Система управления створками укрытия телескопа наземного оптико-лазерного центра

Проблемы экологии космоса

Трудно представить современную жизнь без такой составляющей, как космос.

Давно прошла космическая гонка амбиций, и наступила эпоха коммерческого использования достижений в об­ласти ракетостроения и космонавтики. Можно назвать такие сферы, как цифровая связь, телевидение, метеорология, глобальная система определения местоположения, которые дали новый импульс для совершенствования технологий запуска ракетоносителей в части обеспечения надёжности и минимизации стоимости за килограмм полезной нагрузки. Надо сказать, что эти показатели для отечественных носителей наиболее оптимальны, в связи с чем многие страны, предполагающие выводить спутники на орбиту, отдают предпочтение российским космическим транспортным системам. Но «рабочий» космос – это не только старты ракет, а и большая сеть инфраструктуры на Зем­ле, призванная обеспечивать весь цикл жизни космических аппаратов. В частности, с увеличением числа спутников вокруг Земли появилась проблема, связанная с необходимостью отслеживать космические объекты и предупреждать возможные столкновения своевременной корректировкой орбиты. Кроме действующих спутников, в космосе существует до­ста­точное количество космического мусора. Это могут быть как фрагменты ступеней, так и закончившие свой рабочий цикл космические аппараты, которые необходимо фиксировать и учитывать при планировании орбит рабочих аппаратов. Для целей слежения за космическими объектами на Зем­ле создаются стационарные станции слежения, как, например, Алтай­ский оптико-лазерный центр.

Задачи, решаемые Алтайским оптико-лазерным центром

Алтайский оптико-лазерный центр (АОЛЦ) расположен в Змеиногорском рай­оне Алтайского края на границе Пре­д­­алтайской равнины и Колыван­ского хребта. По суммарному времени ясной погоды место, занимаемое АОЛЦ, одно из лучших на территории РФ. Здесь количество ясных ночных часов в году составляет 1400, количество ясных но­чей в году – 160, а с учётом полуясных но­чей, пригодных для наблюдения за космическими объек­тами, количество ра­­бо­чих ночей до­хо­дит до 240, примерно поровну распре­деляясь между зимой и летом.

АОЛЦ со­стоит из двух на­зем­ных оп­тико-лазерных систем (НОЛС) и объектов инфраструктуры.

Первая НОЛC (рис. 1) вместе с объектами инфраструктуры введена в эксплуатацию в 2004 году. Она имеет телескоп траекторных измерений (ТТИ) с диаметром главного зеркала 0,6 м и ла­зерный дальномер (рис. 2). 

ТТИ ис­пользуется для траекторного и фотометрического кон­т­роля на этапах за­пуска и выведения на целевые орбиты (в том числе на геостационарные) но­вых космических аппаратов (КА), а также для контроля развёртывания и функционирования КА на орбитах. Лазерный дальномер работает по космическим аппаратам LAGEOS, ГЛОНАСС и другим, оснащённым лазерными ретрорефлекторами.

Начало эксплуатации второй НОЛС (рис. 3) планируется в 2012 году. Она будет иметь оптический телескоп с диаметром главного зеркала 3,12 м. 

Сис­тема в основном будет использоваться для получения детальных изображений низкоорбитальных КА.

В целом АОЛЦ предназначен для решения широкого круга задач, связанных с использованием и исследованием космического пространства, в том числе решаемых Федеральным космическим агентством в рамках деятельности Межагент­с­кого координационного ко­митета по космическому мусору в части обнаружения и определения координат его фрагментов в целях преду­преждения об опасных сбли­жениях этих фрагментов с действующими аппаратами, в том числе с МКС.

Конструктивные особенности укрытия телескопа

Автоматизированное укрытие для телескопа, имеющего высоту 8 м от пола и оснащённого более чем трёхметровым зеркалом, выполнено в виде трёхстворчатого купола в форме полусферы диаметром 20 м, каждая створка которого приводится в движение от­дель­ной парой гидроцилиндров и мо­жет поворачиваться независимо от ос­тальных (рис. 4).

Особенности конструкции купола обусловлены необходимостью его полного раскрытия в течение пяти минут в заданный момент времени для обеспечения последующего непрерывного наблюдения космических объектов в верхней полусфере. Купол также обеспечивает защиту оборудования в условиях континентального климата: при силь­­ном ветре, снежных буранах, температуре до минус 50°С в зимнее время года и при значительных перепадах дневной и ночной температуры вес­ной и осенью. Кон­ст­­рук­ция купола имеет теплоизоляцию и уплот­нения в подвижных сочленени­ях, что позволяет кондиционировать воздух в подкупольном прост­ран­стве. В связи с перестройкой оборонной промышленности были огра­ничены воз­можности разработчиков укры­тия в выборе композитов, пластиков и других высокотехнологичных материалов, упрощающих конструкцию и снижающих вес. Поэтому повсеместно была ис­поль­зована до­ступ­ная лис­товая низколегированная сталь с нанесением слоя теплоизоляции, что привело к весу укрытия порядка 150 т. Про­блема сборки, отработки и перевозки наземным транспортом этого крупногабаритного соо­ружения была решена разбивкой на сборочные единицы, удовлетворяющие транспортным габаритам, с проведением контрольных сборок на предприятиях-изготовителях (рис. 5).

В целом создание комплекса вычислительных и управляющих средств, обеспечивающего реализацию всей функциональности оптико-лазерных систем, представляет слож­­нейшую ин­женерную задачу. Под­ход к решению этой задачи достаточно традиционен и строится на базе совокупности решений более простых и чётко формализованных задач в рамках соответствующих подсистем. В нашей статье мы рассмотрим одну из таких подсистем – систему управления створками укрытия.

Система управления створками укрытия телескопа

Для управления створками укрытия создана система управления, в которую входят АРМ оператора, промышленные контроллеры, исполнительные устройства гидросистемы, линии связи и средства для определения состояния объекта управления (рис. 6). 

В этой системе управления контроллеры распределены на три уровня соподчинения. К верхнему уровню относится контроллер в составе АРМ управления укрытием для оператора в центре управления. На дисплее оператора графически отображаются состояние створок укрытия, параметры гидросистемы и виртуальные органы управления укрытием (рис. 7). 

АРМ имеет связь с расположенным в непосредственной близости от него контроллером среднего уровня (пульт дистанционного управ­ления, или ПДУ) и ис­пользует его как ретранслятор ко­манд и донесений о состоянии укры­тия. Также ПДУ (рис. 8) дублирует функции АРМ при пусконаладочных работах, регламентном об­слу­живании и в аварийных ситуациях. 

С ПДУ связан промышленный кон­троллер управления электрогидроприводом (КЭГП), расположенный в подкупольном прост­ранстве. К КЭГП (рис. 9) подключены датчики углов и конечные выключатели положения створок, а также каналы связи с контроллерами гидрооборудования и оборудования заштыривания створок. Для исключения недопустимой скрутки створок ку­пола при поворачивании их парой разнесённых гидроцилиндров на полуосях установлены шесть угловых датчиков типа БВТО-100. 

Это позволяет КЭГП эффективно контролировать углы перекоса полуосей в допустимых пределах ±30 угловых минут. Непо­сред­ст­вен­но под куполом, в зоне визуального наблюдения за положением створок, размещён контроллер низшего уровня – пульт местного управления (ПМУ), предназначенный для ручного управ­ления куполом при выполнении пусконаладки и юстировки оборудования укрытия, проведении регламентных работ, а также в аварийных ситуациях. Конструк­тивно он выполнен как ПДУ, отличаясь от него только программным обеспечением. Контрол­леры ПДУ и КЭГП в основном выполнены на модулях семейства MicroPC производства фирмы FAST­WEL (Мос­к­ва). При выборе модуля процессора, как и всего технического оборудования системы управ­ления, большое внимание уделялось вопросам длительной доступности изделий на рынке, в связи с чем выбор остановился на изделии фир­мы FASTWEL CPC108. Этот про­из­во­дительный одноплатный компьютер по­строен на базе процессора AMD Geode LX 800 (500 МГц). В целом вы­числитель содержит не только процессорную плату СРС108, но и платы ввода/вы­вода, установленные в «корзину» с магистралью ISA. К отличиям этих конт­роллеров от их «собратьев», традиционно собранных только на покупных модулях, следует отнести наличие программно-аппаратных средств глубокой диагностики собственной работоспособности. Принятые меры позволяют провести контроль исправности всех интерфейсных каналов связи и всех внеш­них линий дискретных входов/вы­хо­дов, а также ор­ганов управления типа тумблер/кнопка, установленных на пультах и заведённых на диск­ретные входы.

Это реализовано следующим образом. В контроллерах ПДУ и КЭГП применены модули ТВСОМ (FASTWEL), обеспечивающие их связь друг с другом и с контроллерами смежных систем по интерфейсу RS-422. Для диагностики модулей ТВСОМ под ними на монтажных стойках установлены печатные платы собственной разработки, имеющие те же габариты, а также посадочные отверстия и клеммные колодки соответствующего расположения для оптимизации электромонтажа. На этих платах установлены реле с питанием обмоток от источника 5 В либо 27 В, программно переключающие цепи TxD/RxD с разъёмов внешней связи друг на друга для обеспечения обмена контрольной посылкой при проведении диагностики.

Для приёма/выдачи дискретных сигналов в контроллерах применены модули серий TBI-0/24, TBI-24/0C и TBI-16/8C (FASTWEL) с гальваноразвязкой. Под каждым модулем TBI на монтажных стойках установлены пе­чатные платы собственной разработки (рис. 10), имеющие те же габариты, а также посадочные отверстия и клеммные колодки соответствующего расположения для минимизации проводных связей. 

Эта универсальная плата содержит 24 пары диодов, разделённых на три группы («байты»), и резисторы подгрузки для компенсации токов утечки транзисторных ключей.

Аппаратно-программная реализация функции самоконтроля в системе

На систему управления створками укрытия возложена задача, которая заключается в строгом контроле входных сигналов с датчиков и формировании на основании этой информации сигналов, выдаваемых на исполнительные элементы. Учитывая ответственность данной задачи, в техническом решении для системы уделяется особое внимание организации автоматического контроля, максимально охватывающего входные и выходные цепи. Во­про­сы автоматизации контроля реша­ются как продуманной схемотехникой, так и соответствующей подпрограммой контроллера.

При проведении диагностики контроллер программно стимулирует подачу/снятие входного сигнала на дискретные входы модулей TBI. В первом цикле диагностики дополнительное реле отключает общий провод питания «сухих» контактов датчиков состояния объекта, после чего проводится программный опрос всех дискретных входов, которые должны быть неактивны. Во втором цикле диагностики дополнительный ключ через цепи диодной развязки стимулирует все проверяемые дискретные входы, активное состояние которых последовательно считывается и проверяется контроллером. В результате диагностики неисправность определяется вплоть до отдельного дискретного входа в проверяемых модулях. Для устранения ложного срабатывания дискретных вхо­дов вследствие протекания тока утечки дополнительного ключа подключается резистор, установленный на плате контроля.

Аналогично производится проверка дискретных выходов модулей TBI. Она также проходит в два цикла с использованием платы контроля и контроллера для поочерёдного программного подключения/отключения, считывания и проверки состояния выходов. Отличие заключается только в том, что отклю­чение питания осуществляется в отношении исполнительных устройств объекта.

Для контроля исправности контактных органов управления на пультах, сигналы с которых принимаются модулем UNIO96-1 (FAST­WEL), и самих дискретных входов этого модуля разработана отдельная плата. Она содержит 24 пары диодов, разделённых на три группы («байты»), что позволяет программно стимулировать подачу/снятие входного сигнала на дискретные входы модуля UNIO96-1 и оценивать исправность как самого модуля, так и органов управления. Принцип проверки аналогичен ранее описанному контролю модулей TBI.

Тест встроенной диагностики может запускаться как по кнопке на пульте, так и автоматически при выключении контроллера. По результатам теста вы­даётся сообщение либо об исправности проверяемого оборудования, ли­бо об отказе с идентификацией неисправного периферийного модуля или канала связи. Применённые средства диагностики позволяют на стадии пусконаладки и в процессе дальнейшей эксплуатации оборудования в слож­ных и конфликтных ситуациях быстро установить истинные причины возникающих проблем.

Краткие выводы

Рассмотренный вариант реализации системы управления створками укрытий телескопа наземного оптико-лазерного центра обеспечивает чёткое вы­пол­нение возложенной на неё задачи и, что немаловажно, позволяет осуществить протяжённый цикл сервисного обслуживания, а в случае необходимости и модернизацию в рамках широкой номенклатуры выбранного форм-фактора. Это достигнуто путём использования современной аппаратной ба­зы, разработанной и произведённой в России компанией FASTWEL. ● 

Авторы – сотрудники ОАО «НПК «СПП» (Москва),
ОАО «КБСМ» (г. Санкт-Петербург), фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (812) 448-0444
E-mail: info@spb.prosoft.ru