УДАЛЕННАЯ СИСТЕМА СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДЛЯ БОРТОВОЙ РЕГИСТРИРУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 2013 года по МПК G06F17/40 H04B7/185 

Изобретение относится к области дистанционного управления бортовой регистрирующей аппаратурой (БРА) космических аппаратов (КА). Предлагаемая система позволяет обрабатывать и передавать зарегистрированные данные от различных регистрирующих систем, установленных вне гермообъема (ГО) на борту космического аппарата (КА).

Наиболее близким техническим решением является патент России №2271034 С1, в котором раскрыта бортовая автономная система для проведения непрерывного анализа и регистрации информации. Система содержит устройства сбора и обработки информации, передатчик, приемник, декодер, блок выработки решений, введены наборы датчиков, преобразователей, фильтров и усилителей, источник питания, преобразователь источника питания, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок входных данных, блок управления, ноутбук, таймер, запоминающее устройство, первый, второй и третий задатчики уровня, блок анализа информации порогового уровня, первый, второй и третий оперативные запоминающие устройства, блок выделения максимальных амплитуд, блок выделения экстремумов, счетчик количества циклов, блок формирования команды предельного уровня, блок выходных данных, регистратор, передатчик, канал связи и приемник с декодером.

Основные недостатки данной системы состоят в том, что такая система позволяет работать только с определенными регистрирующими устройствами, управляемыми определенными командами с жесткими уровнями приоритетов, и не позволяет их изменять в процессе проведения эксперимента. Однако, на практике, в реальном эксперименте приходится вводить коррективы (изменения) как в составе регистрирующего блока, так и в составе программного блока системы сбора и обработки.

Предлагаемая система направлена на устранение указанных выше недостатков.

Задачи, решаемые с помощью предлагаемой системы: создание унифицированной системы сбора и обработки данных (ССОД), используемой для бортовой регистрирующей аппаратуры (БРА), к которой возможно подключать различные детекторы. Благодаря унифицированной ССОД, появляется возможность не менять полностью БРА, например, при устаревании или выходе из строя узлов или блока детекторов БРА, а менять (подключать) только сами детекторы на более чувствительные или регистрирующие иные параметры (для другого научного исследования). Данная операция на PC MKC может выполняться дежурной группой инженеров-астронавтов.

Технический результат - уменьшение затрат при производстве и эксплуатации БРА, уменьшение энергопотребления, повышение эффективности и надежности дорогостоящего эксперимента.

Технический результат достигается тем, что удаленная система сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры включает:

- блок функциональной группы буферных магистральных усилителей (ФГБМУ) содержащий, по меньшей мере, два входных интерфейса для подключения, по меньшей мере, одной внешней системы регистрации данных (СРД);

- программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) на которую поступает информация от ФГБМУ, по меньшей мере, двум интерфейсам, при этом ПЛИС связана с СРД;

- первый кварцевый генератор, связанный с ПЛИС;

- второй кварцевый генератор, связанный с ПЛИС;

- функциональную группу коммутации (ФГК) имеющую интерфейс для связи с системой калибровки каналов измерения (СККИ) бортовой регистрирующей аппаратуры,

- накопительное запоминающее устройство (ПЗУ), связанное двунаправленным интерфейсом с ПЛИС;

- штатный узел командно-информационного интерфейса (УКИИ) связанный двунаправленным интерфейсом с ПЛИС;

- технологический узел командно-информационного интерфейса (УКИИ) связанный двунаправленным интерфейсом с ПЛИС;

- систему локальных термодатчиков (СЛТД), связанную двунаправленным интерфейсом с ПЛИС;

- функциональная группа модулей питания (ФГМП) осуществляющая питание каждого вышеуказанного блока,

при этом штатный и технологический УКИИ имеют выходной интерфейс для подключения скоростного канала передачи информации (КПИ) и входной интерфейс для подключения служебного канала управления.

Первый входной интерфейс блока ФГБМУ получает информацию от СРД по логическому каналу измерений, а второй - от амплитудного канала измерений.

Предпочтительно входные интерфейсы УКИИ выполнять в виде MIL 1553 или SpaceWire или USB или RS422/485 или CAN или иных необходимых интерфейсов, а выходные интерфейсы УКИИ в виде - MIL1553, или RS422/485, или CAN (со скоростями порядка 1 Мбит/с), или в виде высокоскоростных (более 10 Мбит/с) - LVDS, LAN, SpaceWire.

Также возможно выполнять выходной интерфейс штатного и технологического УКИИ в виде двунаправленного интерфейса RS422.

ПЛИС, как правило, содержит: процессор, программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) и контроллер ввода-вывода (КВВ).

Предпочтительно чтобы ПЗУ представляло собой статическую оперативную память (SRAM) или синхронную динамическую оперативную память (SDRAM).

Также необходимо, чтобы все элементы системы сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры имели металлокерамические или стеклокерамические корпуса и были выбраны из элементов стойких к ионизирующему излучению.

Предлагаемая система поясняется следующими фиг.1 и 2.

Функциональная схема типичной удаленной системы сбора и обработки данных (ССОД), входящей в состав бортовой регистрирующей аппаратуры (БРА) представлена на фиг.1.

Удаленная ССОД является необходимым узлом распределенной системы сбора и обработки данных (ССОД), которая, дополнительно включает комплекс бортовой регистрирующей аппаратуры (БРА-1,…, БРА-N) и блок управления и обработки данных (БУОД) космического аппарата (КА) и которая способна наиболее эффективно (с минимальным энергопотреблением, максимальной надежностью, минимальными финансовыми затратами на закупку дорогостоящей элементной базы), а также, дополнительно экономя ресурсы телеметрии КА, обеспечить работу БРА в жестких условиях эксплуатации (при ее размещении на внешней поверхности КА в условиях вакуума).

Для каждой БРА из вышеуказанного комплекса должна быть своя, обязательно встроенная в эту БРА специализированная, программируемая (т.е., работающая по зашитому в нее алгоритму) ССОД.

Функционально БРА, как правило, состоит из следующих составных частей:

- одного или нескольких детекторов - детекторной системы (ДС);

- системы регистрации данных (СРД) с выходов ДС;

- системы калибровки каналов измерений (СККИ);

- блока коммутаций и управления (БКУ);

- системы электропитания (СЭП);

- системы сбора и обработки данных (ССОД).

ДС предназначена для проведения целевых научных измерений. СРД предназначена для:

- проведения съема аналоговых сигналов с детекторов ДС, обеспечения их необходимого усиления;

- проведения первичной обработки исходных сигналов с детекторов ДС, включающей в себя предварительную фильтрацию тех сигналов с детекторов, которые, не несут полезной физической информации;

- формирования логических и амплитудных каналов измерений (ЛКИ и АКИ соответственно).

СРД также может включать матрицу совпадений-антисовпадений для быстрого отбора полезных событий с детекторов и выработки мастерного сигнала, разрешающего дальнейшую регистрацию (запись) полезного события в НЗУ.

БКУ предназначен для:

- управления БРА по дискретным релейным командам управления (РКУ), подаваемым системой управления бортовой аппаратурой (СУБА) КА;

- выдачи в систему бортовых измерений (СБИ) КА информации с телеметрических датчиков: контакт реле (КР), термодатчик (ТД), электронный ключ (ЭК), аналоговый датчик (АД) и контроль стыковки (КС), входящих в БКУ;

- для приема бортового питания по фидеру питания из СУБА и распределения его в СЭП.

СЭП предназначена для преобразования бортового напряжения в набор напряжений необходимых для работы различных систем БРА, защиты цепей от перегрузки и изменения режимов работы БРА по командам с Земли или автоматически в заданный момент времени.

СККИ предназначена для проведения калибровки отдельных каналов измерений БРА во время испытаний и при штатной эксплуатации.

ССОД представляет собой «жесткий» контроллер (работающий по постоянному алгоритму) и состоит из следующих составных частей:

- программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС);

- функциональной группы буферных магистральных усилителей (ФГБМУ);

- функциональной группы кварцевых генераторов (КГ1 и КГ2);

- функциональной группы коммутации (ФГК);

- функциональной группы модулей питания (ФГМП);

- накопительного запоминающего устройства (НЗУ);

- узлов командно-информационного интерфейса (УКИИ);

- системы локальных термодатчиков (СЛТД).

ПЛИС является ядром ССОД. Основными элементами ПЛИС являются: процессор, программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), контроллер ввода-вывода (КВВ). В ССОД можно использовать ПЛИС как однократно прошиваемые, так и многократно прошиваемые, ППЗУ которых выполнено в виде флэш-памяти.

Функциональная группа кварцевых генераторов (КГ1 и КГ2) обеспечивает синхронизацию ПЛИС.

ФГМП предназначена для осуществления сопряжение ССОД с БКУ и представляет собой совокупность буферных аналоговых конверторов напряжения, которые обеспечивают стабилизированные напряжения питания для ПЛИС (1,5 В и 3,3 В) и для других составных частей ССОД (5 В и 3,3 В).

ФГБМУ предназначена для осуществления сопряжения СРД и ПЛИС удаленной ССОД. Сопряжение с СРД обеспечивается через шинный интерфейс (ШИ) - внешнюю магистраль данных (ВшМД), нагруженную на логические буферные магистральные усилители ФГБМУ, связанные внутренней магистралью данных (ВтМД) с ПЛИС.

НЗУ используется для адаптации плотности выходного потока данных (в направлении от удаленной ССОД к БУОД) к плотности входного потока (от СРД БРА к ССОД). НЗУ может быть реализовано как на основе статической оперативной памяти (SRAM), так и на основе синхронной динамической оперативной памяти (SDRAM) при необходимости буферизации больших объемов информации. Весь объем ПЗУ разделен программно на два подбуфера (сектора) для обеспечения возможности независимого приема и выдачи информации, которую осуществляет контроллер ввода-вывода ПЛИС.

УКИИ предназначены:

- для вывода накопленной научной информации (НИ) из НЗУ по скоростному каналу передачи информации (КПИ) в БУОД или контрольно-проверочную аппаратуру (КПА);

- для передачи служебной информации (получения кода бортового времени (КБВ) (не реже 1 раза в сутки) и четырехбайтных командных слов) из БУОД или КПА в ССОД, а также передачи служебной информации (о прохождении команд управления в ССОД) от ССОД в БУОД или КПА по служебному каналу управления (СКУ) через интерфейсы MIL1553, SpaceWire, USB, RS422/485 или CAN или иные необходимые интерфейсы.

Для вывода НИ по скоростному КПИ из ССОД в БУОД или КПА в УКИИ могут быть реализованы такие интерфейсы как MIL1553, RS422/485 или CAN (со скоростями порядка 1 Мбит/с) или высокоскоростные (более 10 Мбит/с) - LVDS, LAN, SpaceWire.

В зависимости от условий проведения эксперимента и величины потока передаваемой из ССОД в БУОД или КПА НИ существует возможность реализации в УКИИ одного двунаправленного интерфейса такого, как, например RS422 со скоростью передачи до 1 Мбит/с, для одновременной реализации каналов связи - СКУ и КПИ.

В ССОД реализовано два канала УККИ:

- штатный канал - для обмена данными между ССОД БРА и БУОД по каналам связи КПИ СКУ;

- технологический канал - для обмена данными между ССОД БРА и КПА при проведении настройки, тестирования и на всех этапах наземной отработки.

СЛТД представляет совокупность локальных термодатчиков, установленных на тепловыделяющих элементах ССОД и передающих информацию в ПЛИС в виде двоичных кодов. Также дополнительно ССОД может принимать и обрабатывать информацию и с других термодатчиков, установленных на тепловыделяющих элементах БРА.

Принципы работы ССОД

На ССОД от СРД через интерфейс, представляющий собой совокупность регистров, входящих в состав СРД, по каналам измерений ЛКИ и АКИ поступают экспериментальные данные. Количество ЛКИ и АКИ у каждой БРА может быть разное.

ССОД на основе поступающих от СРД экспериментальных данных осуществляет следующие действия:

1) ССОД на основе реализованной в нем логической матрицы для логического отбора полезных событий в соответствии с сигналами, информация о которых поступает на входы ССОД по линиям передачи данных в виде фиксированных комбинаций кодов с ЛКИ СРД, вырабатывает триггерные сигналы и стробы для управления АКИ;

2) одновременно с выработкой триггерного управляющего сигнала процессор ССОД инициализирует цикл ввода формата первичных данных с блока регистров СРД через ШИ и осуществляет его перезапись во внутреннее входное буферное ЗУ (на основе блока регистров ПЛИС), рассчитанное на несколько форматов;

3) посредством предварительного анализа и обработки текущего формата первичных данных (определение типа событий, их качественных характеристик), формирует в СРД управляющие сигналы (стробы) для управления каналами измерений с целью предварительного отбора полезной информации из общего потока входных данных;

4) синхронизирует поток входных данных с меткой времени КБВ (запись метки в формат), передаваемой по каналу связи СКУ из БУОД или КПА;

5) форматирует отобранную полезную информацию в блоки (выходные форматы данных) по следующему алгоритму:

- если уровень плотности входного потока данных превышает значение заранее рассчитанного максимально допустимого уровня (определяется пропускной способностью каналов передачи информации в БУОД), то ССОД проводит буферизацию и сжатие данных (сохраняется только основная информация об объектах регистрации);

- в противном случае, проводится форматирование данных в номинальном режиме (выработка стандартных форматов, включающих основные и дополнительные данные без сжатия);

- повышает помехоустойчивость форматов (добавляет контрольные коды);

6) передает цифровые массивы (совокупность блоков с отфильтрованными экспериментальными данными), содержащую НИ и служебную информацию в БУОД или КПА, проводит дополнительную буферизацию - заполнение специального буфера данных в приемопередатчике данных (ППД), если в данный момент БУОД не имеет возможности их принять в полном объеме (получен сигнал «занят» от БУОД);

7) по окончании регистрации текущего события в НЗУ ССОД процессор снимает запрет на обработку нового прерывания от нового события и готов осуществлять новый цикл регистрации.

Надежность ССОД обеспечивается:

- применением радиационно-стойкой элементной базы в исполнении military или space, в керамических или метало стеклянных корпусах, с расширенным рабочим диапазоном температур;

- применением двойного «холодного» резервирования. Сохранность передаваемой ССОД НИ обеспечивается путем применения методов многократного кодирования и дублирования информации.

Пример реализации

Примером реализации удаленной ССОД является ССОД, разработанная для бортового многослойного сцинтилляционного спектрометра (МСС) заряженных частиц (в данном примере - выполняющего роль БРА), входящего вместе с блоком управления режимами спектрометра (БУРС) (в данном примере - выполняющего роль БУОД) в состав научной аппаратуры (НА) «Альфа-Электрон», планируемой к установке на российском сегменте (PC) международной космической станции (МКС) (МСС на его внешней поверхности - вне ГО, БУРС - в ГО, внутри PC МКС). НА «Альфа-Электрон» предназначена для раздельной регистрации потоков высокоэнергичных заряженных частиц (электронов в диапазоне энергий от 3 МэВ до 30 МэВ и протонов в диапазоне энергий от 30 МэВ до 100 МэВ) с плотностью потоков вплоть до 10⁵ см² с^-1 ср^-1 в околоземном космическом пространстве и их кратковременных вариаций - всплесков (продолжительностью от 1 мс и выше), а также для измерения временных профилей и эволюции энергетических спектров частиц во время регистрации всплесков с точностью до 1 мкс.

Роль детекторной системы в БРА в данном случае выполняет многослойный сцинтилляционный детектор (МСД), состоящий из шестнадцати сцинтилляционных детекторов. Выходы с отдельных детекторов МСД связаны со входами СРД (усилители-формирователи сигналов, регистры-«защелки» данных с выходом на ШИ). Для разветвления сформированных сигналов на основной и резервный комплекты ССОД используется усилитель-разветвитель (УР).

В ССОД реализована логическая матрица совпадений-антисовпадений для быстрого логического отбора полезных (удовлетворяющих правилам отбора) событий с детекторов и выработки триггерного (управляющего) сигнала, разрешающего дальнейшую регистрацию (запись) информации о полезном событии, поступающей в ССОД по каналам АКИ и ЛКИ, и далее в НЗУ. На основе таблицы триггерной логики ССОД вырабатывает триггерные сигналы (стробы), поступающие на пиковые детекторы (ПД) и амплитудно-цифровые преобразователи (АЦП) АКИ.

После записи информации о текущем событии в НЗУ, возможна регистрация нового события вплоть до заполнения программно-установленного уровня накопления НЗУ. Функционально НЗУ необходимо для регистрации (буферизации) потоков полезных событий (высокоэнергичных заряженных частиц) всплескового характера, имеющих важную, с точки зрения исследований, физическую природу (например, предвестники землетрясения, предвестники грозовой активности и др.). Объем НЗУ может рассчитываться по критериям, например, исходя из троекратной средней скорости счета событий (критерий всплеска) и времени блокировки ССОД (регистрации события в НЗУ).

При накоплении определенного количества входных форматов полезных событий в НЗУ, процессор ССОД (по запросу с БУОД) инициализирует первичную обработку массивов на предмет анализа качественного содержания научной информации (например, проверки соответствия выборки событий требуемой длительности всплеска, типу заряженных частиц, энергии зарегистрированных частиц и т.п.). В алгоритм первичной обработки входит и сжатие информации (например, гистограммирование спектров или создание файлов-таблиц). Подобный качественный экспресс-анализ позволяет резко снизить (сжать) объем выходной информации, что увеличивает ресурсы системы телеметрии КА. При положительном результате экспресс-анализа выходной массив перезаписывается в НЗУ, откуда и подлежит отправке в БУОД.

Обмен информацией между ССОД и БУОД или КПА по каналам СКУ и КПИ осуществляется с помощью интерфейса RS-422 со скоростью до 1 Мбит/с.Ограничение скорости передачи диктуется соображениями повышенной надежности. При необходимости и технической возможности, организуется увеличение числа последовательных каналов передачи.

ССОД получает по СКУ из БУОД КУ на включение и отключение системы калибровки аналогового тракта (СКАТ) МСС и в соответствии с данными КУ с помощью ФГК осуществляет подачу напряжения питания на СКАТ. Аналоговый тракт включает в себя следующие устройства: быстродействующие каскады усилителей сигналов с МСД, а также ПД и АЦП с буферным выходным регистром данных.

Представленная ниже, в качестве примера реализации, ССОД МСС НА «Альфа-Электрон» может принимать входной поток событий от МСД через УР с предельной частотой в 25 МГц.

Функциональная схема ССОД НА Альфа-Электрон» представлена на фигуре 2.

Технический результат - предлагаемая ССОД, совместно с быстродействующим МСД и электронными узлами логического и аналогового трактов, обеспечивает работу МСС в высокоинтенсивных потоках частиц и регистрацию кратковременных всплесков заряженных частиц со скоростью счета вплоть до 2,5×10⁷ частиц в секунду, что позволяет статистически более достоверно выделять подобные истинные (полезные) всплески из совокупности фоновых, однозначно трактовать физическую природу коротких всплесков частиц в околоземном космическом пространстве и, в свою очередь, выходить на источники природных катаклизмов на Земле.

Приборы-прототипы: НА «Альфа-Электрон» (успешно функционирующие в настоящее время НА «ВСПЛЕСК», установленная на внешней поверхности PC MKC, и НА «АРИНА», установленная на борту КА «Ресурс-ДК1»), имеют среднее мертвое время порядка 1 мс.

Изобретение относится к области дистанционного управления бортовой регистрирующей аппаратурой (БРА) космических аппаратов (КА). Техническим результатом является повышение эксплуатационных возможностей за счет обеспечения возможности подключать различные детекторы. Удаленная система сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры включает: блок функциональной группы буферных магистральных усилителей (ФГБМУ), программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), два независимых кварцевых генератора, функциональную группу коммутации (ФГК), накопительное запоминающее устройство (НЗУ), штатный и технологические узлы командно-информационного интерфейса (УКИИ), систему локальных термодатчиков, функциональная группа модулей питания (ФГМП), при этом штатный и технологический УКИИ имеют выходной интерфейс для подключения скоростного канала передачи информации (КИИ) и входной интерфейс для подключения служебного канала управления. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Удаленная система сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры, включающая:
- блок функциональной группы буферных магистральных усилителей (ФГБМУ), содержащий, по меньшей мере, два входных интерфейса для подключения, по меньшей мере, одной внешней системы регистрации данных (СРД);
- программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), на которую поступает информация от ФГБМУ, по меньшей мере, к двум интерфейсам, при этом ПЛИС связана с СРД;
- первый кварцевый генератор, связанный с ПЛИС;
- второй кварцевый генератор, связанный с ПЛИС;
- функциональную группу коммутации (ФГК), имеющую интерфейс для связи с системой калибровки каналов измерения (СККИ) бортовой регистрирующей аппаратуры;
- накопительное запоминающее устройство (ПЗУ), связанное двунаправленным интерфейсом с ПЛИС:
- штатный узел командно-информационного интерфейса (УКИИ), связанный двунаправленным интерфейсом с ПЛИС;
- технологический узел командно-информационного интерфейса (УКИИ), связанный двунаправленным интерфейсом с ПЛИС;
- систему локальных термодатчиков (СЛТД), связанную двунаправленным интерфейсом с ПЛИС;
- функциональная группа модулей питания (ФГМП), осуществляющая питание каждого вышеуказанного блока,
при этом штатный и технологический УКИИ имеют свой выходной интерфейс для подключения скоростного канала передачи информации (КПИ) и входной интерфейс для подключения служебного канала управления (СКУ).

2. Удаленная система сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры по п.1 формулы, отличающаяся тем, что первый входной интерфейс блока ФГБМУ получает информацию от СРД по логическому каналу измерений, а второй - от амплитудного канала измерений.

3. Удаленная система сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры по п.1 формулы, отличающаяся тем, что входные интерфейсы УКИИ представляют собой MIL1553 или SpaceWire, или USB, или RS422/485, или CAN или иные необходимые интерфейсы.

4. Удаленная система сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры по п.1 формулы, отличающаяся тем, что выходные интерфейсы УКИИ представляют собой MIL1553, или RS422/485, или CAN (со скоростями порядка 1 Мбит/с) или высокоскоростные (более 10 Мбит/с) - LVDS, LAN, SpaceWire.

5. Удаленная система сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры по п.1 формулы, отличающаяся тем, что выходной интерфейс штатного и технологического УКИИ представляет собой двунаправленный интерфейс RS422.

6. Удаленная система сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры по п.1 формулы, отличающаяся чем, что ПЛИС содержит: процессор, программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) и контроллер ввода-вывода (КВВ).

7. Удаленная система сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры по п.1 формулы, отличающаяся тем, что НЗУ представляет собой статическую оперативную память (SRAM).

8. Удаленная система сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры по п.1 формулы, отличающаяся тем, что НЗУ представляет собой синхронную динамическую оперативную память (SDRAM).

9. Удаленная система сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры по п.1 формулы, отличающаяся тем, что все элементы системы сбора и обработки данных для бортовой регистрирующей аппаратуры имеют металлокерамические или стеклокерамические корпуса и стойкость к ионизирующему излучению.