Алгоритм системи енергоживлення наносупутника

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІДГУК

на дипломну роботу бакалавра Савицького А. О. "Алгоритм системи енергоживлення університетського наносупутника"

Дипломна робота Савицького А. О. є частиною комплексної роботи, що проводить на фізико - технічному факультеті по будівництву студентського наносупутника ФТФ.

За час дипломування студент Савицький А. О. показав себе грамотним студентом, який спроможний ставити і вирішувати конкретні технічні завдання.

Савицьким А. О проведений аналіз функціонування систем енергозабезпечення супутників, обрано та обґрунтовано структурну схему енергопостачання, розроблена схема програмного забезпечення енергоживлення супутника,

У розділі "Схемо-технічне проектування" Савицьким А. О. були розроблені алгоритми за якими СЕС буде виконувати основні функції.

Матеріали роботи планується використовувати задля написання програм контролю та управління системи енергопостачання університетського наносупутника.

В цілому робота виконана на достатньому рівні, в основному відповідно до вимог ЕСКД і стандартів ДНУ в повному обсязі, може бути оцінена на "_________________".

Савицький А. О. заслуговує присвоєнню освітнього рівня "бакалавр".

Керівник дипломної роботи доц.. кафедри САУ "_______" Лебідь А. П

РЕФЕРАТ

Дипломна робота бакалавра 36 с., 11 рис., 2 табл., 5 джерел.

Об'єктом дослідження є система енергоспоживання університетського наносупутника.

Мета роботи: розробити алгоритми за якими система енергопостачання супутника буде виконувати свої функції..

Одержані висновки та їх новизна: за вимогами ТЗ у бакалаврській роботі були розроблені алгоритми функціонування СЕС, а саме:

· Розкривати панелі сонячних батарей;

· Контролювати рівень зарядженості акумуляторної батареї;

· Контролювати енергетичний баланс у системі

· Вмикати та вимикати бортову апаратуру за командами системи управління.

Також у роботі була розроблена структурна схема програмного забезпечення СЕС.

Результати роботи можуть бути використані задля написання програмних кодів контролю та управляння елементами СЕС малогабаритних космічних літальних апаратів.

RESUME

The graduation research of the fourth year student Savits'kiy Andriy, DNU Physical technical faculty. System of automatics technology's department.

Logic of nano-satellite's power system/

Work is interested for aerospace industry and for developers of satellites' power system.

Bibliog. 5, tables 2, fig. 11.

ЗМІСТ

Вступ

1. Системотехнічне проектування

1.1 Аналіз алгоритмів систем енергоживлення супутників

1.2 Вибір й обґрунтування структурної схеми університетського супутника

1.3 Вибір й обґрунтування функціональної схеми системи енергоживлення університетського наносупутника

1.4 Вибір й обґрунтування структурної схеми програмного забезпечення системи енергоживлення наносупутника

2. Схемо - технічне проектування

2.1 Розробка алгоритму функціонування системи енергоживлення університетського супутника

3. Техніко-економічне обґрунтування

Висновок

Список використаної літератури

Додатки

ВСТУП

Обсяг досліджень у космічному просторі з кожним роком зростає. Крім кількісних показників наукових та інших досліджень зростає і їх якість, складність та точність комплексного проведення робіт. Космічні апарати все ширше застосовуються у комерційних цілях. Це різко збільшує попит на малорозмірні штучні супутники Землі (ШСЗ), майбутнє яких дуже перспективно. Ними цікавляться військові, науково-дослідні організації, університети та підприємці.

У той час коли основні зусилля національних космічних агентств, як і раніше спрямовані на розробку великогабаритних і дорогих КА, намітилася тенденція розширення невеликих ШСЗ - мінісупутників з масою 50..500 кг і мікросупутників масою менше 50 кг. Ці апарати можуть бути побудовані та запущені в космос за порівняно невеликий період часу. Питома вартість невеликої кількості таких КА, буде в кілька разів менше питомої вартості великогабаритних апаратів що випускаються одинично. Одним із основних факторів, визначають ефективність виконання апаратом різних космічних місій є його енергетичне забезпечення. Системи енергопостачання (СЕС) космічних літальних апаратів призначені для живлення навантаження електроенергією заданого рівня і якості протягом усього терміну служби КА. Найбільшого поширення набули СЕС, які мають первинне джерело енергії і накопичувальну підсистему, включену паралельно і призначену для забезпечення живлення навантаження в разі відсутності або нестачі енергії основного джерела у більшості випадків в якості накопичувачів використовуються акумуляторні батареї. У процесі роботи постійно необхідно контролювати стан зарядженності батарей для управляння режимами її роботи.

Спільна робота СБ та БХ здійснюється комплексом апаратури автоматики, яка забезпечує узгодженість їхніх характеристик і раціональні режими роботи.

Мета даної роботи розробити алгоритми функціонування системи енергоживлення задля подальшого написання програмних кодів, які будуть контролювати енергопостачання університетського наносупутника.

1. СИСТЕМОТЕХНІЧНЕ ПРОЕКТУВАННЯ

1.1 Аналіз алгоритмів систем енергоживлення супутників

Система електропостачання призначена для забезпечення електроенергією бортової апаратури космічних апаратів (далі "КА") в процесі орбітального польоту протягом заданого часу експлуатації, а також при його наземних випробуваннях.

В якості постійних джерел енергопостачання (акумуляторів) на КА найбільшого поширення набули батареї хімічні (далі БХ), що виробляють електроенергію на основі протікання хімічних процесів. БХ характеризуються номінальною напругою, ємністю, номінальним струмом заряду та розряду та терміном експлуатації..

До БХ, призначених для роботи в космічному просторі залучають наступні вимоги:

· Високі питомі масогабаритні та електричні характеристики.

· Широкий діапазон робочих температур.

· Здатність підзарядки малими струмами.

· Низькі струми саморозряду

Типи БХ, які використовуються на КА:

1. Кислотні. Мають велику ємність, але швидко виходять з ладу у розрядженому стані,

2. Лужні. В зарядженому стані швидко втрачають ємність, розраховані на великі струми та великі ємності.

3. Срібно-цинкові. Мають відносно невеликі габарити, надають велику кількість ампер/годин але не переносять перезаряду.

4. Нікель - кадмієві. Мають більш високі питомі характеристики, мають більшу кількість, порівняно з іншими, циклів заряд-розряду.

5. Літій-іонні. Мають добрі питомі характеристики, та довгий термін зберігання (від 10 до 15 років). Відносно дешеві. Але акумулятори такого типу не мають змоги створювати великі ємності, не полюбляють перезаряду, мають обмежену кількість циклів заряду та розряду.

Споживання електроенергії апаратурою службових систем та корисного навантаження призводить до розряду БХ. Тому для забезпечення функціонування СЕС протягом тривалого терміну експлуатації повинні бути передбачені джерела поповнення електроенергії, що забезпечують заряд БХ. В якості таких джерел електроенергії можуть використовуватись фотоелектричні перетворювачі (ФЕП), ядерні установки та ін. Їх часто називають первинними джерелами електроенергії.

При проведенні дослідження далеких планет Сонячної системи і далекого космосу сонячної енергії недостатньо. Тому на цих КА частіше використовуються ядерні енергетичні установки (ЯЕУ). Вони здатні забезпечити потужність від декількох ватів до 10 кВт протягом багатьох років роботи.

Однак ядерні енергетичні установки являють собою екологічну небезпеку у вигляді тривалого радіаційного випромінювання. Час ізоляції вимкненого реактору ЯЕУ складає близько 300 років.

КА, що функціонують в навколоземному просторі та проводять дослідження ближніх планет Сонячної системи, частіше за все в якості первинних джерел енергії використовують фотоелектричні перетворювачі (ФЕП), Які об'єднуються в пакети (панелі) і називаються сонячними батареями (СБ). СБ здійснюють перетворення енергії сонячного випромінювання в постійний електричний струм. З`єднання ФЕП здійснюється таким чином, щоб забезпечити необхідну напругу (послідовне вмикання) і необхідну потужність (паралельне вмикання). Найчастіше СБ виконують у вигляді стільникових конструкцій. Такі конструкції дозволяють при забезпеченні необхідної жорсткості отримати мінімальні питомі масові характеристики (маса одного квадратного метра площі СБ).

Для ефективної роботи СБ може використовуватися система орієнтації сонячних батарей (СОСБ), яка повинна забезпечувати орієнтацію СБ на Сонце при мінімальній власній споживчій потужності протягом терміну активного існування КА. Для орієнтації на Сонце використовуються сонячні датчики. Як показує практика, СОСБ неефективні при застосуванні на мікросупутниках, так як не забезпечують позитивного ефекту збільшення потужності за рахунок додаткового споживання енергії самої СОСБ. До того ж це призводить до ускладнення конструкції та зниження показників надійності.

Апаратура КА, як правило, вимагає різного номіналу напруг харчування та роздільного харчування. Тому до складу системи енергоспоживання (СЕС) входять перетворювачі та стабілізатори напруги,

Перетворювачі та стабілізатори напруги призначенні для вироблення стабілізованої напруги різного номіналу, що подається на бортову апаратуру КА, вмикаючи службові системи та корисне навантаження. Як правило, бортова апаратура використовую напругу 27В для живлення мікросхем радіоелектронної апаратури КА, але на університетському супутнику така потужність не потрібна, цілком достатньо від 5 до 12 В.

Крім цього для підвищення надійності використовуються резервні канали харчування та виробляється поділ напруги одного номіналу для різних споживачів. За рахунок цього при виході з ладу каналу заданого номіналу, бортова апаратура може бути переведена на резервний канал харчування, у разі виходу з ладу конкретного приладу (наприклад, короткого замикання або обриву лінії) цей прилад може бути відключений від живлення. Залишена апаратура буде виконувати свої функції, тобто вихід із ладу одного приладу не призведе до втрати працездатності всього КА.

Як правило, стабілізатори напруги несуть у собі елементи захисту від короткого замикання, при перевищенні споживчою апаратурою допустимого максимального струму(наприклад, у 1.5 рази). Такий захист дозволяє уникнути позачергових ситуацій, здатних призвести до повного виходу з ладу СЕС КА.

 Останнім часом широкого поширення набувають перетворювачі та стабілізатори напруг, що виробляються на інтегральних схемах с ККД до 0.8.

Для забезпечення управління СЕС, підтримки та контролю режимів роботи, вмикання та вимикання живлення та ін. до складу СЕС вносять блок управління та інтерфейс.

При побудові систем електропостачання космічних апаратів застосовуються наступні типи структур:

– буферна, з безпосереднім підключенням первинного і вторинного джерел енергії до навантаження;

– регульована, в якій підключення джерел енергії і навантаження між собою реалізується за послідовною, паралельною або комбінованою схемою з використанням регуляторів.

Структурна побудова системи енергоживлення може здійснювати пряму передачу енергії від первинного джерела до навантаження, а регулятори встановлюються в ланцюзі заряду і розряду акумуляторної батареї. Якщо один з регуляторів встановлений між первинним джерелом і навантаженням, то має місце регульована передача енергії. Алгоритми регулювання в системі енергоживлення можуть бути різні: починаючи від варіації електричної схеми з'єднання елементів, наприклад, перемикання елементів сонячної батареї або шунтування її частини, і закінчуючи повним відключенням елементів, частини або усієї сонячної батареї, окремих хімічних батарей.. Нижче приведені основні варіанти структурних схем системи енергоживлення, використовуваних на космічних апаратах різного призначення. Назви структурних схем відбивають розташування перетворювальних пристроїв відносно навантаження або джерел електроенергії.

Буферна структура системи енергоживлення

Система енергоживлення побудована за схемою паралельного з'єднання первинного джерела, накопичувача і навантаження(рис 1.1 а, б), при цьому необхідний діапазон напруги на навантаженні відповідає напрузі хімічної батареї, працюючою у буферному режимі. Підтримка енергобалансу і організація зарядно-розрядних циклів хімічної батареї забезпечується відключенням підключенням секцій сонячної батареї, без використання активних регуляторів-перетворювачів. Така структура відрізняється порівняльною простотою, високою надійністю, регулювання потужності сонячної батареї не накладає жорстких вимог по динаміці управління, оскільки хімічна батарея безпосередньо підключена до вихідних силових шин, і в силу своїх властивостей, згладжує пульсації, що виникають при регулюванні. Ці схеми широко використовуються в системах з широким допуском вихідної напруги, відрізняється простотою і мінімальним тепловиділенням, але вимагає ретельного узгодження характеристик сонячних і хімічних батарей.

Рис. 1.1. Варіанти структури системи енергоживлення: а - буферна з послідовним регулятором потужності батареї фотоелектричної (К - комутатор блок контролю джерел живлення); б - буферна з паралельним регулятором потужності батареї фотоелектричної (РМГ);

Послідовна структура системи енергоживлення

При послідовній структурі використовуються послідовно включені активні регулятори заряду і розряду, які забезпечують управління зарядно-розрядними режимами хімічних батарей і необхідний діапазон напруги на навантаженні(рис. 1.2 ). Така структурна схема забезпечує близькі до оптимальних режими заряду і розряду хімічної батареї, відрізняється здатністю реалізації методів використання потенційно можливої потужності сонячної батареї, проте послідовно включені регулятори знижують надійність і коефіцієнт корисної дії системи, погіршують електромагнітну сумісність і створюють підвищене тепловиділення.

Рис. 1.2. Варіанти структури послідовної системи енергоживлення.

Паралельна структура системи енергоживлення

Усі активні регулятори системи енергоживлення включені паралельно, при цьому регулятори працюють по черзі і кожен регулятор реалізує свої функції (рис. 1.3).. Така структурна схема відрізняється високою надійністю, але знижує коефіцієнт корисної дії системи, погіршує електромагнітну сумісність і створює додаткове тепловиділення при розсіюванні надмірної потужності.

Рис. 1.3. Варіанти структури паралельної системи енергоживлення БА - бортова апаратура; ЗУ - зарядний пристрій; РУ - розрядний пристрій.

Паралельно-послідовна структура системи енергоживлення

Ця структура відрізняється комбінованим включенням послідовних і паралельних регуляторів, що забезпечує дуже високі показники якості вихідної напруги системи енергоживлення. Проте наявність багатьох регуляторів знижує коефіцієнт корисної дії, масові характеристики і надійність системи енергоживлення, а також погіршує електромагнітну сумісність з бортовою апаратурою космічного апарату (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Варіанти послідовно-паралельної структури системи енергоживлення :

а - з проміжним регулятором напруги; б - з вихідним регулятором напруги;

1.2 Вибір й обґрунтування структурної схеми університетського супутника

Розглянувши існуючі схеми космічних апаратів можна прийти до висновку про склад і тип службових систем найбільш часто встановлюються на супутниках малого та середнього класів. Наявність даних систем забезпечує можливість реалізації цільового призначення космічного апарату, а також функціонування систем протягом активного існування.

Наносупутники призначені для проведення зйомок з космосу поверхні Землі у видимому й інфрачервоному діапазонах, для збору інформації від датчиків і передачі її під час сеансів зв'язку по команді або у встановлений час.

Університетський супутник буде виготовлений на новій уніфікованій платформі класу наносупутник.

Склад та основні характеристики платформи :

o Корпус;

o Система енергопостачання (СЕС).

До складу СЕС входять:

· Первинні джерела струму;

· Вторинні джерела струму;

· Фотоелектричні перетворювачі;

· Мікропроцесорний блок управління;

· Акумуляторна батарея;

· Датчики споживаної потужності;

· Перетворювачі й стабілізатори напруг;

· Інтерфейс;

o Система управління (СУ):

· Систему управління орієнтації та стабілізації;

· Бортовий цифровий обчислювальний комплекс (БЦВК);

· Блок збору телеметричної інформації (БСТІ), який обробляє інформацію, отриману від датчиків;

· Глобальна навігаційна система (GPS), що допомагає визначити координати супутника;

· Бортова апаратура (БА) поєднана командно-телеметрична радіолінії (СКТРЛ);

o Апаратура корисного навантаження (АКН):

· Цифровий фотоапарат;

· Цифрова відеокамера;

· Оптичний комплекс видимого та інфрачервоного діапазону;

· Ультрафіолетовий поляриметр;

· Електронна пошта з використанням супутникового телефону;

· Тросові системи;

· Ретранслятор;

· Двигун на ефекті Біффелда-Брауна;

· Інфрачервона вертикаль;

· Двигун маховик;

· Вимірювач інтенсивності космічного випромінювання.

o Контрольно-перевірочна апаратура (КПА);

o Датчики температури.

Одним із основних завдань проекту є розробка та створення уніфікованої платформи. З огляду на дану вимогу необхідною умовою є вибір конфігурації та параметрів систем таким чином, щоб необхідні вихідні параметри забезпечувалися, при зміні вхідних параметрів від мінімальних до максимальних значень.

Дане вище завдання накладає деякі обмеження на застосовувані в системі протоколи і інтерфейси обміну даними.

З метою забезпечення стикування систем з лінійкою можливих АКН в структурі студентського наносупутника передбачається застосування протоколу обміну USB 2.0. Це зумовлено перш за все тим, що більшість АКН підтримує саме цей протокол обміну даними.

З метою мінімізації енергетичних витрат, а так же габаритів і ваги передбачається виконання БЦВК у формі мікропроцесорного модуля з відповідними інтерфейсами.

Характеристика БЦВК студентського наносупутника:

Функціональними вузлами СУНС є датчики кутового положення виконавчі органи.

Досвід розробок існуючих космічних апаратів класу нано та мікро супутників показав, що в якості виконавчих органів доцільно застосовувати електромагніти які здатні забезпечити трьох осную стабілізацію і не виробляють витрата робочого тіла.

Комбіноване застосування електромагнітів і гравітаційною штанги дозволить зменшити енергетичні витрати на забезпечення стабілізації кутового положення.

Стандартним варіантом датчиків кутового положення є магнітометри. Однак одним із завдань проекту є відпрацювання в якості чутливих елементів фотоелектричних перетворювачів, кінцева мета яких забезпечити орієнтацію по трьох осях.

Необхідною умова функціонування космічного апарату є наявність системи енергопостачання.

Основним завданням СЕП є забезпечення АКН і службових систем енергоживленням заданого номіналу, а також контроль споживаної потужності.

Відсутність у даній структурі системи управління положення СБ продиктовано тим, що втрати в результаті її власного енергоспоживання при встановлення на супутниках малого класу складають близько 3% вироблюваної потужності.

З метою полегшення конструкції і спрощення системи управління СЕП розглядається питання відсутності в системі зарядного пристрою. При цьому можливим режимом заряду вторинних джерел струму є режим заряду при постійній напрузі.

Дана обставина слід враховувати при виборі типу акумуляторів, що допускають даний режим заряду.

В даний час перспективними джерелами струму вважаються літій-іонні акумулятори.

Як правило матеріалом фотоелектричних перетворювачів СБ на супутниках класу нано та піко супутників є n-перехідний арсенід галію. Однак з метою зниження вартості розробляється КА і максимально повного використання поверхні апарату розглядається застосування аморфного або полікристалічного кремнію.

Оскільки вимоги, що пред'являються до елементів конструкцій студентських супутників менш жорсткі, ніж для апаратів, що розробляються державними конструкторськими бюро (ДКБ), можливе застосування елементної бази масового застосування.

Основні характеристики система енергоживлення наносупутника:

Для забезпечення управління космічним апаратом, а також прийому інформації з борту, в структурі студентського наносупутники передбачені командна і телеметрична радіолінії.

Оскільки обсяг телеметричної інформації не великий, передбачається передача по телеметричної радіолінії інформації від АКН.

Керуюча інформація складається з команд управління (програмних і разових). У разі застосування в структурі високошвидкісного каналу керування з'являється можливість передачі на борт обновлюваного програмного забезпечення. На сьогоднішній день існує ряд зразків радіоліній космічного призначення підтримують високі швидкості передачі інформації. Серед них особливе місце займає радіолінії, розроблена фірмою МІРАД. Її основними перевагами є високий ККД (близько 50%), малі габарити і вагу.

Враховуючи малі габарити і вага космічного апарату, а також обмежену потужність системи енергопостачання до складу службових систем включено систему пасивної температурної стабілізації, виконуваної на базі теплових труб.

Дана система здатна забезпечити температурний діапазон (-40, +80 ° С).

Однією з основних функцій СУ є управління службовими системами. У зв'язку з цим обов'язковими елементами є мікропроцесор зовнішня пам'ять, що забезпечує зберігання програмного забезпечення та інформації від корисного навантаження і інтерфейс забезпечує узгодження даних пристроїв з периферійним обладнанням. Телеметрична інформація зберігається в блоці збору телеметричної інформації, а програмне забезпечення і інформація від АПН планується зберігати в зовнішній пам'яті виконаної на базі Flash накопичувачів.

Опис роботи структурної схеми наносупутника

З датчиків кутової орієнтації та апаратури супутникової навігації (АСН) знімається інформація і через БСТІ надходить на БЦОК, де обробляється. БЦОК, у свою чергу, на основі отриманих даних видає команди виконавчим органам (ІВ) для орієнтації і стабілізації космічного апарату. БСТІ також збирає інформацію з АКН та службових систем і передає її через радіоканал на Землю. Всі службові системи і АКН живить СЕС.

Для здійснення такого завдання розроблено структурну схему наносупутники наведена на (рис.1.5). Розроблена структурна схема наносупутники дозволяє вирішувати всі завдання покладені на нього.

Призначення службової бортової апаратури

Система управління. Система управління призначена для вирішення наступних основних завдань:

* управління рухом наносупутника навколо його центру мас;

* управління роботою бортового обладнання наносупутника на основі, як бортових алгоритмів, так і командної інформації, яка приймається з Землі через СКТРЛ;

Рис. 1.5 - Структурна схема університетського наносупутника

* прийом інформації навігаційних вимірювань апаратури супутникової навігації;

* контроль правильності функціонування бортового обладнання наносупутника, формування повідомлень про стан і функціонування устаткування, проведення при необхідності реконфігурації технічних і програмних засобів наносупутника, формування масиву телеметричної інформації і передача його через СКТРЛ;

* вирішення окремих обчислювальних і логічних завдань системи електропостачання наносупутника;

* сервісні завдання, в тому числі: організація обчислювального процесу; організація синхронізації блоків і пристроїв БЦВК і наносупутники в цілому, ведення бортовий служби дати / часу; організація зв'язку між підсистемами та обладнанням наносупутники, включаючи організацію вводу / виводу; забезпечення режиму реального часу функціонування бортового обладнання наносупутники; управління пам'яттю, процесами і пристроями БЦВК.

БА СКТРЛ. СКТРЛ призначена для обміну між наносупутниками і наземною станцією (НС) командно-програмної, квитанційній, телеметричною інформацією і масивами даних, для вимірювання поточних навігаційних параметрів наносупутники.

СЕП. Система електропостачання призначена для забезпечення електроенергією бортової апаратури наносупутники в процесі орбітального польоту протягом заданого часу експлуатації, а також при його наземних випробуваннях.

СУ. Система управління призначена для перетворення та логічного розподілу команд керування, що надходять у блок від командних датчиків відділення, а також при наземних випробуваннях наносупутники від ЦПУ і для формування телеметричних параметрів, контролюючих роботу блоку. ACH приймає і обробляє сигнали і дані від супутників Глобальної Навігаційної Системи GPS, яка забезпечує тимчасову і координатну інформацію.

Проведені вище міркування дозволили зробити вибір основних систем і характеристик апарату, що розробляється, та їх зв'язок між собою.

За допомогою обраної схеми ми в змозі силами студентів та викладачів вишів побудувати багатофункціональний, економічний мікросупутник, який буде виконувати усі поставлені задачі. А саме дає доступ студентам університету до лабораторного практикуму по управлінню дрібними космічними апаратами, фотографуванню земної поверхні, прийому та обробці супутникової інформації тощо.

1.3 Вибір й обґрунтування функціональної схеми системи енергоживлення університетського наносупутника

Система енергоживлення є сукупність функціонально пов'язаних між собою елементів які формують схему функціональну (рис.1.6). До складу функціональної схеми системи енергоживлення університетського супутника згідно з вимогами проекту входять такі основні елементи:

· Сонячні та акумуляторна батареї;

· Блок контролю заряду і випрямні діоди;

· Блок розкриття сонячної панелі;

· Перетворювачі і стабілізатори напруги;

· Контролер та інтерфейс;

· Датчики розчеплення та датчики розкриття сонячної панелі.

Обгрунтування структурної схеми СЕС університетського супутника

Обрана структурна схема системи енергоспоживання університетського мікросупутника дозволяє виконувати усі покладені на неї функції, а саме:

- вмикає та вимикає бортову апаратуру за командами системи управління

- вимикає бортову апаратуру при збільшенні струму більше ніж у півтора рази від номінального.

- забезпечувати енергетичний баланс системи енергоживлення в цілому.



Рис. 1.6 - Схема функціональна системи енергоживлення університетського супутника.

1.4 Вибір й обґрунтування структурної схеми програмного забезпечення системи енергоживлення наносупутника

Програмне забезпечення СЕС супутника представимо у вигляді блок-схеми. Програми, що відповідають за функціонування окремих елементів СЕС на схемі зображені у вигляді окремих блоків (рис. 1.7).



Рис. 1.7 - Структурна схема програмного забезпечення університетського наносупутника

Програмне забезпечення системи енергопостачання університетського супутника складається із наступних підпрограм:

· Диспетчер команд (повинен розподіляти команди на виконавчі елементи системи. Після відділення супутника від ракетоносія повинен сформувати команду на часову затримку вмикання системи енергопостачання, після цього надати команду на розкриття сонячних батарей. Слідкувати за збереженням енергобалансу акумуляторів. Надавати та приймати інформацію із БЦОК)

· Контроль заряду акумуляторів.

Слідкує за рівнем зарядженості батарей супутника

· Контроль енергобалансу

Слідкує за збереженням енергобалансу у системі, відправляє дані про можливість вмикання та вимикання бортової апаратури відповідно то від рівня струму у системі.

Відправляє дані в телеметрію.

· Формування часової затримки.

Після відділення супутника від ракетоносія витримую часову паузу, після якої дозволяє подати напругу на елементи розкриття сонячних батарей.

· Розкриття сонячних панелей.

Формує команди які подаються на виконавчі елементи розкриття СБ

· БЦОК

Приймає команди з диспетчера, передає дані до телеметрії, формує команди для виконавчих елементів бортової апаратури. Приймає дані про енергетичний баланс, СБ та бортову апаратуру.

· Розподіл команд

Приймає команди з БЦОК та передає до елементів бортової апаратури.

· Управління бортовою апаратурою

Слідкує за станом бортової апаратури, враховуючи рівень енергобалансу системи, та передає інформацію до телеметрії.

· Телеметрична інформація

Приймаю інформацію про стан елементів системи енергоживлення супутника та передає її на до Центру управління на Землю та до БЦОК для корегування управління.

Обґрунтування структурної схеми програмного забезпечення системи енергоживлення наносупутника.

Обрана структура програмного забезпечення повністю відповідає усім поставленим вимогам. Вона містить у собі підпрограми за якими будуть функціонувати усі елементи системи енергоспоживання наносупутника. Дозволяє повною мірою використовувати усі апаратні частини системи задля долання поставлених завдань. Структура програмного забезпечення дозволяє розробити окремі програми за якими буде функціонувати окремі елементи СЄС і потім об'єднати їх докупи. Така модульна структура програмного забезпечення запобігає, у разі виникнення недоліків у роботі, повній заміни якогось окремого елементу, достатньо просто перепрограмувати окремий елемент і система загалом буде працездатною.

2. СХЕМО - ТЕХНІЧНЕ ПРОЕКТУВАННЯ

2.1 Розробка алгоритму функціонування системи енергоживлення університетського супутника

Для того щоб розробити програмне забезпечення, яке буде контролювати роботу системи енергоживлення, треба розробити алгоритм, за яким буде функціонувати СЕС та окремі її компоненти.

Система енергозабезпечення університетського наносупутника виконую наступні функції:

· Розкриває сонячні батареї

· Вмикати та вимикати бортову апаратуру за командами системи управління

· Підтримує достатній рівень зарядженості акумуляторних батарей

· Забезпечує енергетичний баланс в даному розділі наведені алгоритми за якими виконуються вище перелічені функції.

Розкриття сонячних батарей "Запуск"

У першу чергу розглянемо схему початку роботи СЕС та розкриття сонячних батарей. Перед відділенням КА усі бортові системи відключенні від електропостачання. Для початку функціонування СЕС датчик відділення КА повинен подати сигнал про те, що відбулося відділення КА від РН. Після цього на плату СЕС від акумулятора потрапляє живлення. СЕС подає команду на розкриття СБ. ДР регіструє факт розкриття СБ та відповідна інформація потрапляє у блок телеметричної інформації для передачі на Землю. На рис 2.1 зображено алгоритм, за яким відбувається запуск СЕС та розкриття сонячних батарей.



Контроль зарядженності акумуляторних батарей

Розглядається процес управління заряду акумулятора. З відповідних датчиків на контролер поступає інформація про рівень зарядженості акумуляторних батарей. У разі недостатнього рівня заряду акумулятора, підключаємо підзарядку батареї від СБ У випадку максимальної зарядженості акумулятора, блок управління зарядом вимикає подачу живлення на батарею від СБ, формує інформацію про стан заряду та передає її до телеметрії.

На рисунку 2.2 наведена блок-схема алгоритму за яким відбувається контроль заряду акумуляторної батареї.

Ри. 2.2 Блок-схема алгоритму за яким відбувається контроль заряду акумуляторної батареї.

Контроль енергетичного балансу системи енергоживлення

У контролер надходить інформація про заряд акумуляторної батареї, поточну напругу та струм споживання різними елементами БА. Контролер проводить аналіз вхідних даних, та при підвищенні показників у 1.5 рази відправляє сигнал на інтерфейс про відключення бортової апаратури за приорітетами.

На рис 2.3 зображено блок-схему алгоритму, за яким відбувається контроль енергетичного балансу СЕС.

Рис 2.3 Блок-схема алгоритму, за яким відбувається контроль енергетичного балансу СЕС

Вимикання та вмикання бортової апаратури супутника

З БЦВК на контролер поступає команда про вмикання або вимикання бортової апаратури супутника. У контролері відбувається розділення на команди: програмні або разові. До разових команд відносяться команди вмикання або вимикання того або іншого елементу. До програмних відносяться команди, які залежать від часу або координати в якій повинна бути виконана команда. Перед виконанням часових команд необхідно перевірити відповідність між часом команди та часом на борту супутника. Якщо час збігається - команда виконується. Перевірку різниці по часу виконує БЦВК. Перед виконанням команди, яка залежить від координати необхідно порівняти поточні координати супутника(зчитуються із апаратури супутникової навігації "АСН") та командні координати, Якщо координати збігаються можна виконувати команду. На рис 2.4 наведена блок-схема алгоритму вмикання та вимикання бортової апаратури наносупутника.

Рисунок 2.4 - Алгоритм вмикання та вимикання БА

3. ТЕХНІКО - ЕКОНОМІЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ

При розробці будь-яких пристроїв або схем функціонування системи загалом необхідно оцінювати доцільність з економічної точки зору. Створюване обладнання, повинно мати малу собівартість виробництва поряд з підвищеними технічними характеристиками по відношенню до аналогів.

Основним завданням техніко-економічного обґрунтування виробництва виробу або нового принципу функціонування цього виробу є визначення величини економічного ефекту та використання у виробництві основних і супутніх результатів.

Техніко-економічне обґрунтування (ТЕО) - аналіз, розрахунок оцінка економічної доцільності здійснення запропонованого проекту будівництва, спорудження підприємства, створення нового технічного об'єкту, модернізації та реконструкції існуючих об'єктів. ТЕО засноване на співставлення витрат і результатів, встановлення ефективності використання, строку окупності вкладень.

Розробка ТЕО необхідна, коли потрібно довести необхідність вибору саме пропонованого варіанту обладнання, технології, процесу і т.п. Розробка техніко-економічного обґрунтування виробляється для проектів впровадження нових технологій, процесів та обладнання на вже існуючому, працюючому підприємстві

У нашому випадку розглядається ТЕО алгоритмів функціонування системи енергопостачання студентського наносупутника.

Головною задачею ТЕО в даній роботі було створити такі алгоритми СЕС за якими будуть функціонувати вже обрані елементи та пристрої.

Ми будуємо університетський наносупутник, який повинен дати змогу студентам ВУЗу займатися лабораторним практикумом по управлінню малими космічними літальними апаратами, вести зйомку поверхні Землі, приймати та обробляти супутникову інформацію.

Одним з головних критеріїв вибору елементів при проектуванні та будуванні супутника та СЕС відповідно є обмежена кількість виділених коштів. Витікаючи з цього перед нами стояла задача розробити такі алгоритми функціонування СЕС, які нададуть їй змогу виконувати усі поставлені задачі, та максимально повно використовувати усі елементи, з яких вона побудована.

В роботі також була розроблена схема програмного забезпечення аке буде контролювати усі ланки роботи СЕС. Воно складається з підпрограм, які відповідають за окремі функції енергопостачання.

Були розроблені алгоритми, на основі яких будуть написані основні програмні коди елементів СЕС.

Розроблені алгоритми є економічно доцільними з того боку, що не потрібно буде купувати коштовне програмне забезпечення, яке вже існуює на ринку малих космічних апаратів; вони дають змогу написати власні програми, ґрунтуючись на вже обраній елементній базі та інтелектуальній потужності університету.

Також розроблені алгоритми дозволяють використовувати відносно недорогі та широкодоступні споживачеві елементи та пристрої для будування СЕС на малих літальних апаратах загалом.

ВИСНОВОК

У даному дипломному проекті були розроблені алгоритми функціонування системи енергопостачання університетського наносупутника, відповідно вимогам технічного завдання .

У процесі виконання роботи було проведено:

· Аналіз функціонування систем енергопостачання космічних літальних апаратів;

· Вибір та обґрунтування структури університетського супутника;

· Вибір та обґрунтування функціонального модуля СЕС;

· Вибір та обґрунтування структури програмного забезпечення системи енергоживлення

У розділі "Схемо-технічному проектування" було розроблено 4 алгоритму за якими будуть виконуватися наступні функції СЕС;

· Розкриття сонячних панелей, та запуск СЕС;

· Контролюватися рівень заряду акумуляторних батарей;

· Вмикатися та вимикатися бортова апаратура за командами системи управління наносупутника;

· Контролювання енергобалансу СЕС наносупутника;

В розділі "Техніко-економічне обґрунтування" розглянуто доцільність та економічна вигода розроблених алгоритмів функціонування енергоживлення супутника.

енергозабезпечення університетський наносупутник програмний

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Космічні літальні апарати. Вступ у ракетно-космічну техніку: Учбовий посібник з грифом МОНУ/ Ю. Ф. Данієв, А. В, Демченко, В.С. Зевако, А. М. Кулабухов, В. В. Хуторний; під загальною ред. д-ра техн. наук, проф. А. Н. петренко, Дніпропетровськ 2007.

2. Гаврилов В. М. "Розробка систем енергозабезпечення мікросупутників"

3. Евдокимов М. М. Огляд та аналіз архітектури систем енергозабезпечення малих космічних апаратів..

4. Кулабухов А. М. Методичні вказівки до дипломного проектування за спеціальністю "Автоматика і управління в технічних системах" / А. М. Кулабухов, А. В. Ларін, Г. М. Рєзнік. - Д.:РВВ ДНУ, 2003. - 60 с.

5. http://microsat.sm.bmstu.ru/mproject.html

Додатки



Размещено на http://www.allbest.ru/

  

Размещено на Allbest.ru