметров электронных элементов, что в конечном итоге приводит к необратимым отказам. Кроме того, ионизирующие излучения могут вызывать тиристорный эффект (ТЭ), который обычно сопровождается протеканием больших токов по цепи питания, что приводит, в свою очередь, к разогреву интегральных микросхем, входящих в состав ЭБ КА, в результате чего может произойти их необратимый отказ. Как известно, в большинстве случаев ТЭ обратим, так как при отключении питания тиристорная структура отключается, и при повторном включении питания осуществляется восстановление работоспособности указанных микросхем. Таким образом, для ликвидации ТЭ, возникающего в ЭБ, требуется немедленное снятие с него питания. Повторное включение указанного ЭБ необходимо произвести через время, которое необходимо для уменьшения потенциалов в индуктивно-емкостных цепях входящих в его состав схем до уровня прекращения ТЭ. Как правило, время повторного включения ЭБ после его отключения оговаривается в паспортных данных на него. Из-за воздействия излучений со временем происходит деградация элементов, постепенное изменение характеристик электронных компонентов блока, при этом указанное время может изменяться. Тиристорный эффект может возникать вследствие частиц высокой энергии, вызванных излучением при солнечных вспышках. В большинстве случаев длительность излучения при солнечных вспышках может составлять несколько сотен секунд.
Воздействие космической плазмы в условиях вакуума может приводить к электризации диэлектрических защитных и термоизолирующих покрытий конструктивных элементов КА. Замкнутое пространство не позволяет реализовать шину Земли, вследствие чего общий потенциал на борту КА постоянно колеблется, а протекание поверхностных токов по поверхности ЭБ может быть причиной возникновения дополнительных помех. Накопление критического заряда может приводить к внутреннему локальному электростатическому пробою, что может привести к непосредственному отказу или сбою в работе ЭБ КА, который, в том числе может сопровождаться повышением им тока потребления.
Температура в ЭБ является результатом тепловыделения электронных его элементов в процессе функционирования, а также внешнего воздействия, обусловленного тепловым излучением Солнца. Тепловой режим работы ЭБ в условиях невесомости, вследствие отсутствия конвекции тепла, постепенно может ухудшаться.
Неравномерный нагрев ЭБ КА под воздействием инфракрасного излучения Солнца, изменения температуры в результате изменения режимов работы самих ЭБ, а также попадание конструктивных элементов КА в теневую зону от других объектов, в том числе, например, в теневую часть орбиты Земли, могут приводить к значительным изменениям температуры в ЭБ. При этом может происходить периодический нагрев и охлаждение плат и разъемных соединений в указанных ЭБ. Результатом периодических воздействий температуры являются температурные градиенты, приводящие к возникновению термомеханических напряжений, в результате чего может происходить деформация разъемных соединений в ЭБ. В конечном итоге это может привести к отказу ЭБ, обусловленному прерыванием, либо замыканием в нем контактных соединений. В этом случае восстановление работоспособности ЭБ возможно осуществить после обеспечения его равномерного нагрева. Температурные нарушения могут сохраняться несколько десятков минут и устраняются, например, после изменения положения отказавшего блока ЭБ, расположенного в определенном месте на борту КА, относительно направления на Солнце.
Режимы функционирования ЭБ могут нарушаться в случае, если температурные воздействия выходят за заданные в процессе проектирования предельные значения. В случае выхода температуры внутри ЭБ за пределы допустимых значений, потребление им тока может увеличиваться, так как проводимость входящих в него полупроводниковых элементов может изменяться. С целью предотвращения необратимых отказов ЭБ при повышении им тока потребления в результате выхода температуры за предельные значения требуется немедленно его отключить. После вхождения температурного режима в пределы допустимых значений, в большинстве случаев, происходит полное восстановление работоспособности указанных ЭБ.
При изменениях положения ЭБ относительно направления на Солнце температурные воздействия на него изменяются, при этом после разворота КА на определенный угол, при котором конструктивные элементы КА препятствуют попаданию на блок прямого солнечного излучения, температура может стабилизироваться.
Замыкание контактных соединений и, как следствие, перегрузка по току в ЭБ может возникать из-за вибрации, которая происходит периодически на борту КА, например, вследствие периодического вращения солнечных батарей, изменения положения других подвижных устройств установленных на борту (антенн, телескопов и других). Кроме того, вибрация возникает во время стабилизации, изменения положения КА, так как при этом функционируют двигатели орбитального маневрирования и устройства стабилизации. В данном случае предотвращение необратимых отказов ЭБ, сопровождающихся повышением тока потребления, может быть осуществлено также путем их немедленного отключения на время проявления указанного воздействия. Продолжительность вибрации, обусловленной указанными факторами, может составлять несколько десятков секунд.
Для предотвращения катастрофических отказов, в случае увеличения потребления ЭБ электроэнергии выходящего за допустимые пределы, его необходимо немедленно отключить. При этом, учитывая различную природу перечисленных выше воздействий, восстановление работоспособности ЭБ после его отключения может происходить через различные интервалы времени, в зависимости от характера воздействия.
Как правило, ЭБ содержат несколько каналов резервирования, как правило три, при этом на выходах ЭБ может осуществляться мажоритарная обработка информации формируемой его каналами, например, по принципу два из трех. Питание каждого канала ЭБ, как правило, осуществляется независимым, гальванически развязанным источником питания. Воздействие перечисленных выше факторов на различные каналы ЭБ может отличаться.
Для минимизации вероятности повторения перегрузки из-за воздействующего фактора повторное включение канала ЭБ после его отключения из-за перегрузки по току целесообразно выполнять после прекращения внешнего воздействия. Учитывая различную природу внешних воздействий, а также их продолжительность, повторное включение необходимо осуществлять через максимально допустимое время, при этом отключенное состояние канала ЭБ должно минимально влиять на выполнение задач КА.
После воздействия на микросхемы, входящие в состав аппаратуры ЭБ, частиц высокой энергии потребление им тока резко увеличивается из-за тиристорного эффекта, при этом восстановление работоспособности ЭБ после его отключения возможно после уменьшения напряжения на выводах микросхем до уровня прекращения указанного эффекта. В то же время после отключения ЭБ происходит постепенное уменьшение потенциалов на выводах микросхем в течение времени разряда емкостно-индуктивных элементов. Поэтому в паспортных данных на ЭБ, как правило, указывается минимальная пауза после отключения, после которой его можно повторно включать, которая необходима для полной разрядки емкостно-индуктивных связей на элементах ЭБ. Ввиду деградации со временем аппаратуры ЭБ, а также из-за внешних воздействий, время полной разрядки емкостно-индуктивных связей после отключения блока может изменяться.
Управление некоторыми БС, не связанными с движением и навигацией, может прерываться в течение нескольких десятков минут, что не оказывает влияние на функционирование КА. Например, в геостационарном спутнике, в случае отказа системы управления ориентацией солнечной батареи (СБ), при неправильной ориентации указанной СБ, электроснабжение оборудования КА в течение нескольких десятков минут может осуществляться от аккумуляторных батарей до восстановления работоспособности указанной системы ориентации СБ.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ парирования перегрузок по току в электронном блоке КА, заключающийся в том, что производят сбор информации о состоянии каналов трехканального резервированного электронного блока системой диагностического контроля космического аппарата, формируют информацию на выходе электронного блока по ее совпадению в двух резервированных каналах из трех, при перегрузке по току формируют сигнал отказа соответствующего канала электронного блока и производят его отключение, а затем повторное включение [1].
Недостатками известного способа являются ограниченные функциональные возможности и низкая отказоустойчивость. Кроме этого необходимость четвертого дополнительного канала, находящегося в холодном резерве, увеличивает массогабаритные характеристики БРЭО КА в целом. А также, отказы, возникающие одновременно в двух и более каналах, не парируются и не учитываются характер и продолжительность различных внешних воздействий.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей и обеспечение отказоустойчивости электронных блоков КА.
Технический результат достигается тем, что в известном способе парирования перегрузок по току в электронном блоке космического аппарата, обусловленных внешними воздействующими факторами, включая тиристорный эффект, заключающийся в том, что производят сбор информации о состоянии каналов трехканального резервированного электронного блока системой диагностического контроля космического аппарата, формируют информацию на выходе электронного блока по ее совпадению в двух резервированных каналах из трех, при перегрузке по току формируют сигнал отказа соответствующего канала электронного блока и производят его отключение, а затем повторное включение, дополнительно определяют максимально возможный ток потребления каждым каналом электронного блока во время функционирования в составе космического аппарата, задают пороговое значение тока перегрузки канала электронного блока в диапазоне:
MAX
П
MAX
I≤I<2·I
MAX
где: I - максимально допустимый ток потребления каналом электронного блока;
П
I - пороговое значение тока перегрузки в канале электронного блока, измеряют ток потребления в каждом канале резервированного электронного блока, формируют сигнал отказа канала, если ток потребления превышает пороговое значение тока перегрузки, определяют минимальное время, при котором допускается повторное включение канала после его отключения, определяют период вращения космического аппарата вокруг Земли, разбивают указанный период на равные интервалы времени, как:
и
4≤N≤100
и
где N - количество интервалов времени, на которые разбивается период вращения космического аппарата вокруг Земли,
вычисляют длительный интервал времени ожидания включения канала электронного блока, как:
КА
где: T - период оборота космического аппарата вокруг Земли;
Д
Δt - длительный интервал времени ожидания включения канала, определяют допустимое количество повторных включений канала после его отключения, задают количество повторных включений канала на одном длительном интервале времени ожидания, округленное в меньшую сторону до целого числа, в диапазоне:
П
где: N - количество повторных включений канала электронного блока после его отключения на одном длительном интервале времени ожидания;
Г
N - допустимое количество повторных включений канала электронного блока,
задают короткий интервал времени ожидания включения канала электронного блока после его отключения, в диапазоне:
MIN
где: Δt - минимальный интервал времени, при котором допускается включение канала после его отключения;
К
Δt - короткий интервал времени ожидания включения канала после его отключения,
на каждом длительном интервале времени ожидания производят подсчет количества включений канала электронного блока, при этом, если количество включений на указанном интервале не превышает порогового значения, начинают отсчет короткого времени ожидания с момента отключения канала, одновременно начинают отсчет длительного интервала времени ожидания, если количество включений соответствующего канала имеет нулевое значение, по окончании отсчета короткого интервала времени ожидания включают канал и увеличивают количество включений на единицу, по окончании отсчета длительного интервала времени ожидания обнуляют количество включений, отключают ток, подаваемый в канал электронного блока и отключают управление парированием его отказов, если количество включений более двух раз достигает порогового значения.
Технический результат от применения устройства парирования перегрузок по току в электронном блоке космического аппарата достигается за счет того, что устройство содержит коммутатор тока, первый вход которого является первым входом устройства, а выход соединен со входом датчика тока, первый выход которого является выходом устройства, а второй выход соединен через аналого-цифровой преобразователь с первым входом первого элемента сравнения, второй вход которого является вторым входом устройства, при этом его выход соединен с первым входом первого элемента «И», второй вход которого соединен с первым входом второго элемента «И» и является третьим входом устройства, а выход соединен через формирователь коротких импульсов с первыми входами, третьего, и четвертого элементов «И», а также с первым входом сброса запоминающего элемента, выход которого в свою очередь, соединен со вторым входом управления коммутатора токов, при этом второй установочный вход запоминающего элемента соединен с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого является четвертым входом устройства, а его второй вход через элемент короткой задержки соединен с выходом четвертого элемента «И», а также с первым счетным входом счетчика, выход которого соединен с первым входом второго элемента сравнения, второй вход которого является пятым входом устройства, а инверсный выход соединен со вторым входом четвертого элемента «И», при этом второй вход сброса счетчика соединен с выходом элемента длительной задержки, через второй вход второго элемента «И» соединен с третьим входом элемента «ИЛИ», а также первым входом сброса триггера, инверсный выход которого соединен со вторым входом третьего элемента «И», выход которого, в свою очередь соединен со вторым счетным входом триггера и входом элемента длительной задержки.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2 - графики функционирования устройства парирования перегрузок по току в электронном блоке КА, на фиг. 3 - функциональная схема взаимодействия трех устройств защиты от перегрузок по току с каналами электронного блока.
Способ парирования перегрузок по току в электронном блоке КА осуществляется следующим образом.
Электронный блок КА состоит, как правило, из нескольких каналов резервирования, каждый из которых может отключаться и включаться независимо от остальных. На выходе ЭБ формируются команды в зависимости от принимаемой информации. В соответствии с требованиями по надежности и быстродействию в некоторых ЭБ информация на его выходах формируется по совпадению информации на выходах в двух каналах из трех.
На наземных стендах оборудования определяют максимально возможный ток потребления каждым каналом ЭБ. Во время функционирования КА задают пороговое значение тока в каждом канале ЭБ в диапазоне:
MAX
где: I - максимально допустимый ток потребления каналом ЭБ;
П
I - пороговое значение тока в контролируемом канале ЭБ. Формируют сигнал отказа канала ЭБ, если его ток потребления превышает указанное пороговое значение, определенное по формуле (1), при этом производят его отключение, а затем повторное включение.
Определяют период вращения КА вокруг Земли, а также по паспортным данным определяют минимальное время, при котором допускается повторное включение канала ЭБ после его отключения.
Во время функционирования в каждом ЭБ должны поддерживаться стабильные температурные условия, которые обеспечиваются системой терморегулирования. В процессе полета КА температурные условия функционирования ЭБ меняются в зависимости от углового положения Солнечного излучения относительно корпуса, в котором размещается электронная аппаратура канала ЭБ, то есть в различных точках орбиты. В случае, если перегрузка по току в канале ЭБ обусловлена или сопровождается выходом температуры за допустимые пределы, изменения температурных условий может произойти при развороте КА на определенный угол. При развороте КА, например, на угол 90° угловое положение жестко закрепленного на его корпусе ЭБ с отказавшим каналом также изменяется, кроме того, прямому попаданию излучения Солнца могут препятствовать другие блоки бортового оборудования.
Круговая орбита КА, как правило, является фиксированной, имеет определенный период обращения вокруг Земли, поэтому каждой ее точке может быть поставлен в соответствие фиксированный момент времени указанного периода. Для реализации способа разбивают период вращения КА вокруг Земли на равные интервалы времени, как:
и
где N - количество интервалов времени, на которые разбивается период вращения КА вокруг Земли, целое число.
Вычисляют длительный интервал времени ожидания включения канала ЭБ, как:
КА
где: T - период оборота КА вокруг Земли,
Д
Δt - длительный интервал времени ожидания включения канала ЭБ. В паспортных данных на элементы, входящие в состав ЭБ, например, на релейные или оптоэлектронные элементы, оговаривается их гарантированный ресурс по количеству переключений. Таким образом, допустимое (гарантированное) количество отключений и повторных включений ЭБ, указывается в его паспортных данных, либо может быть определено расчетным путем, исходя из совокупного ресурса входящих в него элементов.
Исходя из указанного совокупного ресурса, количество повторных включений ЭБ на одном длительном интервале времени ожидания задают, как целое число в диапазоне:
П
где: N - количество повторных включений канала ЭБ после его отключения на одном длительном интервале времени ожидания, целое число;
Г
N - гарантированное количество повторных включений канала ЭБ после его отключения;
- обозначение округления числа в меньшую сторону до ближайшего целого.
Задают короткий интервал времени ожидания включения канала ЭБ после его отключения, в диапазоне:
MIN
где: Δt - минимальный интервал времени при котором допускается включение канала ЭБ после его отключения;
K
At - короткий интервал времени ожидания включения канала ЭБ после его отключения.
Во время функционирования КА измеряют ток потребления в каждом канале ЭБ. Формируют сигнал отказа соответствующего канала ЭБ, если ток потребления им превышает задаваемое пороговое значение. На каждом длительном интервале времени ожидания производят подсчет количества включений канала блока, при этом, если количество включений на указанном интервале не превышает порогового значения, в момент отключения канала блока по превышению порогового значения тока в канале ЭБ начинают отсчет короткого интервала ожидания. Одновременно начинают отсчет длительного интервала ожидания, если количество включений соответствующего канала, подсчитываемое счетчиком, имеет нулевое значение.
По окончании короткого интервала ожидания включают его и увеличивают значение соответствующего счетчика количества включений на единицу. По окончании длительного интервала ожидания сбрасывают счетчик количества включений. Отключают ток, подаваемый в канал ЭБ, и отключают управление парированием его отказов, если значение соответствующего счетчика количества включений более двух раз достигает порогового значения.
Устройство парирования перегрузок по току в электронном блоке космического аппарата, обусловленных внешними воздействующими факторами, включая тиристорный эффект (фиг. 1) содержит коммутатор тока 1 (КТ), датчик тока 2 (ДТ), аналого-цифровой преобразователь 3 (АЦП), первый элемент сравнения 4 (1ЭС), первый 5 (1И) и второй 6 (2И) логические элементы «И», формирователь коротких импульсов 7 (ФКИ), третий 8 (3И) и четвертый 9 (4И) логические элементы «И», запоминающий элемент 10 (ЗЭ), логический элемент «ИЛИ» 11 (ИЛИ), элемент короткой задержки 12 (ЭКЗ), счетчик 13 (СЧ), второй элемент сравнения 14 (2ЭС), элемент длительной задержки 15 (ЭДЗ) и триггер со счетным входом 16 (ТГ). Первый вход коммутатора тока 1 (КТ), является первым входом устройства (1 вх.), а выход соединен со входом датчика тока 2 (ДТ), первый выход которого является выходом устройства (Вых.), а второй выход соединен через аналого-цифровой преобразователь 3 (АЦП) с первым входом первого элемента сравнения 4 (1ЭС), второй вход которого является вторым входом устройства (2 вх.), при этом его выход соединен с первым входом первого элемента «И» 5 (1И), второй вход которого соединен с первым входом второго элемента «И» 6 (2И) и является третьим входом устройства (3 вх.), а выход соединен через формирователь коротких импульсов 7 (ФКИ) с первыми входами третьего 8 (3И), и четвертого 9 (4И) элементов «И», а также с первым входом сброса запоминающего элемента 10 (ЗЭ), выход которого, в свою очередь, соединен со вторым входом управления коммутатора токов 1 (КТ), при этом второй установочный вход запоминающего элемента 10 (ЗЭ) соединен с выходом элемента ИЛИ 11 (ИЛИ), первый вход которого является четвертым входом устройства (4 вх.), а его второй вход через элемент короткой задержки 12 (ЭКЗ) соединен с выходом четвертого элемента «И» 9 (4И), а также с первым счетным входом счетчика 13 (СЧ), выход которого соединен с первым входом второго элемента сравнения 14 (2ЭС), второй вход которого является пятым входом устройства (5 вх.), а инверсный выход соединен со вторым входом четвертого элемента «И» 9 (4И), при этом второй вход сброса счетчика 13 (СЧ) соединен с выходом элемента длительной задержки 15 (ЭДЗ), через второй вход второго элемента «И» 6 (2И) соединен с третьим входом элемента «ИЛИ» 11 (ИЛИ), а также первым входом сброса триггера 16 (ТГ), инверсный выход которого соединен со вторым входом третьего элемента «И» 8 (3И), выход которого в свою очередь соединен со вторым счетным входом триггера 16 (ТГ) и входом элемента длительной задержки 15 (ЭДЗ).
Устройство, реализующее предложенный способ для одного канала электронного блока функционирует следующим образом.
П
Перед началом работы на второй вход устройства подается код, определенный по формуле (1), соответствующий пороговому значению тока, при котором регистрируется перегрузка по току канала электронного блока, а на пятый вход устройства подается код, соответствующий количеству повторных включений на одном длительном интервале времени ожидания N, которые определяются по формуле (4). Задержка на элементе длительной задержки 14 (ЭДЗ) должна соответствовать длительному интервалу времени ожидания включения канала блока, определенному по формуле (3), а на элементе короткой задержки - короткому интервалу времени ожидания, определенному по формуле (5).
Импульсная команда на включение устройства парирования перегрузок по току в канале ЭБ КА поступает с четвертого входа устройства (4 вх.) на первый вход элемента ИЛИ 11 (ИЛИ) и далее на второй вход установки запоминающего элемента 10 (ЗЭ), при этом на его выходе устанавливается логическая «1», которая поступает на второй вход коммутатора тока 1 (КТ), после чего ток, поступающий на первый вход (1 вх.) устройства и, следовательно, на первый вход коммутатора тока 1(КТ), поступает через датчик тока 2 (ДТ) на его первый выход, являющийся выходом устройства (Вых.). Далее, с выхода устройства (Вых.), ток поступает на вход питания канала электронного блока (на фиг. 1 показан пунктиром). После подачи на третий вход устройства (3 вх.) логической «1», которая поступает на второй вход первого элемента «И» 5 (1И) и первый вход второго элемента «И» 6 (2И), устройство начинает функционировать. При этом аналоговый сигнал, соответствующий величине тока со второго выхода датчика тока 2 (ДТ), поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 3 (АЦП), который преобразует поступивший аналоговый сигнал в цифровой код. Далее указанный код с выхода аналого-цифрового преобразователя 3 (АЦП) поступает на первый вход первого элемента сравнения 4 (1ЭС), на второй вход которого через второй вход устройства (2 вх.) поступает код, соответствующий пороговому значению тока, при котором регистрируется перегрузка по току в канале электронного блока.
В случае наличия перегрузки по току в канале электронного блока, величина кода, поступающего на первый вход первого элемента сравнения 4 (1ЭС), начинает превышать величину кода, поступающего на его второй вход, при этом на его выходе устанавливается логическая «1», которая поступает через первый вход первого элемента «И» 5 (1И) на вход формирователя коротких импульсов 7 (ФКИ), на выходе которого формируется короткий импульс, поступающий через первый вход третьего элемента «И» 8 (3И) на вход элемента длительной задержки 15 (ЭДЗ) и на второй, счетный вход триггера 16 (ТГ). По окончании указанного импульса на инверсном выходе триггера 16 (ТГ) формируется сигнал логического «0», который поступает на второй вход третьего логического элемента 8 (3И) и блокирует поступление последующих импульсов на его выход.
Одновременно, сформированный на выходе формирователя коротких импульсов 7 (ФКИ) импульс поступает на первый вход сброса запоминающего элемента 10 (ЗЭ), на выходе которого, при этом устанавливается состояние логического «0», которое поступает на второй вход коммутатора тока 1 (КТ), при этом ток прекращает поступать на датчик тока 2 (ДТ) и, соответственно, на выход устройства и в канал электронного блока.
Кроме того, импульс, сформированный на выходе формирователя коротких импульсов 7 (ФКИ), через первый вход четвертого элемента «И» 9 (4И), при наличии логической «1» на втором его входе, поступает на вход элемента короткой задержки 12 (ЭКЗ).
Импульс с выхода элемента короткой задержки 12 (ЭКЗ) по окончании задержки поступает через второй вход элемента «ИЛИ» 11 (ИЛИ) на его выход и далее на второй установочный вход запоминающего элемента 10 (ЗЭ), при этом на его выходе устанавливается логическая «1», которая поступает на второй вход коммутатора тока 1 (КТ), после чего ток, поступающий на первый вход (1 вх.) устройства и, следовательно, на первый вход коммутатора тока 1 (КТ), поступает далее через датчик тока 2 (ДТ) на выход устройства (Вых.) и, соответственно, на вход питания канала электронного блока.
Одновременно по окончании задержки импульс с выхода элемента короткой задержки 12 (ЭКЗ) поступает на счетный вход счетчика 13 (СЧ) и увеличивает его значение на единицу.
В случае, если значение кода на выходе счетчика 13 (СЧ) превышает величину кода, поступающего на второй вход второго элемента сравнения 14 (2ЭС), на инверсном выходе указанного элемента сравнения формируется сигнал логического «0», который поступает на второй вход четвертого элемента «И» 9 (4И) и блокирует поступление импульса с его первого входа на вход элемента короткой задержки 12 (ЭКЗ). В случае перегрузки по току импульс, сформированный на выходе формирователя коротких импульсов 7 (ФКИ), поступает на первый вход сброса запоминающего элемента 10 (ЗЭ) и устанавливает его выход в состояние логического «0», при этом коммутатор 1 (КТ) отключает подачу тока с первого входа устройства (1 вх.) на датчик тока 2 (ДТ) и, соответственно, на выход устройства (Вых.) и далее на вход питания канала электронного блока.
По окончании длительной задержки импульс с выхода элемента длительной задержки 15 (ЭДЗ) поступает на первый вход сброса триггера 16 (ТГ) и второй вход сброса счетчика 13 (СЧ) и сбрасывает их, при этом на вторых входах третьего 8 (3И) и четвертого 9 (4И) элементов «И» устанавливаются логические «1», а через второй вход второго элемента «И» 6 (2И) импульс поступает на третий вход элемента «ИЛИ» 11 (ИЛИ), далее с его выхода на второй вход установки запоминающего элемента 9 (ЗЭ), при этом устанавливает на его выходе значение логической «1», после чего ток, поступающий на первый вход (1 вх.) устройства и, следовательно, на первый вход коммутатора тока 1 (КТ), поступает на первый вход датчика тока 2 (ДТ), далее с его первого выхода, соответственно, с выхода устройства (Вых.) на вход питания канала электронного блока.
На фиг. 2 представлены графики функционирования устройства парирования перегрузок по току в электронном блоке КА, где:
вых
I - ток на выходе устройства, поступающий на вход канала электронного блока;
П
I - пороговое значение тока перегрузки;
АЦП
K - код на выходе аналого-цифрового преобразователя;
2вх
K - код, соответствующий пороговому значению тока, поступающий на второй вход устройства;
1ЭС
U - напряжение на выходе первого элемента сравнения 4 (1ЭС);
ФКИ
U - напряжение на выходе формирователя коротких импульсов 7 (ФКИ);
ЭДЗ
U - напряжение на выходе элемента короткой задержки 12 (ЭКЗ);
ЭДЗ
U - напряжение на выходе элемента длительной задержки 15 (ЭКЗ);
ЗЭ
U - напряжение на выходе запоминающего элемента 10 (ЗЭ);
СЧ
N - значение на выходе счетчика 13 (СЧ);
ТГ
U - напряжение на инверсном выходе триггера со счетным входом 16 (ТГ);
17 - момент установки единичного значения на выходе первого элемента сравнения 4 (1ЭС);
18, 22 - моменты начала формирования импульса на выходе формирователя короткого импульса 7 (ФКИ);
19, 25 - момент установки состояний «0» и «1» соответственно на инверсном выходе триггера 16 (ТГ);
20, 23 - моменты начала импульсов на выходе элемента короткой задержки 12 (ЭКЗ);
21, 24 - моменты изменения кода на выходе счетчика 13 (СЧ).
АЦП
2вх
На первый вход элемента сравнения поступает код K, соответствующий величине тока, поступающего на его вход со второго выхода датчика тока 2 (ДТ), при этом на второй его вход, соответственно на второй вход устройства, поступает код K, соответствующий пороговому значению тока.
вых
П
АЦП
АЦП
2вх
После превышения тока потребления каналом электронного блока порогового значения, то есть при I>I, соответствующий код на выходе АЦП K становится выше порогового значения, то есть K>К.
1ЭС
ФКИ
ЗЭ
вых
вых
В момент 17 перегрузки по току на выходе элемента сравнения 4 (1ЭС) формируется напряжение, соответствующее логической «1», то есть U=1. При этом на выходе формирователя коротких импульсов 7 (ФКИ) формируется импульс U, который поступает на первый вход запоминающего элемента 10 (ЗЭ) и по переднему фронту, в момент 18, сбрасывает запоминающий элемент 10 (ЗЭ) и устанавливает на его выходе логический «0», то есть U=0, и при этом отключает ток I, проходящий от первого входа (1 вх.) через элемент коммутации 1 (КТ) и датчик тока 2 (ДТ) на выход в канал электронного блока, при этом I=0.
ТГ
К
ЭКЗ
ЗЭ
СЧ
ЗЭ
Вых
К
ЗЭ
СЧ
ЭДЗ
Д
СЧ
ТГ
Импульс, сформированный формирователем коротких импульсов 7 (ФКИ), поступает через первый вход третьего элемента «И» 8 (3И) на второй, счетный вход триггера 16 (ТГ), на инверсном выходе которого в момент 19 окончания указанного импульса устанавливается напряжение, соответствующее логическому «0», то есть U=0. Одновременно импульс поступает через третий элемент «И» 8 (3И) на вход элемента длинной задержки 15 (ЭДЗ), а через четвертый элемент «И» 9 (4И) на вход элемента короткой задержки 12 (ЭКЗ). Через время короткого интервала ожидания Δt, определенного по формуле (5), передний фронт импульса U, сформированного на выходе элемента короткой задержки 12 (ЭКЗ) в момент 20, проходя через элемент «ИЛИ» 11 (ИЛИ), поступает на второй вход установки запоминающего элемента 10 (ЗЭ) и устанавливает напряжение на его выходе, соответствующее логической «1», то есть U=1. Кроме того, импульс с выхода элемента короткой задержки 12 (ЗЭ) поступает на первый, счетный вход счетчика 13 (СЧ), при этом по окончании импульса, в момент 21, значение счетчика увеличивается на единицу, то есть N=1. Далее, в момент 22 происходит повторная перегрузка по току, при этом на выходе запоминающего элемента 10 (ЗЭ) также устанавливается логический «0», то есть U=0, при этом ток, поступающий на выход устройства (Вых.), прекращает подаваться на выход устройства (Вых.), то есть I=0. Через время короткого интервала ожидания Δt, задержанного элементом короткой задержки 12 (ЭКЗ), в момент 23 вновь устанавливается логическая «1» на выходе запоминающего элемента 10 (ЗЭ), то есть U=1, при этом коммутатор 1 (КТ) коммутирует ток с первого входа устройства (1 вх.), который через датчик тока 2 (ДТ) поступает на выход устройства. По окончании импульса, задержанного элементом короткой задержки 12 (ЭКЗ) в момент 24, значение счетчика 13 (СЧ) увеличивается на единицу, то есть N=2. Далее перегрузок по току в электронном блоке не возникает. В момент 25 импульс на выходе элемента длительной задержки 15 (ЭДЗ) U, задержанный на время длительной задержки Δt, определенной по формуле (3), поступает на входы сброса счетчика 13 (СЧ) и триггера 16 (ТГ), при этом сбрасывает значение счетчика N=0 и устанавливает на инверсном входе триггера значение логической «1», то есть U=1.
На фиг. 3 представлена функциональная схема взаимодействия трех устройств защиты от перегрузок по току с тремя каналами электронного блока и бортовой системой, где:
БСУ - бортовая система управления КА;
У1, У2, У3 - первый, второй, третий канал устройства парирования перегрузок;
ЭБ - электронный блок;
БС - бортовая система;
K1, К2, К3 - первый, второй и третий каналы электронного блока;
1
1
m
БМЭ - блок m мажоритарных элементов (МЭ, МЭ,…МЭ), где m - количество элементов, целое число;
ИУ - исполнительные устройства бортовой системы; Д - датчики бортовой системы;
26, 27, 28 - входы тока от первого, второго и третьего источников питания;
29, 30, 31 - выходы тока от первого второго и третьего каналов устройства парирования перегрузок по току;
32 - команды, поступающие с выхода электронного блока в бортовую систему;
33 - сигналы, поступающие на вход электронного блока из бортовой системы;
34 - механические, электрические, информационные и прочие связи между исполнительными устройствами (ИУ) и датчиками (Д);
ИП1, ИП2, ИП3 - первый, второй и третий источники питания.
Первое (У1), второе (У2) и третье (У3) устройства защиты от перегрузок по току реализуются программными и аппаратными средствами бортовой системы управления КА (БСУ). На первые входы устройств 26, 27, 28, соответствующих первым входам устройства, представленного на фиг. 1, поступают токи, соответственно, от первого ИП1, второго ИП2 и третьего ИП3 источников питания. С выходов 29, 30, 31 указанных устройств защиты, соответствующих выходам тока устройства, представленного на фиг. 1, ток поступает в первый (К1), второй (К2) и третий (К3) каналы электронного блока (ЭБ).
1
1
m
С первого (У1), второго (У2) и третьего (У3) устройств защиты ток поступает, соответственно, в первый (К1), второй (К2) и третий (К3) каналы электронного блока (ЭБ), команды на выходах которого (32) формируются путем мажоритирования команд, поступающих с выходов соответствующих каналов (К1, К2, К3) электронного блока (ЭБ) при помощи блока мажоритарных элементов (БМЭ), входящего в состав указанного электронного блока (ЭБ), содержащего мажоритарные элементы (МЭ, МЭ, …МЭ). Команды с выходов электронного блока (ЭБ) поступают по линиям связи 32 в исполнительные устройства (ИУ) бортовой системы (БС). Состояние исполнительных устройств контролируется при помощи датчиков (Д), информация от которых поступает на входы первого (К1), второго (К2) и третьего каналов электронного бока (ЭБ).
1
m
Состояние исполнительных устройств (ИУ) бортовой системы (БС) контролируется датчиками (Д) по условно показанным линиям связи 34, которые могут иметь различную физическую природу, например, механические, электрические, оптические, температурные и другие. Во время функционирования электронный блок (ЭБ) формирует команды, поступающие на выходы 32 в бортовую систему (БС) в зависимости от заданного алгоритма и состояния датчиков (Д). Каждый мажоритарный элемент (МЭ, …МЭ) формирует информацию на выходе при совпадении двух из трех команд, формируемых на выходах каналов электронных блоков (К1, К2, К3). Таким образом, в случае отключения тока на входах одного из указанных каналов команды на выходах электронного блока (ЭБ) формируются оставшимися двумя каналами.
Данный способ и устройство позволяет парировать отказы, обусловленные перегрузками по току, возникающие в каналах любого электронного блока космического аппарата. Временное отключение одного канала электронного блока на управление бортовыми системами влияние не оказывает в случае, если перегрузки в каналах электронного блока возникают поочередно, с некоторыми интервалами, при этом отключенные состояния указанных каналов не совпадают по времени.
В случае одновременного возникновения отказов, например в двух из трех каналов резервированного электронного блока с мажоритарной обработкой информации на выходе, сигнал отказа бортовой системы формируется через время, зависящее от физических свойств конкретной БС.
Д
Д
Управление бортовыми системами осуществляется по алгоритмам, заложенным в виде программного обеспечения в бортовых цифровых машинах, входящих в состав системы управления космического аппарата. Во время разработки алгоритмов управления бортовыми системами, исходя из их физических свойств, устанавливаются предельные временные интервалы, на которых допускаются перерывы в их управлении, обусловленные сбоями, при превышении которых формируются сигналы отказов. Например, отказ в системе управления ориентацией солнечной батареи формируется во время полета КА по орбите при отсутствии ее вращения, во время которого она отклоняется от направления на Солнце на угол, превышающий допустимое значение. В системе управления терморегулированием, при отсутствии управления нагревательными элементами, отказ может формироваться при выходе температуры за предельно допустимое значение, которое может быть рассчитано либо установлено экспериментальным путем. Таким образом, если отключение двух и более каналов электронного блока управляющего БС происходит на время менее предельного временного интервала, на который допускается перерыв в управлении, сигнал отказа не формируется, то есть, если верхняя граница диапазона длительного интервала ожидания Δt, определенного по формуле (3), не превышает указанного предельного временного интервала. При выборе длительного интервала ожидания Δt необходимо учитывать указанный фактор.
Д
Если время перегрузки в одном или нескольких каналах превышает верхнюю границу диапазона длительного интервала ожидания Δt, из наземного комплекса управления через бортовой радиотехнический комплекс выдается команда на отключение отказавших каналов БС. В случае наличия перегрузок в двух и более каналах может формироваться сигнал отказа БС, при котором ее управление прекращается. После этого из наземного комплекса управления могут быть выданы команды на изменение порогового значения тока перегрузки с последующим включением отказавших каналов, либо обеспечивающих реконфигурацию бортового оборудования, например, на функциональное замещение отказавшей БС другой системой.
Применение данного способа и устройства парирования отказов в каналах резервированного электронного блока космического аппарата (КА), возникающих вследствие воздействия тяжелых заряженных частиц и других факторов, позволяет повысить отказоустойчивость и надежность функционирования электронных блоков КА.
Источники информации
1. Патент РФ 2480898, 27.04.2013, кл. H03K 17/08