НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
«Исследование функциональных возможностей приемника навигационных
сигналов, созданного на основе отечественной электронной компонентной
базы, в условиях воздействия факторов околоземного космического
пространства»
(шифр «Призма-ПНС»)
2014
2
Содержание
Список сокращений
3
1. Сущность исследований ………………………………………………………..5
2. Краткая история и состояние вопроса в настоящее время ………………...…6
3. Обоснование необходимости проведения космического эксперимента в
условиях космического пространства …………………………………………7
4. Описание космического эксперимента………………………………………...8
4.1. Выбор объектов и средств испытаний ………………………………..8
4.2. Содержание и этапы работ……………………………………………10
5. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными
отечественными и зарубежными исследованиями…………………………..12
6. Ожидаемые результаты и их предполагаемое
использование………………………………………………………………….13
7. Обоснование технической возможности создания экспериментального
оборудования с заданными характеристиками ……………………………..14
3
Список сокращений
БВС
– бортовая вычислительная сеть
БДИИ
– блок датчиков ионизирующих излучений
БИС
– большая интегральная схема
БКУ
– бортовой комплекс управления
БМК
– базовый матричный кристалл
БСК
– бортовой специальный комплекс
ВВФ
– внешние воздействующие факторы
ВОИС
– Всемирная организация интеллектуальной
собственности
ГКЛ
– галактические космические лучи
ГНСС
– глобальная навигационная спутниковая система
ЕАПО
– Евразийская патентная организация
ЕРПЗ
– естественные радиационные пояса Земли
ИИ
– ионизирующее излучение
ЗАО «КБ
НАВИС»
– закрытое акционерное общество
бюро навигационных систем»
ИУ
– имитирующая установка
КА
– космический аппарат
КНИ
– кремний на изоляторе
КНС
– кремний на сапфире
КП
– космическое пространство
КЭ
_ космический эксперимент
МПВ
_ модуль приемно-вычислительный
МПК
– международная патентная классификация
МУ
– моделирующая установка
НА
– научная аппаратура
НКА
– навигационные космические аппараты
НОО
– низкие околоземные орбиты
НИИЯФ МГУ
– Научно-исследовательский институт ядерной физики
имени Д.В.Скобельцына Московского Государственного
университета имени М.В.Ломоносова
«Конструкторское
4
ОКР
– опытно-конструкторские работы
ОС
– одиночное событие
ПКЭ
– прикладной космический эксперимент
ПНС
– приемник навигационных сигналов
РД
– радиационные дефекты
РС МКС
– Российский
станции
РЭ
– радиационные эффекты
СБИС
– сверхбольшая интегральная схема
СнК
– система на кристалле
РКТ
– ракетно-космическая техника
РЭА
– радиоэлектронная аппаратура
САС
– срок активного существования
СКЛ
– солнечные космические лучи
СРНС
– спутниковая радионавигационная система
ТЗЧ
– тяжелая заряженная частица
ЭКБ
– электронная компонентная база;
сегмент
Международной
космической
5
1. Сущность исследований
Создание и отработка космической техники, основанной на
отечественной электронной компонентной базе (ЭКБ), является одной из
ключевых национальных целей Российской космонавтики. Исследования
направлены на решение проблемы увеличения сроков активного
функционирования
радиоэлектронной
аппаратуры
отечественных
космических аппаратов (КА) до 10-15 лет в условиях влияния внешних
воздействующих
факторов
(ВВФ)
космического
пространства.
Подтверждением решения этой задачи, в конечном счете, будут являться
результаты работы образцов аппаратуры в реальных условиях космического
полета.
Предлагаемые экспериментальные исследования позволят:
- подтвердить заявленные технические характеристики в реальных
условиях функционирования;
- получить данные по отказам элементов электронной компонентной
базы, исследовать и классифицировать их причины;
- совершенствовать методический аппарат проведения испытаний
элементов ЭКБ, функционирующих в условиях внешних воздействующих
факторов космического пространства (КП);
- уточнить модели воздействия ВВФ КП на ЭКБ на низких
околоземных орбитах (НОО);
- создать постоянно действующий пост мониторинга ВВФ КП и
проверки стойкости ЭКБ, а также функциональных узлов радиоэлектронной
аппаратуры (РЭА);
- уточнить перечень стойкой ЭКБ;
- уточнить требования к наземной испытательной базе;
- определить возможность получения данных о состоянии и параметрах
верхних слоёв атмосферы и ионосферы;
- разработать предложения конструктивного и схемотехнического
характера, направленные на снижение степени деградации параметров
бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов вследствие
воздействия ВВФ.
6
2. Краткая история и состояние вопроса в настоящее время
В США и странах Евросоюза давно предпринимаются практические
шаги по реализации подхода, состоящего в разработке, производстве и
применении специальной радиационно-стойкой РЭА. Кроме того, в
настоящее время по заказу Европейского космического агентства проводятся
работы по созданию новой серии радиационно-стойких электронных
компонентов под названием Walopack для использования в бортовых
системах КА Galileo. Корпуса изделий Walopack обеспечивают стойкость к
поглощенной дозе радиации 200 крад.
По заказу NASA в США разрабатывается перспективная система NMP
ST8
DM
(Dependable
Multiprocessor) − высокопроизводительная
отказоустойчивая кластерная бортовая вычислительная система (БВС),
предназначенная для эксплуатации в условиях открытого космоса. Ее
отличительными особенностями являются:
 низкое энергопотребление при высоком быстродействии (более 300
млн. операций в секунду/Вт);
 построение на элементной базе «коммерческого» класса исполнения
(COTS) ;
 высокая надежность (вероятность безотказной работы не менее 0,995 в
течение всего срока эксплуатации).
Современные условия развития ЭКБ характеризуются постоянным
увеличением степени интеграции, миниатюризации и существенным
расширением функционала РЭА.
Аналогичные работы ведутся и в Российской Федерации.
Разрабатываемые в России технологии «кремний на сапфире» (КНС),
«кремний на изоляторе» (КНИ) и «системы на кристалле» (СнК) позволяют
повысить уровень радиационной стойкости интегральных микросхем (ИМС).
Например, создан радиационно-стойкий процессор 1874ВЕ05Т (технология
КНИ 0.5мкм), а для космического применения – базовые матричные
кристаллы (БМК) серий 5503(5507) и 5508(5509). БМК серии 5509
реализованы по технологии КНИ и обладают стойкостью к поглощённой
дозе >106 рад.
Задача создания импортозамещающих технологий ставится на
правительственном уровне, как стратегическая.
Однако следует отметить, что в настоящее время в Российской
Федерации производится ограниченный набор элементов ЭКБ в
радиационно-стойком исполнении. Их номенклатура не удовлетворяет
7
современным требованиям по оснащению бортовых комплексов управления
(БКУ) и бортовых специальных комплексов (БСК) КА. Поэтому, при
разработке бортовой аппаратуры отечественных КА вынужденно применяют
так называемую «индустриальную», т.е. коммерческую элементную базу
общего назначения, что значительно снижает общий уровень радиационной
стойкости аппаратуры отечественных КА.
В сложившейся ситуации важность и актуальность предлагаемых
исследований не вызывает сомнений.
3. Обоснование необходимости проведения космического
эксперимента в условиях космического пространства
Осуществить моделирование ВВФ космического пространства на
аппаратуру КА в наземных условиях с достаточной точностью не
представляется возможным в силу конструктивных ограничений образцов
ракетно-космической техники, конструктивных и функциональных
ограничений образцов наземной испытательной базы, недостаточной
точности существующих моделей ВВФ космического пространства, а также
вследствие высокой сложности процесса испытаний в земных условиях.
Поэтому с целью получения достоверной информации о радиационной
стойкости ЭКБ, уточнения моделей воздействия ВВФ, оценке надежности
РЭА в реальных условиях воздействия ВВФ, а также для разработки
предложений по увеличению технического ресурса РЭА необходимо
проведение плановых натурных экспериментов, реализуемых по единым
методикам в типовых условиях.
Несмотря на относительно невысокие уровни воздействия факторов
космического пространства на НОО, исследования работоспособности ЭКБ и
РЭА в данных условиях остаются актуальными. Это обусловлено фактами
отказов бортовой аппаратуры низкоорбитальных КА. В частности, имели
место отказы КА «Персона», КА «Университетский - Татьяна», англоголландского телескопа с теневой маской (ТТМ) на модуле «Квант» ОС
МИР, франко-бельгийского атмосферного спектрометра «Мiras» на модуле
«Спектр» ОС МИР, компьютеров на борту МКС. Таким образом, вполне
реальна опасность для бортовой аппаратуры потоков тяжелых заряженных
частиц, электризации, температурных факторов и др. Проведение
космических экспериментов по исследованию функциональности,
надежности, стойкости и отказоустойчивости перспективной ЭКБ на
низкоорбитальных КА и, особенно на МКС, в силу дополнительной
8
возможности возвращения на Землю испытываемых объектов, является
вполне оправданным и целесообразным. Применение для миниатюризации
КА зарубежной элементной базы также требует ее летной сертификации. Это
подтверждается публикациями отечественных и зарубежных специалистов в
данной предметной области.
4. Описание космического эксперимента
4.1.
Выбор объектов и средств испытаний
Научная аппаратура (НА) исследования радиационной стойкости и
функциональных возможностей перспективной ЭКБ в условиях воздействия
факторов околоземного космического пространства предназначена для
регистрации степени деградации ЭКБ в процессе летной эксплуатации. Она
включает объекты испытаний, датчики оценивания уровня ВВФ, сервисный
блок для управления процессом испытаний, фиксации и передачи
результатов в штатный канал телеметрии.
Выбор объектов испытаний проводился, исходя из следующих
положений. Это должно быть перспективное устройство по своим
техническим характеристикам, желательно двойного назначения и широкого
применения. Кроме того, оно должно позволять проводить тестирование как
качества выполнения своей целевой (основной) функции, так и проверять
работоспособность составных компонентов устройства. На основе
сравнительного анализа ряда микроконтроллерных систем различного
назначения, включающих запоминающие устройства, микропроцессоры,
программируемые логические интегральные схемы, интерфейсные схемы,
базовые матричные кристаллы и другую ЭКБ в качестве объекта
экспериментальных исследований выбраны разработки ЗАО «КБ НАВИС» с
использованием ЭКБ высокой степени интеграции отечественного
производства.
ЗАО «КБ НАВИС» выполнило перспективную разработку модулей
приемно-вычислительных (МПВ) для навигационных определений в космосе
с использованием сигналов ГНСС на основе ЭКБ собственной разработки.
Предполагается использование этих МПВ в составе штатных средств
навигации РС МКС и других КА. ЗАО «КБ НАВИС» также на базе
указанных МПВ создает приемник навигационных сигналов (ПНС), который
предназначен для летной отработки. Основные характеристики ПНС
приведены в табл.1.
9
Таблица 1 Основные характеристики приемника навигационных сигналов
Наименование параметра
Значение
параметра
Количество каналов приема радиосигналов глобальных навигационных
спутниковых систем в каждом из 3-х приемников из состава ПНС.
не менее 64
Распределение каналов приема радиосигналов
Программно устанавливаемая частота
определяемых навигационных параметров
в автоматическом
режиме
выдачи
измеряемых
и
1, 10, 50 Гц
(по умолчанию 1 Гц)
Предельные (по уровню вероятности 0,95) погрешности
определения навигационных параметров ПНС при использовании
сигналов ГНСС ГЛОНАСС/GPS в диапазонах L1 и L2 при значениях
пространственного геометрического фактора РDОР не более 3:
плановых координат
высоты
составляющих вектора скорости
не более 7 м
не более 10 м
не более 0,15 м/с
Предельная (по уровню вероятности 0,95)
погрешность фазовых измерений псевдодальностей
аппаратурная
не более 0,005 м
Предельная (по уровню вероятности 0,95)
погрешность кодовых измерений псевдодальностей
аппаратурная
не более 0,3 м
Системы определения координат и составляющих вектора
скорости (алгоритмы и параметры перехода между системами
координат согласно ГОСТ Р 51794)
Время получения первого отсчета текущих координат,
составляющих модуля и вектора скорости при работе по сигналам
ГНСС ГЛОНАСС/GPS при "холодном" старте
Интерфейс
потребителей
обмена
информацией
ПНС
с
системами
WGS-84, СК-42, СК-95,
ПЗ-90.02
не более 90 с
RS-422/RS-485
Представленные в таблице характеристики находятся на уровне
лучших мировых образцов аппаратуры аналогичного применения.
Разработка выполнена на основе перспективной специализированной
ЭКБ, созданной в рамках опытно-конструкторских работ (ОКР) «Топология
А», «Топология С».
Принятые системотехнические и схемные решения предусматривают:
- меры самодиагностики аппаратуры;
- самовосстановление работоспособности после радиационного
воздействия;
10
- возможности, помимо навигационной, получить информацию о
явлениях и объектах, находящихся на пути распространения сигнала от
космических аппаратов КА ГНСС.
ПНС выполнен в виде конструктива, пригодного для установки на
внешней поверхности различных КА, и фактически является прототипом
ПНС широкого космического применения.
Проведение КЭ позволит получить данные для сертификации как ЭКБ,
так и конкретного прибора ПНС.
Таким образом, выбор прибора ПНС ТДЦК.461513.129, работающего в
условиях реального космического полёта, в связке с реальными источниками
навигационных сигналов КА ГНСС, в качестве объекта исследований,
позволяет решить следующие задачи.
1.
Всесторонне
исследовать
и
подтвердить
основные
характеристики ПНС, созданного на базе перспективных отечественных
разработок ЭКБ, как ключевого звена бортовых навигационных систем.
2.
Получить данные для сертификации как ЭКБ, так и конкретного
прибора ПНС.
3.
Исследовать возможности получения данных о состоянии сред, в
которых происходит распространение сигналов КА ГНСС.
4.
Получить данные по первичным параметрам воздействующих
космических излучений и степени их влияния на характеристики ЭКБ.
Оценивание интенсивности воздействия факторов космического
пространства на бортовую радиоэлектронную аппаратуру производится
посредством датчиковой аппаратуры (температуры, ионизирующих
излучений и др.). Для повышения точности оценок влияния внешних
воздействий на работоспособность испытываемых микросхем датчики
должны располагаться максимально близко к объектам испытаний. Кроме
того, предусматривается оценка интенсивности воздействия внешних
факторов расчетными методами посредством сертифицированных
программных комплексов соответствующего назначения. При этом могут
использоваться данные, имеющихся на борту РС МКС приборов
радиационного контроля, установленных внутри гермоотсеков РС МКС.
Диапазон и энергетические интервалы измерения для ионизирующих частиц:
электроны - 0,15-10,0 МэВ; протоны - 1,8-160 МэВ. Для регистрации этих
воздействий, а также тяжелых заряженных частиц могут быть использованы
разработки НИИЯФ МГУ, в том числе спектрометр энергичной радиации.
11
Содержание и этапы работ
Проверка
на
работоспособность
микросхем
осуществляется
посредством их функционального и тестового контроля по алгоритмам,
заложенным в память навигационного процессора из состава ПНС.
Микросхемы испытываются на долговечность и безотказность работы в
течение заданного интервала времени в соответствии с техническими
условиями и согласованными методиками испытаний.
По командам с Земли реализуется циклограмма включения и
отключение различных режимов, а также включение аппаратуры в режим
измерения сопутствующих параметров, характеризующих параметры
внешнего воздействия.
При проведении сеансов КЭ регистрации подлежит следующая
информация:
− время включения и выключения НА;
− параметры электропитания НА (потребляемый ток, значения
напряжения питания);
− накопленная доза ионизирующего излучения, информация о
воздействиях на НА высокоэнергетичных протонов и тяжелых заряженных
частиц, их спектральные энергетические характеристики с привязкой ко
времени;
− рабочая температура НА;
− освещенность НА;
− результаты измерения текущих навигационных параметров во всех
частотных диапазонах ПНС;
− навигационно-временная и служебная информация ПНС;
− результаты навигационно-временных определений ПНС;
− результаты контроля технического состояния и диагностирования
НА;
− параметры ухода генератора импульсов ПНС.
Посредством анализа переданных значений параметров определяется
работоспособность и функциональные характеристики испытываемых
приборов и уровни внешних воздействий.
КЭ проводится в два этапа.
На первом этапе предполагается использовать непосредственно ПНС,
разработанный ЗАО «КБ НАВИС».
Для оценки точностных характеристик ПНС привлекаются данные,
получаемые от штатной системы управления движением и навигацией.
12
На втором этапе по результатам, полученным на первом этапе,
предполагается
расширить
программу
КЭ
с
использованием
дополнительного оборудования (блока датчиков ионизирующих излучений
(БДИИ)) в целях получения характеристик ионизирующего излучения.
Для КЭ второго этапа предполагается дополнить состав аппаратуры
радиационного контроля приборами разработки НИИЯФ МГУ. По
окончании КЭ для более глубокого анализа состояния ЭКБ может быть
принято решение о возврате ПНС на Землю.
5. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с
аналогичными
отечественными
и
зарубежными
исследованиями
Предлагаемые экспериментальные исследования предполагают
использование накопленного научно-технического задела в области создания
РЭА космического назначения в сочетании с использованием последних
технологических достижений в области разработки современной ЭКБ для
совершенствования
существующих
и
разработки
перспективных
отечественных образцов РКТ.
Новизна ПКЭ определяется:
- испытаниями вновь разработанных образцов отечественной ЭКБ в
условиях реальных воздействий ВВФ, характерных для НОО, а также
возможностью их возврата на Землю для последующего углубленного
исследования;
- получением данных прямых измерений параметров воздействующих
ионизирующих излучений с использованием блока датчиков ионизирующих
излучений (на 2 этапе КЭ);
- возможностью использования полученных в ходе КЭ данных для
оценки надежности функционирования образцов ЭКБ в условиях реального
космического пространства и выработки рекомендаций о направлениях их
совершенствования и целесообразности использования при разработке
перспективных образцов космической техники;
- возможностью использования полученных в ходе КЭ данных для
уточнения моделей ВВФ, верхней атмосферы и ионосферы.
- возможностью получения информации о состоянии сред, в которых
распространяются сигналы СРНС, и ее использования в интересах решения
научных и прикладных задач.
13
6. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
Проводимые экспериментальные исследования в рамках ПКЭ
позволят:
подтвердить заявленные технические характеристики ПНС в реальных
условиях функционирования;
получить данные по сбоям и отказам элементов электронной
компонентной базы, исследовать и классифицировать их причины;
провести сравнительную оценку расчетной и реальной стойкости ЭКБ
к ВВФ космического пространства;
отработать алгоритмы и программное обеспечение решения
навигационно-баллистических задач с использованием сигналов Глобальных
навигационных
спутниковых
систем
в
реальных
условиях
функционирования;
уточнить модели внешних воздействующих факторов (ВВФ) для
низких орбит;
выявить проблемные узлы ЭКБ и разработать предложения
конструктивного, схемно-технического характера, направленные на
снижение влияния ВВФ на функционирование радиоэлектронной
аппаратуры;
исследовать возможность получения данных о состоянии и параметрах
верхних слоёв атмосферы и ионосферы с использованием навигационных
сигналов ГНСС.
В конечном счете, КЭ направлен на решение задачи увеличения срока
активного существования (САС) отечественных КА, а также расширение
областей применения приёмников навигационных сигналов спутниковой
радионавигационной системы (СРНС). При этом рассматривается
возможность обеспечения исправного функционирования бортовой
радиоэлектронной аппаратуры в условиях разгерметизации или за пределами
приборного отсека КА, при реализации негерметичной схемы построения
платформы.
14
7. Обоснование технической возможности создания
экспериментального оборудования с заданными
характеристиками
В разделе 4 обоснован выбор в качестве объекта испытаний НА
исследования радиационной стойкости и функциональных возможностей
перспективной ЭКБ в условиях воздействия факторов околоземного
космического пространства, реализованной в ПНС, уже изготавливаемого
ЗАО «КБ НАВИС».
В дальнейшем предполагается дополнить состав аппаратуры,
используемой в предлагаемом КЭ, приборами для измерения следующих
параметров:
а) поглощенной дозы (мощности дозы) в диапазоне от 10 до 10000
рад при следующих условиях:
 поток протонов с энергией от 1,8 до 160 МэВ;
 поток электронов с энергией от 0,15 до 10 МэВ;
б) спектральных характеристик ТЗЧ и высокоэнергетичных
протонов при следующих условиях:
 ТЗЧ с линейными потерями энергии до 80 МэВ/(мг/см2);
 протонов с энергиями до 160 МэВ.
Такие приборы могут быть созданы на основе обширного задела,
имеющегося в НИИЯФ МГУ. Уже проведённые в этом направлении
проработки подтверждают техническую возможность создания указанного
оборудования. Его использование позволит существенно повысить научную
значимость полученных результатов.
Используемый в КЭ комплекс указанных средств будет также иметь
самостоятельное значение для уточнения радиационной обстановки вокруг
МКС и вообще на низких околоземных орбитах. Особое значение этот
фактор будет иметь для радиационной безопасности экипажей,
выполняющих работы в режиме ВКД.