Повышение качества работы системы космической связи
Проектирование технических устройств. Системный подход в решении инженерных задач. Анализ проблем комплексов космической связи и поиск метода технического решения. Разработка принципиальной схемы усилителя промежуточной частоты, варианты построения.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.09.2011 |
| Размер файла | 2,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Введение
- Глава 1. Научные основы методологии проектирования технических устройств
- 1.1 Кризис инженерии и новая идея инженерии
- 1.2 Методы проектирования технических устройств
- 1.3 Применение системного подхода в решении инженерных задач
- Глава 2. Анализ проблем комплексов космической связи и поиск метода технического решения
- 2.1 Космическая связь в России: реалии и перспективы
- 2.2 Постановка проблемы и механизм решения
- 2.3 Обобщенная функциональная схема КИК и описание ее работы
- 2.3.1 Выбор диапазона частот
- 2.3.2 Определение энергетического потенциала радиолинии и мощности сигнала на входе приемного устройства
- 2.4 Описание функциональной схемы приемника наземной части совмещенной радиолинии КИК
- Глава 3. Разработка принципиальной схемы УПЧ
- 3.1 Варианты построения УПЧ
- 3.3 Микросхемная реализация УПЧ
- Глава 4. Конструкторская часть
- 4.1 Разработка и описание конструкции устройства
- 4.2 Расчет вибропрочности конструкции
- 4.3 Расчет надежности ФЯ
- 5. Технологическая часть
- 5.1 Определение конструкторских показателей технологичности конструкции ФЯ
- 5.2 Определение производственных показателей технологичности конструкции ФЯ
- 5.3 Комплексная оценка технологичности
- 5.4 Выбор и обоснование технологического процесса изготовления ФЯ
- 5.5 Детализация технологического процесса изготовления печатной платы ФЯ
- 6. Экономическая часть
- 6.1 Обоснование целесообразности разработки новой техники и определение её технологической прогрессивности
- 6.2 Календарное планирование и построение директивного графика
- 6.3 Расчёт затрат на проектирование и изготовление опытного образца
- 6.4 Экономическая эффективность проектируемой техники
- 7. Охрана труда
- 7.1 Анализ условий труда
- 7.2 Мероприятия по обеспечению условий труда
- 7.3 Расчет освещенности на этапе контроля пайки
Введение
Сегодня во всем мире научно-технический прогресс набирает все более высокие темпы и, прежде всего, в сфере развития различных средств массовых коммуникаций. В связи с этим наиболее актуально стоит вопрос развития космической связи, как основного средства поддержки коммуникаций между людьми всей планеты. Отсюда, в условиях растущих объемов информационных потоков, значительно возросли требования к качеству приема и передачи сигналов.
Имеющаяся в нашей стране система космической связи включает в себя сложную систему объектов разного назначения (от наземных станций до спутников), требующих технического и технологического усовершенствования своей работы. Новые технические решения, при уже устойчиво работающей системе, разрабатывать и внедрять крайне сложно, а значит - необходимо искать новые подходы решения данной задачи. Один из таких подходов: повышение качества работы системы космической связи за счет рациональных предложений по улучшению качества работы ее ключевых узлов (например: приемных устройств).
В данном дипломе предлагается один из возможных вариантов такого решения.
Для поиска наиболее оптимального варианта технического решения, отвечающего необходимым требованиям и учитывающего большое число сопутствующих условий, возникающих в сложных технических системах, необходимо применение системного подхода, иначе задача не будет решена, или будет решена с риском возникновения т. н. "ошибок накопления", приводящих впоследствии к серьезным сбоям в системе.
То есть, необходим качественно новый, действительно системный подход практически для каждого шага инженерного решения: от поиска идеи до воплощения ее в техническом объекте.
космическая связь усилитель частота
В настоящей работе я сделал, на основе новейшего системного подхода Инвариантного Моделирования, попытку разработки универсального алгоритма разработки технических решений, применив который, попытался найти оптимальный вариант конкретного предложения по решению проблем в сфере космической связи.
Такой подход к поиску инновационного решения в сфере моих интересов был вызван тем, что при разработке любых технических решений в современных условиях, стали предъявляться более сложные требования к самой методологии проектирования в области моделирования сложных радиоэлектронных устройств.
Это вызвано тем значением, которое придается моделированию технических устройств инженерами-практиками, работающими в условиях современного рынка, перенасыщенного конкурирующими между собой моделями.
Требования к современной технике все усложняются и, при моделировании любого сложного радиоэлектронного устройства и разработке принципиально новых моделей с улучшенными характеристиками, возникает ряд проблем, связанных, как и прежде, с решением двух принципиальных задач науки и практики:
Задачи адекватности (решение которой позволяет проанализировать недостатки старой и создать более качественную, эталонную модель, с более универсальными характеристиками);
задачи ситуационного анализа (решение которой позволяет, на основе эталонной модели, разработать ту, которая будет соответствовать требованиям рынка к моменту промышленного выпуска, т.е. не будет подвержена "моральному" и научно-техническому износу).
Следующей, не менее важной, проблемой для инженеров-электронщиков является вопрос подбора и синтеза методов для проектирования какого-либо радиоэлектронного устройства с заранее заданными тактико-техническими характеристиками (ТТХ).
Современные радиоэлектронные устройства представляют собой сложные системы, которые состоят из большого числа совершенно разнокачественных элементов и узлов, при разработке которых применяются разные подходы и методы.
При постановке технического задания по улучшению каких-либо характеристик (или оптимизации системы по каким-либо параметрам), возникает проблема подбора наиболее адекватных методов проектирования. Для этого необходимо осуществить анализ уже имеющихся методов и выбрать из них наиболее оптимальный, или, при отсутствии подходящего, создать новый метод. Эту задачу можно решить только с помощью методологии, обладающей соответствующими свойствами и возможностями.
Учитывая сложный характер современных технических устройств и всё усложняющиеся технические задания по их совершенствованию, проектирование сегодня приобретает системный, междисциплинарный характер, так как для разработки тех или иных устройств часто бывает необходимо знания из одной, например, гуманитарной, области "перевести" на язык технического задания. Отсюда требования к самой методологии проектирования также усложняются.
Современная методология проектирования сложных систем (в данном случае - радиоэлектронных моделей), как минимум, должна отвечать ряду критериев, например:
Иметь более высокую степень общности по отношению к остальным практико-ориентированным методам;
Иметь междисциплинарный характер;
Содержать в себе все 4 языка формализации, адекватные друг другу: вербальный, символический, алгоритмизованный и ЭВМ-реализуемый.
В сегодняшней практике проектирования всё чаще стали использоваться ЭВМ, которые значительно облегчают инженеру решение частных технических задач, но все программные продукты, использующиеся для проектирования тех или иных технических устройств, обладают одним существенным недостатком: узкой специализацией, не позволяющей решать задачи, выходящие за рамки какой-либо одной предметной области.
Один из главных недостатков в подготовке большинства инженеров - неумение самостоятельно ставить новые задачи, неумение решать задачи поиска новых конструкторско-технологических решений на уровне изобретений, обеспечивающих в итоге повышения качества продукции, достижения мирового уровня, всестороннюю интенсификацию и экономию ресурсов. Учебный процесс в основном построен на решении таких теоретических и практических задач, для которых уже имеются:
- готовая постановка задачи,
- известный способ ее решения в виде четкого алгоритма,
- примеры решения задач по этому способу,
- заранее известный ответ.
Поэтому у большинства современных инженеров значительно снижены возможности в области изобретательства и активного творческого поиска. Это в свою очередь является причиной малого количества свежих принципиально новых технических решений, даже в такой сравнительно молодой и развивающейся отрасли как радиоэлектроника.
Другая существенная проблема заключается в методологической разобщенности различных школ подготовки радиоинженеров в области радиоэлектроники и, в связи с этим, слабая методическая оснащенность достаточным и систематизированным комплектом методов и технологий решения инженерных задач.
Очевидно, что для решения комплекса вышеуказанных проблем требуется методология другого свойства, чем существующие в разных научно-технических отраслях знаний. Таким требованиям может удовлетворить только системная, междисциплинарная методология, способная решать задачи анализа, моделирования, прогнозирования и формализации для сложных систем.
Такая методология, отвечающая вышеперечисленным условиям и требованиям, имеется. Это - междисциплинарная системная методология Инвариантного Моделирования (ИМ), созданная на базе новейшей теории Гиперкомплексных Динамических Систем (ГДС), автор: Малюта А. Н.
Данная методология способна работать в качестве теоретико-инструментального средства синтеза, анализа, моделирования и прогнозирования развития объектов, процессов и явлений в любой сфере человеческой деятельности, без предметных ограничений.
В настоящее время возросли требования к выбору и описанию самих критериев технических объектов (ТО). В них все большее значение придается системному подходу при моделировании технических устройств.
В целом развитие техники в большой мере подчинено единому набору критериев, определяющих специфику будущих технических моделей. Этот набор включает четыре группы критериев:
1. функциональные (характеризуют важнейшие показатели ТО),
2. технологические (связаны только с возможностью и простотой изготовления ТО),
3. экономические (Определяют только экономическую целесообразность реализации потребительской функции с помощью моделируемого ТО),
4. антропологические (связаны с вопросами человеческого фактора или воздействие "+" и "-" факторов на людей, вызванных созданным ТО).
Как мы видим, все эти критерии являются разнокачественными и имеют отношение к разным научным областям, а значит - требуют совершенно различных подходов и методов, не связанных методологически друг с другом.
Это проблему, на мой взгляд, можно решить, предприняв следующие шаги:
1. Осуществив синтез и систематизацию методов для каждой конкретной области (например, в радиоэлектроники в целом и непосредственно в моделировании УПЧ, в частности).
Предполагаемый результат: облегчение работы инженера-изобретателя в поиске и подборе комплекса необходимых методов (причем, как для решения конкретных технических задач, так и для постановки новых).
2. Применив для анализа, подбора и систематизации имеющихся методов, а также - в качестве базового инструмента моделирования и прогнозирования, системную методологию междисциплинарного характера.
Предполагаемый результат: облегчение взаимодействия между заказчиком и разработчиком ТО (совмещение разных предметных языков при постановке ТЗ) и решение задач адекватности и ситуационного анализа при проектировании будущих технических моделей.
Учитывая важность и необходимость решения вышеуказанных проблем, считаю актуальным и целесообразным, применив методологию Инвариантного Моделирования, сделать попытку решения следующих задач:
Разработать и предложить конкретный, системный алгоритм разработки и реализации технических решений, могущий быть использованным в широком диапазоне задач современной радиоэлектроники.
На основе данного алгоритма, предложить конкретный вариант технического решения по улучшению работы приемных устройств наземной части КИК.
Практическим результатом (внедренческой частью) данной дипломной работы я предполагаю конструкторско-технологическое решение создания платы УПЧ, потенциально могущее быть внедренным в производство.
Глава 1. Научные основы методологии проектирования технических устройств
1.1 Кризис инженерии и новая идея инженерии
Могущество инженерии подготавливает и ее кризис. Сегодня обозначились, по меньшей мере, четыре области такого кризиса: поглощение инженерии нетрадиционным проектированием, поглощение инженерии технологией, осознание отрицательных последствий инженерной деятельности, кризис традиционной научно-инженерной картины мира.
Если инженерное (техническое) проектирование имеет дело с разработкой процессов, описанных в естественных или технических науках, то другие виды проектирования (архитектурное, градостроительное, дизайнерское, организационное и т.д.) разрабатывают помимо таких процессов и другие - описанные в опыте или даже априорно задаваемые (желаемые). Впрочем, и в инженерном проектировании не все процессы задаются и рассчитываются на основе знаний естественных наук. Например, при проектировании автомашин, самолетов, ракет лишь в самое последнее время стали учитывать и рассчитывать загрязнение воздушной среды, тепловые выбросы, уровень шума, изменение инфраструктур, влияние на людей и ряд других, как сегодня выясняется, важных моментов. Экспансия проектного мышления и инженерии заставляет инженеров не только организовывать инженерное дело по образу проектирования (как инженерные проекты), но и, что более существенно, мыслить проектно.
Инженер все чаще берется за разработку процессов, не описанных в естественных и технических науках и, следовательно, не подлежащих расчету. Проектный фетишизм (все, что изображено в проекте, можно реализовать) разделяется сегодня не только проектировщиками, но и многими инженерами. Проектный подход в инженерии привел к резкому расширению области процессов и изменений, не подлежащих расчету, не описанных в естественной или технической науке.
Еще более значительное влияние на развитие инженерии, а также расширение области ее потенциальных "ошибок", то есть отрицательных или неконтролируемых последствий, оказывает технология. Долгое время изобретательская деятельность, конструирование и традиционное инженерное проектирование определяли развитие и особенности инженерии. Происходило формирование, с одной стороны, самой инженерии и связанных с нею деятельностей (исследовательской, расчетной, проектной, производственной, эксплуатационной), с другой - естественных и технических наук, обеспечивающих инженерию. Являясь на первых порах всего лишь одним из аспектов изготовления технических изделий и сооружений, технология, понимаемая в узком смысле, способствовала постепенному осознанию и выявлению операциональных, деятельностных и социокультурных составляющих инженерной деятельности. В последние десятилетия ситуация изменилась. Реализация крупных национальных технических программ и проектов в наиболее развитых в промышленном отношении странах позволила осознать, что существует новая техническая действительность, что технологию следует рассматривать в широком контексте. Исследователи и инженеры обнаружили, что между технологическими процессами, операциями и принципами (в том числе и новыми), тем состоянием науки, техники, инженерии, проектирования, производства, которые уже сложились в данной культуре и стране, с одной стороны, и различными социальными и культурными процессами и системами - с другой, существует тесная взаимосвязь.
С развитием технологии происходит кардинальное изменение механизмов и условий прогресса техники и технических знаний (дисциплин, наук). Главным становится не установление связи между природными процессами и техническими элементами (как в изобретательской деятельности) и не разработка и расчет основных процессов и конструкций создаваемого инженерами изделия (машин, механизмов, сооружений), а разнообразные комбинации уже сложившихся идеальных объектов техники, видов исследовательской, инженерной и проектной деятельности, технологических и изобретательских процессов, операций и принципов. Изобретательская деятельность и конструирование начинают обслуживать этот сложный процесс, определяемый не столько познанием процессов природы и возможностями использования знания в технике, сколько логикой внутреннего развития технологии в ее широком понимании. Эту логику обусловливают и состояние самой техники, и характер технических знаний, и развитие инженерной деятельности (исследование, разработка, проектирование, изготовление, эксплуатация), и особенности различных социокультурных систем и процессов. Можно предположить, что технология в промышленно развитых странах постепенно становится той технической суперсистемой (техносферой), которая определяет развитие и формирование всех прочих технических систем и изделий, а также технических знаний и наук.
Важно обратить внимание на то, что, развиваясь в рамках технологии, инженерия все больше становится стихийной, неконтролируемой и во многом деструктивной силой. Постановка инженерных задач определяется теперь не столько необходимостью удовлетворить ближайшие человеческие желания и потребности (в энергии, механизмах, машинах, сооружениях), сколько имманентными возможностями становления техносферы и технологии, которые через социальные механизмы формируют соответствующие этим возможностям потребности, а затем и "техногенные" качества и ценности самих людей Розин В. М. Специфика и формирование естественных, технических и гуманитарных наук. К., 1989..
Со всей остротой встает вопрос о характере тех социальных целей, которые ставит перед собой общество и, для достижения которых, создаются невиданные ранее научно-технические средства. Общественный прогресс в наши дни - это процесс взаимодействия целей, используемых средств и достигаемых результатов.
Цели прогресса и выбранная стратегия их достижений, в свою очередь, определяют средства, т.е. - методы решения различных задач. Для технического прогресса такими средствами являются методы проектирования технических устройств.
1.2 Методы проектирования технических устройств
Первоначально новые методы проектирования разрабатывали отдельные ученые и специалисты, которые работали, как отмечает Дж.К. Джонс Джонс Дж. К. Методы проектирования, Изд-во «Мир», М: 1986 г. Стр. 5., в разных сферах проектирования или в новых междисциплинарных отраслях, таких, как исследование операций, эргономика или анализ трудовых процессов. Анализируя эволюцию собственных взглядов на проектирование, Дж.К. Джонс следующим образом характеризует первоначальный этап: "В 40-е годы. я начал объединять проектное мышление с объективными или научными фактами о деятельности человека. Это то, что сейчас называют эргономикой"…. В 60-е годы ситуация изменилась. Состоялось много конференций по методам проектирования и смежным проблемам.
"Появление новых методов свидетельствует о том, - пишет автор, - что все мы стремимся найти не только новые приемы, но и новые цели, выйти на новые рубежи. Традиционные методы были нацелены на изменения частного, локального характера, новые же методы, по-видимому, направлены на улучшение всей ситуации в целом - с одной стороны, выходя за пределы, которые были доступны традиционным методам, а с другой - проникая в область личного опыта, внутреннего мира человека" Там же. Стр. 8..
Цель проектирования, по Джонсу, уже не ограничивается разработкой чертежей конструкции, одобряемой заказчиком и реализуемой производственниками, а состоит в ориентировании и организации "проектирования как процесса, полагающего начало изменениям в искусственной среде".
Принципиально иные условия для реализации новых методов проектирования складываются в современном обществе, где системный анализ явлений и всех последствий, вытекающих из разработки и реализации проекта, должен быть центральным звеном в работе коллективов проектировщиков.
Широкое применение новых методов, объектом которых является не столько проектирование в общепринятом смысле этого слова, сколько мыслительная деятельность, предшествующая выполнению чертежей и проектов, призвано способствовать всемерному повышению творческой активности и эффективности труда конструкторов и проектировщиков.
На сегодняшний день во всем мире и в нашей стране накоплена огромная база методов проектирования в различных областях техники. Условно, по основному целевому назначению, эти методы можно подразделить на 4 группы:
1. Методы исследования проектных ситуаций (дивергенция)
2. Методы поиска идей (дивергенция и трансформация)
3. Методы исследования структуры проблемы (трансформация)
4. Методы оценки (конвергенция)
Структурной характеристикой любого метода является наличие алгоритма метода, предполагающего определенный перечень конкретных действий по достижению целей проектного задания. Во всех случаях используется некоторая принципиальная схема, позволяющая разрешить общую сложную задачу проектирования, путем разделения ее на более простые задачи (подзадачи), с точным указанием взаимосвязей между ними.
Как в случае подбора адекватных методов из существующих, так и в случае создания новых методов, в основе всегда лежит стремление добиться большего контроля над процессом проектирования, особенно на уровне сложных систем.
Рассмотрев вкратце общую цель методов проектирования, мы можем теперь заняться вопросом о том, чем эти методы отличаются один от другого. Причем, для исследования сравнительных характеристик, мы возьмем для сравнения методы из общих подходов к проектированию техники и, дополнительно к этому, рассмотрим метод проектирования одного из радиоэлектронных устройств (УПЧ).
Таким образом, становится очевидным, что для решения любых задач по усовершенствованию сложных технических систем, необходимо применение системного подхода.
1.3 Применение системного подхода в решении инженерных задач
Для того чтобы решить поставленную техническую задачу, мы будем пользоваться средствами междисциплинарной системной методологии Инвариантного Моделирования, в частности таким его аналитическим инструментом, как понятие "система", с детально описанными системными характеристиками (инвариантами).
Основным критерием исследования методов, призванных решать задачи проектирования сложных систем, должен быть критерий их "системности", то есть, по сути - пригодности метода для решения поставленных задач.
Для того, чтобы найти техническое решение вышеописанной проблемы, мы будем пользоваться средствами междисциплинарной системной методологии Инвариантного Моделирования, в частности таким его аналитическим инструментом, как понятие "система", с детально описанными системными характеристиками (инвариантами).
Основным критерием исследования методов, призванных решать задачи проектирования сложных систем, должен быть критерий их "системности", то есть, по сути - пригодности метода для решения поставленных задач.
Для начала необходимо раскрыть формулировку постулата системности (основного постулата теории ГДС Малюта А.Н. Гиперкомплексные динамические системы, Львов, «Выща школа», 1989.) и, соответственно, расшифровку самого понятия "система".
"Постулат: системность есть атрибут любого объекта, процесса или явления.
Приведенная формулировка позволяет сделать следующие выводы.
1. При исследовании уже существующих как объективная реальность или вновь создаваемых конструируемых, мыслимых объектов они рассматриваются как системы, обладающие определенным набором системных закономерностей и свойств.
2. Как видно из определения, свойство системности распространяется на все объекты материального и идеального видопроявления материи вне зависимости от их качественной разновидности (инвариантность по качеству).
3. Атрибутивность и инвариантность по качеству свойства системности накладывают ограничения как на определение понятия системы, так и на выбор системных свойств, в качестве которых допустимо выбирать только такие характеристики исследуемых объектов, которые являются общими для всего класса исследуемых явлений, процессов или объектов вне зависимости от того, в каком конкретном научном направлении (содержательный аспект) и какими методами (по форме) проводится исследование.
Совокупность системных инвариант, обладающих указанными выше свойствами, а также связывающие их закономерности являются предметом метатеоретического научного направления - инвариантного моделирования, относящегося к системологическим исследованиям, расположенным в междисциплинарной области, на стыках конкретных и общефилософских наук.
В процессе конкретной деятельности постулат системности и следствия из него опредмечиваются, наполняясь конкретным содержанием.
Необходимым условием реализации на практике постулата системности, вне зависимости от выбранной стратегии, является процедура определения системы, в ходе которой требуется дать однозначно трактуемую по форме и содержанию формулировку.
В данной работе такое определение делается в рамках теории ГДС, которая является теоретическим инструментарием, позволяющим реализовать на практике задачи инвариантного моделирования и другие' системные стратегии. В рамках теории ГДС все определения, понятия и закономерности представляются так, чтобы в дальнейшем на их основе можно было реализовать процесс формализации системной концепции ГДС. Наличие такого требования продиктовано задачами и методами инвариантного моделирования, реализация которого на практике связана с применением ЭВМ для обработки и формирования системных моделей, что, в свою очередь, требует формализованного описания системных понятий, законов и так далее. При этом способ формализации должен быть таков, чтобы на его основе можно было реализовать требуемые для ЭВМ алгоритмы и программы" Малюта А.Н. Монография «Закономерности системного развития», Киев, Наукова Думка, 1990. Стр. 8..
В рамках теории ГДС, понятие система трактуется таким образом: "Система есть совокупность системных инвариант" и отображается следующей формулой:
где i = 1. … 5
Инварианта - это неизменная характеристика, присущая любым системам произвольной природы. Согласно теории ГДС, таких инвариант всего пять:
1. гиперкомплексность - наличие в ГДС разнородных элементов с учетом их свойств;
2. динамичность - способность элементов ГДС к взаимодействию, а также реализации межсистемного взаимодействия;
3. структурность - механизм и последовательность реализации взаимосвязей;
4. целостность - свойство, присущее совокупности структурированных элементов в целом, но не каждому из составляющих элементов в отдельности;
5. иерархичность - это наличие совокупности внутрисистемных уровней и их свойств, закономерностей их образования и существования.
Итак, мы видим, что для сложных систем, в принципе, присуще наличие совокупности всех вышеописанных пяти инвариант (так как, по существующей закономерности, каждая последующая инварианта может реализоваться только после наличия предыдущей).
Такая трактовка системных характеристик позволяет использовать данное определение в качестве аналитического инструмента, поскольку наличие какой-либо системной характеристики одновременно показывает нам уровень реализации исследуемой системы.
Например, если мы исследуем метод (как систему), то данные инварианты, "опредмечиваясь", будут иметь следующий вид:
1. гиперкомплексность - наличие в методе достаточного количества нужных элементов (алгоритмов) необходимых для проектирования того или иного технического устройства;
2. динамичность - способность данных элементов к функциональному взаимодействию (синтезу, компиляции и пр.), то есть - способность разнородных алгоритмов объединяться для решения подзадач;
3. структурность - наличие в методе четко отлаженного механизма и последовательности применения включенных в него алгоритмов (то, что, по сути, является технологией проектирования);
4. целостность - наличие данной характеристики доказывает практическую пригодность и реализуемость метода, а также может описывать спектр целевых возможностей метода; (Целью любого проектирования является решение какой-либо технической задачи).
5. иерархичность - наличие данной характеристики показывает степень универсальности метода и его пригодность для проектирования сложных систем.
Таким образом, совокупность данных инвариант (с уже заданным алгоритмом) может служить аналитическим инструментом, с помощью которого мы можем исследовать любой метод на предмет его реализуемости и адекватности для решения какой-либо технической задачи.
В случае конкретизации этой задачи (прежде всего - при четком формулировании целей ТЗ), мы сможем реально продемонстрировать работу данного инструмента и, таким образом, проявить как возможности, так и ограничения методов, что является очень важным звеном для выбора метода проектирования.
В настоящей работе мы исследовали ряд общих методов (подходов), наиболее часто используемых в практике проектирования технических объектов, а также - метод проектирования операционных усилителей.
Алгоритм применения инструмента
1. Сделать краткое описание элементной базы метода (перечня конкретных действий).
2. Осуществить анализ элементной базы на наличие функциональных взаимосвязей между слагающими алгоритма.
3. Проявить наличие структурно-логической схемы в алгоритме метода.
4. Оценить и прописать целевые возможности и ограничения метода (какие конкретные подзадачи метод решает в общем спектре поставленной задачи проектирования).
5. Оценить и прописать степень универсальности метода по его способности служить инструментом проектирования при решении других, разнокачественных задач.
Глава 2. Анализ проблем комплексов космической связи и поиск метода технического решения
2.1 Космическая связь в России: реалии и перспективы
"В настоящее время в России функционирует ряд систем спутниковой связи и вещания (СССВ), обеспечивающих традиционные формы связи (телефон, телеграф, факс, и др.), телевидение и радиовещание, передачу газетных полос и данных во многие регионы России, а также в ряд зарубежных стран.
Системы базируются на КА "Горизонт", "Экран-М", "Радуга", "Экспресс" и "Галс".
Земная сеть спутниковой связи "Горизонт" - "Экспресс" состоит из центральных (размеры антенн 12 м - "Орбита"), региональных (25 м - "Азимут") и периферийных (размер антенны от 12 до 2,5-7 м) станций, используемых в различных стволах и диапазонах. Суммарная пропускная способность КА связи системы "Горизонт" составляет более 10 тыс. стандартных (эквивалентных) телефонных дуплексных каналов 54 Кбит/сек. Около 30% связного ресурса КА "Горизонт" арендуется иностранными государствами.
Эксплуатация фиксированной спутниковой связи (ФСС) на базе КА "Горизонт" показала, что это, по существу, единственная возможность ускоренной телефонизации районов Сибири и Дальнего Востока и их подключения к зональной и магистральной сетям.
Системы подвижной спутниковой связи (ПСС) в РФ практически не развиты. В настоящее время эксплуатируется система спутниковой связи Морфлота "Волна" на базе одного ствола КА "Горизонт" (диапазон частот - 1,5/1,6 ГГц). Система обеспечивает телефонную и телексную связь береговых станций с судами, оснащенными станциями типа "Волна-С" (около 1000 станций). Пропускная способность системы не превышает 10-14 эквивалентных телефонных каналов.
Одним из перспективных направлений развития СССВ является создание мобильных сетей персональной спутниковой связи. В настоящее время начато развертывание низкоорбитальной системы спутниковой связи "Гонец" 1-го этапа ("Гонец-Д1").
Для современного состояния космических систем связи характерны:
· Неудовлетворенность возрастающего спроса на внутреннем рынке услуг и средств спутниковой связи. Количество каналов, образуемых эксплуатируемыми КА ФСС, не превышает 4 тыс. (при потребности около 70-80 тыс.), число действующих каналов ПСС равно 15 (при потребности - 7000-7500), число стволов непосредственного телевизионного вещания - 10 (при потребности 100-120).
· Физическая изношенность эксплуатируемых КА. Около 50% КА требуют замены из-за выработки гарантийного срока активного существования (САС).
· Относительно низкие, по сравнению с зарубежными аналогами, пропускная способность и срок активного существования находящихся в эксплуатации отечественных КА связи вещания. Количество стволов, образуемых одним КА ФСС отечественного производства, не превышает 6-12, у зарубежных же аналогов этот показатель достигает значения 44 стволов. САС отечественных КА составляет 5-7 лет, а у большинства современных зарубежных спутников связи - 10-15 лет. " Наука и высокие технологии России на рубеже третьего тысячелетия (социально-экономические аспекты развития). Под редакцией В.Л. Макарова и А.Е. Варшавского. Москва, «Наука», 2001. Стр.369.
2.2 Постановка проблемы и механизм решения
При быстро растущих объемах передаваемой информации и количестве каналов связи, значительно возрастают и технические требования к приемным устройствам наземной части КИК (например: пропускная способность, помехоустойчивость, надежность, себестоимость и пр., в зависимости от их специфики и назначения).
Решение данных проблем возможно, в принципе, двумя путями:
1. За счет внедрения инноваций (например: использование качественно другой элементной базы, изобретения новых технических устройств и т.д.);
2. За счет внедрения рацпредложений по улучшению характеристик уже работающей аппаратуры.
2-ой вариант наиболее оптимален и актуален в нашей стране сегодня, при отсутствии экономических условий для реализации 1-го варианта.
Поэтому, осуществляя поиск вариантов технических решений по улучшению качества работы наземной части КИК, я руководствовался двумя принципами: наиболее быстрой их реализуемостью и меньшей себестоимостью, и выбрал 2-ой вариант, предложив улучшить работу приемного устройства за счет модернизации УПЧ.
Поскольку для расчетов найденных мной вариантов, не было доступа к информации (в силу ее секретности), то, при отсутствии фактологической базы, мне пришлось ограничиться общим, принципиальным характером решений и привести расчеты только для улучшенного варианта УПЧ, без сравнительных характеристик.
К такому варианту решения меня привела логика системного подхода, которую я использовал в настоящей работе для разработки метода.
2.3 Обобщенная функциональная схема КИК и описание ее работы
Помимо проблем недостаточности, изношенности и малой пропускной способности КА, существуют острые проблемы и в области приема сигналов средствами наземной части совмещенной радиолинии КИК.
Радиоуправление КА осуществляется с помощью командно-измерительных комплексов (КИК), обобщенная функциональная схема которых представлена на рис.2.1 Аппаратура, входящая в КИК, размещается как на наземных пунктах, так и на борту КА. В составе комплексов различают:
радиосистемы траекторных измерений (измерительные радиосистемы), используемые для определения параметров движения КА;
командные радиосистемы, обеспечивающие передачу на борт команд и временных программ. В состав командных систем обычно входит также радиоканал проверочной обратной связи;
телеметрические радиосистемы, по которым на командный пункт передается информация о работе всех бортовых систем и результаты научных наблюдений;
систему единого времени (СЕВ), необходимую для синхронизации работы всей аппаратуры КИК.
В некоторых случаях в состав КИК включаются телевизионные системы и системы, предназначенные для двусторонней связи с экипажем космического корабля, а также отдельные целевые радиосистемы.
Наземная часть КИК (рис.2.1) состоит из нескольких командно-измерительных пунктов (КИП), расположенных в различных точках на поверхности Земли, координационно-вычислительного центра (КВЦ) и соединяющих их линий связи. Обмен информацией с КА производится по радиолиниям через КИП. Высокостабильные эталонные генераторы СЕВ, находящиеся на КИП, периодически проверяются по сигналам Государственной Службы Времени Sтв. По радиолинии Земля-Борт на КА передаются программы работы и команды, а также сигналы времени, а по радиолинии Борт-Земля сигналы проверочной обратной связи и данные телеметрии. Для измерения параметров движения КА во многих случаях используются обе радиолинии. Состав КИП может отличаться от приведенного на рис.2.1 Иногда КВЦ территориально совмещается с одним из КИП. Некоторые КИП могут выполнять ограниченный круг задач. В частности, пункт может предназначаться только для проведения траекторных измерений. В этом случае его называют измерительным пунктом (ИП).
Во время сеансов связи КИП с КА с помощью системы траекторных измерений определяются параметры движения КА. Данные измерений со всех пунктов, привязанные к единому времени, после промежуточной обработки по линиям связи поступают в КВЦ. Промежуточная обработка сокращает объем передаваемой информации, в результате чего разгружаются линии связи. В КВЦ имеются универсальные электронно-вычислительные цифровые машины. На них обрабатывается вся полученная информация и рассчитывается коррекция движения КА.
Рассчитанная на КВЦ программа коррекции по линиям связи поступает на КИП. Когда КА находится в зоне видимости этого КИП, программа с помощью командной радиосистемы передается на борт и после проверки правильности приема запоминается в бортовом ПВУ.
В нужные моменты это ПВУ выдает команды на исполнительные органы.
Количество и размещение КИП в комплексе определяются, главным образом необходимой точностью расчета траектории движения КА по результатам измерений, полученным на КИП. Кроме того, приходится учитывать время, в течение которого требуется поддерживать радиосвязь с КА для приема телеметрической информации и управления работой бортовой аппаратуры.
Для увеличения общего времени радиосвязи с КА в состав КИК могут включаться пункты, расположенные за пределами страны, например, на кораблях. Для организации связи и обмена информацией между различными пунктами и КВЦ могут использоваться специальные спутники. Так, например, при полетах космических кораблей "Союз" и орбитальной станции "Салют" обмен информацией между корабельными пунктами и КВЦ осуществлялся через спутники связи "Молния-1" [].
Обычно в командно-измерительном комплексе, предназначенном для обслуживания ИСЗ, количество КИП и ИП достигает десяти и более. а в КИК дальнего космоса оказывается достаточным иметь два-четыре пункта []. При радиоуправлении запуском баллистических ракет вся наземная аппаратура КИК размещается на одном пункте.
При встрече и стыковке КА на этапе выведения целесообразно привлекать наземные средства КИК, на этапах сближения и причаливания, напротив, лучше использовать только средства, расположенные на стыкуемых аппаратах. Обычно на борту активного КА устанавливается электронная цифровая вычислительная машина, которая рассчитывает программу сближения, при автоматической стыковке - и программу причаливания. В этом случае основная часть радиоизмерительной системы (радиовизир цели) также размещается на активном КА,, а на пассивном аппарате устанавливается лишь приемоответчик. Возможен также вариант, при котором ЭЦВМ и радиовизир располагаются на пассивном КА, а программа управления сближением передается для исполнения по командной радиолинии на активный КА, [].
Остановимся на особенностях использования радиоаппаратуры в системах командно-измерительного комплекса. Приемники, передатчики и антенно-фидерные устройства различных радиосистем (измерительных, командных, телеметрических и др.) могут делаться как отдельными, так и общими для нескольких радиолиний. Использование общих (совмещенных) устройств особенно важно на борту КА, так как это позволяет значительно уменьшить вес, габариты и электроэнергию, потребляемую радиоаппаратурой. Совмещение устройств в наземной радиоаппаратуре КИК может дать большой экономический эффект за счет использования одних и тех же средств для различных целей. Совмещение начинается с применения общих антенн для приема и передачи сигналов различных радиосистем. В совмещенных радиолиниях используется единое несущее колебание, модулированное совокупностью сигналов, содержащих информацию, соответствующую различным радиосистемам. В отдельных же случаях полная энергия радиосигнала одновременно используется для нескольких радиосистем.
Например, псевдослучайный сигнал может одновременно использоваться для измерения дальности и передачи информации.
Для сопряжения радиотехнических систем и электронных цифровых вычислительных машин информация, поступающая на КВЦ, должна быть представлена в цифровом виде. Поэтому все измерительные радиосистемы, а также многие командные и телеметрические системы, входящие в состав КИК, имеют цифровые выходы. Следует отметить, что широкое применение цифровых устройств в радиосистемах существенно расширяет набор методов, используемых для обработки сигналов, и позволяет значительно уменьшить аппаратурные ошибки. При этом, в частности, открывается возможность реализации адаптивных систем и оптимальных или близких к ним по точности алгоритмов. Необходимо также отметить, что автоматизация командно-измерительных комплексов базируется на всестороннем использовании цифровых методов и средств.
2.3.1 Выбор диапазона частот
Диапазон выбираемых частот определяется, прежде всего, условиями распространения радиоволн и возможностью обеспечения необходимых точностных характеристик и требуемых полос пропускания радиолиний. Кроме того, большое значение имеют конструктивно-технические факторы. К таким факторам относятся: веса и габариты бортовых устройств, потребляемая ими энергия, коэффициент полезного действия аппаратуры, освоенность данного диапазона волн и т.д. Под освоенностью диапазона понимают наличие в данном диапазоне волн разработанных и серийно изготовляемых радиоэлементов и приборов: полупроводников, электровакуумных и измерительных приборов и т.п.
Возможности выбора диапазона частот при связи наземных пунктов с КА ограничиваются частотно-избирательными свойствами атмосферы. Т.е. выбирать рабочие частоты необходимо в диапазонах частот называемых "окно прозрачности" или "радиоокно". Наиболее выгодным является "радиоокно" в диапазоне 10 - 11 ГГц. Более низкие частоты брать экономически не выгодно, т.к. увеличиваются размеры антенн.
Для компенсации потерь в радиолинии и обеспечения заданного уровня Рc нужно увеличивать мощность передатчика и коэффициент усиления антенн. Ограничений выходной мощности наземных передающих устройств, вообще говоря, не существует, так как излучение любой мощности может быть получено параллельным включением ряда передатчиков. Практически же верхний предел мощности наземного передатчика определяется мощностями имеющихся в данном диапазоне частот электровакуумных приборов, электрической прочностью АФУ и экономическими факторами. Верхний предел мощности бортовых передатчиков определяется, главным образом, допустимым весом аппаратуры и мощностью бортовых источников питания. Он оказывается на три-четыре порядка меньше, чем для наземных передатчиков. В результате значение Рc в радиолинии Земля-Борт в 103 - 104 раз больше, чем в радиолинии Борт-Земля.
В КИК ближнего космоса обычно достаточно небольших наземных антенн с диаметром зеркала, не превышающим нескольких метров. Такие антенны имеют широкую диаграмму направленности, относительно просты и дешевы. В КИК дальнего космоса применяют большие антенны с диаметром зеркала до нескольких десятков метров. Большие антенны имеют узкую диаграмму направленности и требуют высокой точности наведения. Их изготовление сложно и дорого. Поэтому в КИК дальнего космоса стремятся использовать общую антенну для траекторных измерений и для приема и передачи всей информации.
Уровень шумов на входе приемного устройства определяется собственными шумами приемника и шумами, поступающими из антенно-фидерного тракта. Последние состоят из шумов антенно-фидерного тракта и внешних шумов, принятых антенной. К внешним относятся:
космические шумы
шумы атмосферы,
шумы земного покрова.
индустриальные помехи.
Собственные шумы приемников Тшп зависят от входного устройства. В радиолиниях ближнего космоса в. качестве входных устройств наземных приемников используются простые и дешевые усилители, например, на туннельных диодах, высокочастотных транзисторах т.д. Они имеют шумовую температуру порядка 500 - 2500 К. В наземных приемниках радиолиний среднего и дальнего космоса наибольшее распространение получили более сложные малошумящие усилителя: параметрические и молекулярные. Неохлаждаемые параметрические усилители имеют Тш п = 200 - 400 К. В бортовых приемниках не стремятся к получению. очень низких Тшп. Это связано" во-первых, с нежеланием усложнять аппаратуру и увеличивать ее вес и габариты во-вторых, с большей мощностью принимаемого сигнала в радио-Земля-Борт.
Шумы, поступающие из антенно-фидерного тракта, следует учитывать только для чувствительных приемников, у которых они сравнимы с собственными шумами. Поэтому в бортовых приемниках их часто можно не учитывать.
Омические потери в антенно-фидерном тракте приводят не только к ослаблению сигнала, но и к возникновению тепловых радиошумов. Их температура Тафу связана с коэффициентом передачи тракта соотношением:
Тафу= (1-афу) То=5K (2.1)
где То - температура фидера, равная при нормальных условиях 290 К.
Для получения малой величины Тафу нужно иметь возможно короткий фидер, соединяющий антенну с приемником, и избегать вращающихся соединений. Это достигается применением специальных антенн и размещением входных усилителей непосредственно у облучателя. Так при использовании двух зеркальных антенн получают Тафу = 3,5 - 7 К, что соответствует афу у = 0,985 - 0,97 [].
Рис.2.2 Яркостная температура внешних радиошумов.
Яркостная температура основных источников радиошумов на различных частотах приведена на рис.2.2 [] Как видно из рисунка частота несущего сигнала наиболее предпочтительна = 10 ГГц.
2.3.2 Определение энергетического потенциала радиолинии и мощности сигнала на входе приемного устройства
В космических радиолиниях независимо от того, в каком диапазоне они работают, всегда присутствуют естественные шумы, принятые антенной, и собственные шумы приемных устройств. Эти шумы являются аддитивными по отношению к сигналу на входе приемника, имеют гауссово распределение и практически равномерный спектр в пределах полосы пропускания приемника. При расчетах, учитывающих действие таких шумов, удобно использовать понятие энергетического потенциала радиолинии.
Энергетическим потенциалом радиолинии называется отношение средней мощности сигнала Pc к спектральной плотности шума Gш (мощности шума в полосе 1 гц).
Q= Pc/Gш= 7,2*1012 Гц (2.2)
Величина энергетического потенциала определяет возможности радиолиний в части обеспечения точности измерений параметров движения, пропускной способности радиолиний и вероятности ошибки при приеме информации.
Величина энергетического потенциала определяется мощностью сигнала и спектральной плотностью шума на входе приемного устройства. Если космические радиолинии выполнены совмещенными, то возникает задача распределения полной мощности (энергии) сигнала между отдельными радиолиниями в соответствии с их назначением. Наилучшим решением этой задачи было бы использование всей энергии для одновременного измерения параметров движения и передачи информации, однако практическая реализация такого решения встречает технические трудности.
В КИК преимущественное распространение получили радиолинии с непрерывным излучением. Это объясняется тем, что в них можно обеспечить больший по сравнению с импульсными радиолиниями энергетический потенциал (за счет эффективного использования средней мощности передающих устройств) при меньших потребляемой энергии, весе и габаритах передающих устройств. Кроме того, при непрерывном излучении легче совмещать передачу информации с высокоточными измерениями параметров движения.
Мощность сигнала на входе приемника радиолинии, работающей в пределах прямой геометрической видимости, находится по формуле
(2.3)
где Рпрд - мощность передающего устройства; Dпрд - коэффициент усиления передающей антенны; Sпрм - эффективная площадь приемной антенны; - коэффициент, учитывающий дополнительное ослабление сигнала в радиолинии ( < 1); R - расстояние между передающей и приемной антеннами.
Коэффициент усиления антенны D связан с ее эффективной площадью S равенством:
D=4S/2 Гц 2.4
где - длина рабочей волны.
=с/fн=3*108/10*109=0,03 м 2.5
Это позволяет представить формулу (2,3) в следующих видах:
(2.6)
Из приведенных выражений следует, что зависимости принятой мощности сигнала от длины волны будут различными в соответствии с тем, что является фиксированным: эффективные площади или усиления антенн. Чем короче длина волны, тем выше их усиление. В расчете взято максимальное удаление КА от КИК, в точке апогея, т.к. его орбита гиперболическая.
2.4 Описание функциональной схемы приемника наземной части совмещенной радиолинии КИК
В работе любых радиолиний различают два режима: вхождение в связь и выделение информации. Для первого режима характерны поиск и захват сигнала, а для второго - слежение за сигналом.
При приеме сигналов с КА ось диаграммы направленности наземной антенны должна быть совмещена с направлением на КА, что предполагает обнаружение КА по двум сферическим угловым координатам, например, азимуту и углу места. Так как приемник является избирательной системой и должен быть настроен на определенную частоту, возникает задача обнаружения частоты приходящего сигнала. При когерентном приеме и при измерении дальности до КА требуется также обнаружение фазы (запаздывания) принимаемого сигнала.
Рассмотрим функциональную схему наземной части совмещенной радиолинии КИК (рис.2.3). Принятый антенной от КА радиосигнал поступает в приемник, выполняемый для повышения чувствительности и избирательности по схеме с двойным преобразованием частоты. В совмещенных радиолиниях принятый сигнал представляет собой, как правило, несущее колебание, промодулированное по фазе поднесущими частотами каналов дальности, телеметрии и проверочного канала командной радиолинии. Выделенное несущее колебание используется для измерения радиальной скорости движения КА, а также подается на синхронный демодулятор принятого сигнала в качестве опорного колебания. Гетеродинные частоты fг 1 и fг 2, а также частота запросного сигнала fг, поступающая в передатчик, формируются в синтезаторе точных частот из высокостабильной частоты эталонного генератора fэт. Для ускорения процесса обнаружения сигнала КА по угловым координатам в систему наведения антенн вводят целеуказания, рассчитанные по априорным данным. Целеуказания содержат информацию об ожидаемом в данный момент времени направлении на КА. В зависимости от ширины диаграммы направленности и точности целеуказаний в системе наведения антенн используют либо программное наведение, либо автосопровождение. Принципы автосопровождения и поиска сигнала по угловым координатам, используемые в КИК, подобны тем, которые применяются в радиолокации [].
Подобные документы
Понятие и назначение усилителя низкой частоты. Разработка и расчет принципиальной схемы. Проектирование усилителя низкой частоты, состоящего из двух каскадов и RC-цепочки связи. Анализ работы схемы при помощи программы Electronics Workbench Version 5.12.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 27.08.2010Обоснование и разработка функциональной схемы радиоприемника. Основные параметры принципиальной схемы приемника в общем виде. Расчет частоты соседнего и зеркального каналов. Анализ показателей усилителя и преобразователя радиочастоты. Выбор детектора.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 18.05.2013Анализ известных протоколов множественного доступа в сетях спутниковой связи, особенности передачи речевой информации. Разработка схем спутникового ретранслятора пакетов и блока быстрой коммутации для системы космической связи военного назначения.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 13.12.2011Разработка космической системы связи с КИМ-АМ-ФМ: расчет частоты дискретизации, разрядности квантования, энергетического потенциала; выбор несущей частоты передатчика и проектирование его функциональной схемы. Описание конструкции бортового приемника.
курсовая работа [221,1 K], добавлен 07.02.2011Принцип работы усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и назначение всех элементов принципиальной схемы. Расчет усилителя промежуточной частоты с фильтром сосредоточенной селекции. Транзисторный детектор для приема амплитудно-модулированных сигналов.
контрольная работа [293,7 K], добавлен 15.11.2011Описание компонентов системного блока. Анализ схемотехнических решений устройств для исследований работы промежуточного усилителя для звуковой карты. Разработка структурной и принципиальной схемы устройства, изготовление макета. Наладка усилителя.
дипломная работа [787,6 K], добавлен 29.12.2014Приёмники космической навигации и системы передачи информации через них. Анализ систем GPS и ГЛОНАСС, их роль в решении навигационных, геоинформационных и геодезических задач, технические особенности. Оценка структуры космической навигационной системы.
реферат [1,4 M], добавлен 26.03.2011Определение назначения, анализ технических характеристик и описание принципиальной схемы усилителя мощности звуковой частоты. Выбор контрольных точек усилителя, расчет трансформатора и стабилизатора напряжения прибора. Алгоритм диагностики усилителя.
курсовая работа [127,5 K], добавлен 26.01.2014Анализ существующих систем навигации и принципов их работы. Разработка структурной схемы передающего устройства ультракоротковолновой радиостанции. Расчет элементов принципиальной схемы предварительного усилителя, усилителя низкой и высокой частоты.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 27.06.2014Выбор состава и орбитального построения космической навигационно-информационной системы (выбор числа орбит, числа орбитальных элементов системы и определение параметров). Разработка структурной схемы бортовой целевой аппаратуры навигационного спутника.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 18.07.2014
