Обработка результатов измерения помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов

Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2017, том 2 УДК 621.78:621.311:621.317.1:629.7.05

Костин А.В., Бозриков В.С., Калинин Е.С., Пиганов М.Н,

ФГБОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» (Самарский университет), Самара, Россия

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПОМЕХ В ЦЕПЯХ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

В статье рассматривается метод обработки результатов измерения помех, вызванных электростатическими разрядами, в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, позволяющий снизить влияние контрольно-измерительной аппаратуры на результаты измерения. Приводятся эквивалентные схемы и расчётные формулы Ключевые слова:

бортовая аппаратура, космический аппарат, помеха, электростатический разряд, измерения, сопротивление, проводимость, напряжение, антенна, ЭДС

История борьбы с негативными проявлениями электризации космических аппаратов (КА) в процессе штатной эксплуатации насчитывает более 30 лет [1]. Однако, на сегодняшний день эта проблема обострилась особенно. Это связано с тем, что бортовая аппаратура (БА) КА, несмотря на все преимущества, которые приобрела в процессе своей эволюции, стала более чувствительной к электромагнитным помехам. Сам процесс электризации не вызывает электромагнитных помех. Однако, результатом процесса электризации, очень часто, является электростатический разряд (ЭСР). Последний вызывает импульсные электромагнитные поля, спектр которых весьма широк [2].

Исследование воздействия таких помех на БА КА является непростой задачей, причём, как теоретическое, так и экспериментальное. Теоретическое исследование требует построение сложных математических моделей, и как следствие, существенных вычислительных ресурсов. Кроме того, необходимо проверять построенные математические модели на практике, ибо только она является критерием истины. Таким образом, проводить экспериментальные исследования необходимо. Также, при проведении экспериментов возникает ряд трудностей связанных как с высокой стоимостью экспериментов, так и со сложностью решения технических задач [3-6].

В работе [7] изложена достаточно простая методика измерения помех в электрических цепях БА

КА. Внутри специального макета, имитирующего корпус БА, устанавливаются антенны в форме электрических цепей (см. рис.1). Антенны подключаются к контрольно-измерительной аппаратуре (КИА) при помощи коаксиального кабеля. Специализированным испытательным оборудованием имитируется воздействие ЭСР на макет БА.

Одним из существенных недостатков этой методики является влияние КИА на результаты измерения. КИА вносит сопротивление в цепь, в которой производится измерение напряжения. Для исключения этого эффекта можно применить математическую обработку результатов измерения или пойти на усложнение и удорожание эксперимента, применив вместо коаксиальной - оптическую линию передач. Настоящая статья посвящена первому способу, как наиболее доступному и дешёвому.

Рассмотрим эквивалентную электрическую схему экспериментальной установки. Любую антенну можно представить, как источник ЭДС Е с некоторым

комплексным

(см.

рис. 1)

Е„

и

Ъ„ искомые величины. Кабель можно

^ а

представить в виде эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами [8]: погонной индуктивности проводов погонного активного сопротивления К±, погонной ёмкости между проводами С1 и погонной проводимости потерь в изоляции

Рисунок 1 - Эквивалентная электрическая схема измерительной установки

Запишем уравнение, описывающее эквивалентную схему, представленную на рис. 1.

N

где 17..

К = (1 + + ¿/ОГО + ,

11=2

. еых - напряжение на вы::оде кабеля и в::оде РСИА, то есть измеренное напряжение, а сО'Пр'О'Тив-ление Z1 и пр'О'ВО'ДимО'Сть можни найти ПС' формулам:

2Х= )т1Л+Кх

Г, = ]'аС1 + 12 = УС[ + +

¥п=]тС1+С1 +

1

2г1+1/72 1

27 х +1/1'з 1

Поменяем входное сопротивление КИА. В некоторых осциллографах, например, имеется возможность подключения нагрузки с сопротивлением 50 Ом. Изменённое сопротивление изоляции обозначим как ^'киа г а напряжение на выходе кабеля и'вых . Запишем новое уравнение, описывающее эквивалентную схему, представленную на рис. 1 совместно с (1) и получим систему

N

К =^„

г;=)(оСх +-

1

22, +1/Г„+1

= ЗтС\ +с1

1

г; = }шСх + ¥' = ]тС1+С1 +

2г1+1/72' 1

2г1+1/1'з 1

22, +1/С

внутреннем сопротивлением /

а

Решим систему уравнений

относительно

Е„

2а . Для комплексного внутреннего сопротивления антенны получим

Ян, непосредственно подключенную к выходу антенны, как показано на рис. 2. Цепь из Еа , 2а и В.н можно представить как источник ЭДС Е'а , с некоторым комплексным внутренним сопротивлением 2' . Е' и Ъ' можно найти по формулам:

^ГР+- +2г1}»)

_п=1_п=1_

N N

ивы/,па+2^„у- клт+

Е[, =ЕП

г:

Еа находим из (1) .

Если в КИА нет приведённой выше функции, то можно использовать внешнюю нагрузку или нагрузку

Учитывая, что

не изменяется

7' = 7 .

Рисунок 2

Учитывая выражения с (7) по (9) можно записать

N

Полученные значения Еа , Xа

можно использо-

и=2

N

,

72=2

Из (10) найдём

{имх-и'вых)¥1-и'мха+2г1¥1)/кв

-'а ' а

вать для расчётов помех на входе реальных устройств подключенных к антенне. Если эти устройства нелинейные, то следует перейти от спектрального метода к расчётам во временной области. Расчёт во временной или спектральной области будет достаточно непростым и исключительно численным. Об этом говорит сложная форма напряжения на выходе кабеля (см. рис.3). Он потребует вычислительных ресурсов, хотя и не очень больших. Достаточно будет персонального компьютера. Таким образом, можно получить уровень помехи в реальных цепях БА КА сравнительно простым способом, не используя чрезвычайно дорогостоящее оборудование.

Рисунок 3 - Осциллограмма помехи на выходе кабеля

Еа находим из (1

ЛИТЕРАТУРА

1. Зайцев С.Ю., Коношенко В.П., Макаров А.В., Соколов В.Г., Верхотуров В.И., Графодатский О.С., Севастьянов Н.Н., Новиков Л.С., Бабкин Г.В. Методы обеспечения стойкости отечественных телекоммуникационных космических аппаратов нового поколения в негерметичном исполнении (типа «Ямал») к факторам электризации // Космонавтика и ракетостроение. Научно-технический журнал ЦНИИМАШ. - 2003.

- №1(30). - С. 36-42.

2. Соколов А.Б. Обеспечение стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов. Диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук. -Москва: МИЭМ, 2009. - 236 с. ил.

3. Костин А.В., Пиганов М.Н. Влияние перегородок внутри электромагнитных экранов на эффективность экранирования бортовой аппаратуры космических аппаратов от электромагнитного поля, вызванного электростатическим разрядом //Сборник научных трудов Sworld. - Одесса: Куприенко С В. 2014. Вып.1. Т.9.

- С.66-72.

4. Костин А.В., Пиганов М.Н. Расчет помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электростатическими разрядами // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т.14,

№4(5). - С.1376-1379.

5. Костин А.В., Пиганов М.Н. Рекомендации по проведению испытаний бортовой аппаратуры космических аппаратов на устойчивость к факторам электростатического разряда // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2012». - Выпуск 2. Том 5. - Одесса: КУПРИЕНКО , 2012. - С.74-78.

6. Костин А.В., Пиганов М.Н. Методика измерение помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электромагнитным полем электростатического разряда// Известия Самарского научного центра РАН.2015. Т.17, №2 (4). - С. 804-809.

7. Костин А.В. Экспериментальное исследование защитных свойств корпусов бортовой аппаратуры космических аппаратов от электромагнитного поля, вызванного электростатическим разрядом // Технологии электромагнитной совместимости, 2015.- №2(53). - С. 47-52.

8. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. Часть I, Антенны. М., Советское радио, 1969. - 432 с. ил.

УДК 004.93

Садыков С.С., Кульков Я.Ю,

Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», Муром, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАСПОЗНАВАНИЯ ПЛОСКИХ ОБЪЕКТОВ, ИСПОЛЬЗУЯ БЕЗРАЗМЕРНЫЕ ПРИЗНАКИ ВЫПУКЛЫХ ОБОЛОЧЕК ИХ ДВУХГРАДАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

В статье приведены результаты экспериментального исследования по распознаванию отдельных плоских объектов с использованием безразмерных признаков, вычисляемых по выпуклым оболочкам, построенным по их двухградационным изображениям. Для проведения исследования были использованы изображения плоских объектов и деталей. Приведено описание процесса генерации тестовой выборки для каждого объекта. На основе первичных коэффициентов, полученных по выпуклой оболочке, формируется вектор признаков. Создается набор эталонов для каждой группы изображений реальных плоских объектов.

Следующим шагом является этап обучения системы. Среди сформированных векторов признаков отдельно для каждого класса исходного изображения с использованием среднеквадратичного отклонения отбирается набор эталонов. Формируется база эталонных векторов. Распознавание класса неизвестного объекта заключается в получении его выпуклой оболочки, вычислении первичных параметров и формировании вектора безразмерных признаков. Далее вычисляются среднеквадратичные отклонения его вектора безразмерных признаков от всех эталонных. Минимальное значение отклонения будет указывать на вероятную принадлежность к соответствующему классу

Приведены результаты распознавания, а также число эталонов для каждого исходного изображения, обеспечивающее полное распознавания всей сгенерированной выборки Ключевые слова:

изображение, распознавание, безразмерный коэффициент, признак, плоский объект, выпуклая оболочка

Введение

Одним из путей повышения эффективности производства является автоматизация технологического процесса, в том числе с помощью роботизированных комплексов.

Кроме технологического оборудования, в состав подобных комплексов, входят системы технического зрения (СТЗ), предназначенные для получения информации об изделиях. При разработке алгоритмов обработки данных для СТЗ, например, сортировка деталей формулируется как задача распознавания образов, регистрируемых аппаратными средствами СТЗ, путем обработки и анализа изображений этих деталей и изделий [1-4].

Для выполнения операции сортировки деталей на конвейере возможно достаточно использовать в СТЗ алгоритм распознавания на основе анализа контуров — границ, изображений объектов [5-7].

Применение единственного признака для распознавания плоских деталей и изделий создает значительные трудности при выборе эталонов и настройке видео датчика, поскольку кривизна дискретной кривой не является инвариантной изменению масштаба объектов в поле зрения системы [14, 8-9]

Целью данной статьи является экспериментальное исследование алгоритма распознавания отдельных реальных плоских объектов (ОРПО) с использованием безразмерных признаков. Способ форми-

рования признаков, получаемых по выпуклым оболочкам бинарных изображений этих объектов, описан в [7].

Технология проведения эксперимента.

Распознаванию подлежат детали, располагающиеся на ленте транспортёра и имеют произвольные ориентации. Фон, на котором регистрируются изображения деталей, можно считать равномерным, а условия освещения - безтеневыми.

Технология распознавания состоит из двух этапов - обучения и распознавания.

Этап обучения по тестовым объектам включает следующую основную последовательность процедур:

1) получение контура бинарного изображения объекта;

2) построение выпуклой оболочки этого изображения;

3) вычисление безразмерных признаков;

4) формирование эталонных векторов признаков объектов.

При анализе изображений реальных объектов к вышеперечисленным процедурам добавляется предварительная обработка, связанная с подавлением помех на полутоновых изображениях, устранение фона и их бинаризация.

Этап распознавания состоит в вычислении расстояния между вектором признаков неизвестного входного объекта и множеством эталонных векторов признаков. Номер эталонного вектора, давшего минимальное расстояние будет указывать на класс,