CC BY
141
УДК 621.372
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО
БАЗИРОВАНИЯ
Mathematical model of fiber-optic transmission system of space-based
1Перминов С.В., 2Капранов Ю.С., 2Куфаль Г.Э., 3 Архипов А.В.,4Бадеева Е.А.
1Perminov S.V., 2Kapranov Y.S., 2Kufal G.E., 3 Arkhipov A.V., 4Badeeva E.A.
1 2
Московский государственный университет леса, ФГУП НИИ
Прецизионного приборостроения, ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А.И.Глухарева,
4Пензенский государственный университет
При финансовой поддержке Министерства образования и науки в виде гранта
Рассмотрена структурная модель волоконно-оптической системы передачи информации космического базирования. Разработана математическая модель волоконнооптической системы передачи информации космического базирования с учетом конструктивных особенностей космических аппаратов и с учетом влияния факторов космического пространства.
The structural model of the fiber-optic data transmission system of space-based. A mathematical model for fiber-optic data transmission system of space-based, taking into account design features of the spacecraft and considering the influence of space factors.
Ключевые слова: волоконно-оптическая система передачи информации
космического базирования, математическая модель, элементы системы, герметичность, надежность
Keywords: fiber-optic transmission system of space-based, mathematical model, elements of the system, integrity, reliability
При разработке, модернизации и анализе функционирования волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСПИ)
космического базирования необходимо располагать большим количеством параметров системы и ее отдельных элементов. Часть этих параметров априори известна или задается заранее на этапе проектирования, а некоторые
2
параметры могут быть определены на основе математической модели с помощью соответствующих расчетов ВОСПИ.
Результаты математического моделирования конкретной ВОСПИ позволяют ответить на ряд вопросов:
- какова может быть протяженность рассматриваемой ВОСПИ при заданной скорости передачи информации;
- можно ли оптимизировать рассматриваемую ВОСПИ путем замены оптических волокон (ОВ) в волоконно-оптическом тракте (ВОТ) для сохранения заданных информационных параметров;
- насколько улучшится работа ВОСПИ в процессе эксплуатации при замене тех или иных элементов на элементы с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Обобщенная структурная модель ВОСПИ космического базирования приведена на рисунке 1.
Рисунок 1- Обобщенная структурная модель ВОСПИ космического базирования типа «от точки к точке»
В простейшем случае структурная модель включает в себя оптический передатчик (ОП), фотоприемное устройство (ФПУ), в котором необходимо выделить фотодетектор (ФД), включающий в себя каскад предварительного усиления и схему принятия решения (компаратор) для всех видов цифровых
3
ВОСПИ космического базирования. В состав ФПУ входит подсистема автоматической регулировки усиления (АРУ) (на рисунке 1 не показана). ВОСПИ бортового базирования включает в себя один проходной соединитель (ПС), который обеспечивает передачу оптического сигнала через стенку герметичного контейнера и, как минимум, два отрезка ВОТ с оптическими соединителями (ОС) для обеспечения передачи оптического сигнала от излучателя ОП к входному зрачку ФПУ. В силу ряда обстоятельств именно «линейные» структуры ВОСПИ получили наиболее широкое распространение на борту КА.
ВОСПИ космического базирования могут объединять в единую информационную систему отдельные узлы, находящиеся в разнесенных отсеках космического аппарата (КА). Эти отсеки разделены герметичными переборками и для прохождения оптического сигнала в них устанавливают ПС. Иногда эти устройства называют гермопереходами, поскольку они обеспечивают герметичность стенок (переборок) герметичных контейнеров (отсеков). Таким образом, в классическую структурную модель ВОСПИ [1] добавлены новые элементы - проходные соединители. При составлении математической модели ВОСПИ космического базирования этот фактор необходимо учитывать.
Узлы и элементы ВОСПИ космического базирования находятся под постоянным воздействием ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП). Воздействие этого фактора на различные элементы ВОСПИ характеризуется различными физическими процессами и приводит к разным последствиям, что также необходимо учитывать в математической модели.
В самом общем случае ВОТ должен пересечь N переборок гермоконтейнеров (см. рисунок 1).
Математическая модель простейшей ВОСПИ с линейной структурой на борту КА может быть представлена в виде уравнения для энергетического потенциала ВОСПИ. В этом случае (без учета воздействия факторов
4
космического пространства (ФКП)) математическая модель энергетического потенциала ВОСПИ (передачи оптической мощности) может быть представлена следующим образом:
k(PвхФД)— Рвых.ОП -(аОС1 + аВОТ ГО+аОС2+аПС + аОС3 + аВОТ.НГО+аОС4), (1)
где РвыхОПД - уровень выходной оптической мощности, выдаваемой ОПД в начальный период эксплуатации [дБм];
РвхФД - мощность оптического сигнала на входе ФД [дБм]; к - коэффициент использования оптической мощности,
определяемый типом кодирования и чувствительностью ФПУ (всегда <1);
аОС 1, аОС2, потери в ОС, при стыковке ВОТ с оконечным устройством аОС3, аОС4- (ОП, проходной соединитель, ФД) [дБ];
аПС - потери оптической мощности при прохождении сигнала через ПС стенку гермоконтейнера [дБ];
аВОТ го/нго - потери в оптическом волокне в составе ВОТ, размещаемых внутри (ГО) или снаружи (НГО) КА [дБ].
Значение РвхФД определяется чувствительностью ФПУ устройства, значением порога срабатывания компаратора, типом применяемого кода, значением вероятности ошибки при приеме сообщения и некоторыми другими параметрами.
Для нормального функционирования ВОСПИ необходим энергетический запас Да, который определяется разницей между пороговым значением РвхФД и реально поступающей на вход ФД оптической мощностью. Значение Да ограничено с одной стороны (снизу), чувствительностью ФПУ, а с другой стороны (сверху) - значением динамического диапазона В [дБ] АРУ ФПУ. То есть энергетический запас Да будет находиться в пределах 0< Да < В.
Да = Рвых.ОП - кРвх.ФД - ^аВОТ - аПС - ^аОС (2)
где ДаВОТ - суммарные потери оптической мощности на всей длине ВОТ [дБ];
5
аПС - потери оптической мощности на прохождение ПС [дБ];
£аОС - суммарные потери оптической мощности во всех ОС [дБ].
В процессе эксплуатации ВОСПИ будут происходить следующие процессы. В первую очередь, происходит падение уровня излучаемой ОП оптической мощности. Падение оптической мощности происходит за счет деградации активного элемента ОП как за счет эффектов «старения», так и под воздействием ФКП. Падение уровня излучаемой мощности для ОП может быть выражено величиной АРвыхОП (в дБ). Количественная оценка значения потерь оптической мощности в зависимости от поглощенной дозы ионизирующих излучений имеет достаточно сложный характер. В состав ОП входят цепи стабилизации выходной оптической мощности и схема защиты излучающего p-n перехода от перегрузок по току (тепловая защита), что обеспечивает частичную компенсацию деградации оптического элемента ОП под воздействием ИИ КП вплоть до полного отказа ОП. Для ФПУ процессы «старения» под воздействием ФКП ведут к возрастанию уровня собственных шумов. Поскольку значение вероятности ошибки при приеме сообщения является функцией отношения мощности сигнала к мощности шума, то возрастание шумов ФД приводит к снижению качества передачи (возрастает вероятность ошибки при приеме сообщения) при сохранении начальной пропускной способности (теорема Шеннона) [3]. Аналогично тому, как это было сделано для ОП, деградацию ФПУ под действием ИИ КП за период эксплуатации можно выразить в виде падения чувствительности на значение
(-А Рвх.ФД) [дБ].
Рассмотрим потери в ОС и ПС за период эксплуатации под воздействием ФКП, в первую очередь, ИИ КП.
ОС в общем виде представляет собой керамическую втулку, в которой закреплен отрезок ОВ. Он служит для обеспечения надежного оптического соединения ОВ с ФПУ, ОП или другим ОВ путем механической фиксации места сочленения. Поскольку в условиях космического полета отсутствуют механические возмущения, действующие на конструкцию ОС, то
6
«деградация» (потеря пропускаемой через ОС оптической мощности) происходит только за счет климатических (например, температуры) или радиационных воздействий. На борту КА в условиях штатного функционирования систем терморегулирования (СТР) диапазон изменения температур не превышает 10о...20 °С [4]. Конструкция и материалы ОС подобраны таким образом, что столь малые температурные перепады не влияют на качество оптических соединений, поэтому остается только влияние космической радиации. Как показано в работе [5] влияние ионизирующих излучений низкой интенсивности на оптические направляющие системы, в том числе и на ОВ, определяется материалом световода, суммарной поглощенной дозой эквивалентного гамма-излучения и геометрическими размерами объекта. В рассматриваемом случае материал светонесущей жилы ОС тот же, что и для бортового ОК, а доза поглощенного излучения (в первом приближении) будет приблизительно одинакова для всех ОС.
Рассмотрим влияние геометрических размеров ОС. Как показано в работах [2, 5] радиационно наведенные потери (РНП) в ОВ на эффекте полного внутреннего отражения могут достигать значений 104 дБ/км при уровне поглощенной дозы эквивалентного гамма-излучения 104.105 Р. Рассматривается наихудший случай, когда РНП = 104 дБ/км, а время САС около 10 лет. Линейный размер ОС в направлении распространения светового сигнала 10 мм. Тогда потери в ОС аос равны 0,1 дБ.
Для 4-х ОС в предположении, что все ОС вносят одинаковые потери за счет РНП:
ХРНПос = NAaoc = 4x0,1 дБ = 0,8 дБ. (3)
Все, что говорилось о внесенных радиационных потерях для ОС применимо и к РНП для проходного соединителя. Единственное отличие этого устройства от ОС заключается в его размерах. Поскольку ПС должен обеспечить прохождение ОС через стенку герметичного отсека КА, то его линейные размеры составляют около 50 мм. Соответственно АаПС = 0,5 дБ.
7
Следовательно, за весь период САС в заведомо усложненных условиях, РНП за счет наведенных потерь в ОС и ПС, составит значение:
SNAaoc + АадС = 0,8 дБ + 0,5 дБ = 1,3 дБ. (4)
В общем виде, с учетом энергетических потерь за счет воздействия ИИ КП уравнение энергетического баланса (1) может быть записано в виде (5): к( Рвх.фд) - А Рвх.фд > Рвых.опд - А Рвых.опд - (2аос+2аПС) - 2 авот го/нго - 2РНП(/), (5)
где 2РНП(/) - суммарные РНП в Вот [дБ];
А РвхФд - потери в ФПУ за счет падения отношения сигнал/шум [дБ];
А Рвых.оПд - радиационное падение мощности на выходе оП [дБ];
2аос+2аПС- начальное затухание на всех соединителях и проходных элементах [дБ];
2 авот го/нго - начальное затухание во всем Вот [дБ].
оценим РНП на всем протяжении Вот. По разным оценкам РНП для ов на полном внутреннем отражении при реально существующих поглощенных дозах могут достигать до 104 дБ/км [5]. Реальные длины Вот для бортовых систем передачи информации лежат в пределах от 1 до 50 м, соответственно, вносимое затухание будет составлять от 1 до 500 дБ [3]. Следовательно, для наихудшего случая (длина Вот=50 м, РНП = 104 дБ/км) ВоСПИ выйдет из строя, поскольку значение динамического диапазона современных ФПУ составляет от 34 до 60 дБ [2].
Дополнительно можно привести следующие соображения. Габариты современных ФПУ и оП весьма незначительны (10*10x10 мм ). Защита от воздействия ИИ КП узлов ФПУ и оП методом защитных экранов будет весьма действенной. Алюминиевого экрана толщиной всего 10 мм достаточно для ослабления излучения в 50 - 70 раз. Экранирование Вот на всем его протяжении лишает бортовые ВоСПИ практически всех преимуществ по весовым и габаритным параметрам.
отсюда можно сделать вывод, что в наихудшем случае дополнительные потери на оС и ПС не превысят 1,3 дБ. Если принять
8
двукратный запас, то в дальнейших расчетах будем принимать значение наведенного поглощения на ОС и ПС, равным 3 дБ. С учетом экранирования потери энергетического потенциала бортовой ВОСПИ за счет возрастания шумов ФПУ и падения мощности ОП, будут иметь значение порядка 10 дБ
[1]. Таким образом, энергетический запас:
В = В0 - РНП(ОС, ФПУ, ОПД) = 60 - 3 - 10 = 47 дБ.
Под величиной РНП(ОС, ФПУ, ОПД) будем понимать все РНП в оптических соединителях, ФПУ и ОПД. Но дополнительные потери за счет РНП в волоконном световоде длиной 50 м могут достигать значения 500 дБ, что заведомо больше оставшегося энергетического запаса.
Исходя из общих технических соображений, структурная модель линейной ВОСПИ космического базирования должна включать в себя N переходов между отсеками КА (имеется в виду переходы между герметичным и негерметичным отсеками КА) (см. рисунок 1). В таком случае структурная модель будет включать в себя N проходных соединителей, которые потребуют наличия m = 2N+2 оптических соединителей:
Поскольку линейная структурная модель подразумевает наличие только одного ОП и одного ФПУ, то выражение (5) для обобщенной математической модели ВОСПИ космического базирования можно переписать в виде:
k Рвх.ФД = Рвых.ОП - N аПС - (2N+2) аОС - (N+1) аВОТ ГО/НГО + В (6)
Обозначения величин в уравнении (4) имеют такой же смысл, что и в уравнении (5).
Уравнение (6) составлено в предположении, что длины ВОТ незначительно различаются по длине отрезков. В более общем случае следует рассмотреть отдельно длину всех ВОТ, размещаемых в ГО за защитой, и отдельно суммарную длину всех ВОТ, располагаемых вне стенок гермоконтейнера (без влияния защитного экрана). Для линейной математической модели такое усложнение выражения (6) не дает эффекта наглядности при описании процессов, происходящих с элементами ВОСПИ
9
космического базирования. В дальнейшем математическая модель, описываемая уравнением энергетического баланса, будет рассматриваться для наихудшего случая, т.е. в предположении, что за эффективной защитой от ИИ КП располагаются только ОП и ФПУ. Если рассмотреть обобщенную математическую модель ВОСПИ космического базирования, то подставляя (43) и (4) в уравнение энергетического баланса (6) легко убедиться, что РНП в ОС вырастут по сравнению с (6) всего лишь в (N+1)/2 раз, радиационно-наведенные потери в ПС возрастут в N раз, а потери по длине ВОТ возрастают пропорционально суммарной длине ВОТ. Единственное, что можно добавить к расчетам, проведенным для уравнений (1) и (6), так это то, что РНП в ВОТ обобщенной модели вырастают пропорционально суммарной длине световода. Результаты расчета в соответствии с уравнением (8) для РНП в ПС и ОС в зависимости от числа переборок (стенок) гермоконтейнеров приведены на рисунке 2.
Рисунок 2 - Зависимость количества ПС (1) и ОС (2) для ВОСПИ космического базирования в зависимости от количества переборок гермоконтейнеров
Зависимость суммарной длины ВОТ в составе ВОСПИ космического базирования от числа ПС в явном виде отсутствует, поскольку длина
10
прокладываемого оптического кабеля на борту определяется индивидуальными конструктивными особенностями каждого КА.
Выводы
1. Структурная модель ВОСПИ космического базирования должна содержать не только элементы собственно ВОСПИ, но и отдельные элементы конструкции собственно КА.
2. Математическая модель ВОСПИ космического базирования строится с учетом конструктивных особенностей КА и с учетом влияния ФКП, в первую очередь, с учетом влияния ИИ КП на работу элементов ВОСПИ.
3. Наиболее чувствительным к воздействию ИИ КП является оптический кабель ВОСПИ космического базирования.
Библиографический список
1. Красюк Б.А., Корнеев Г.И. Оптические системы связи и световодные датчики. Вопросы технологии. - М.: Радио и связь, 1985. - 192 с.
2. Перминов С.В., Бурков В.Д., Харитонов Н.А. Перспективы применения микроструктурных световодов для создания бортовых высокоинформативных систем передачи данных // Вестник Московского государственного университета леса /Лесной вестник/ 2007г., №2(51), с. 23-28.
3. А.Н. Мартьянов, С.Е. Федоров. Теория передачи информации в оптическом диапазоне. - М.: Министерство обороны СССР, 1986. - 127 с.
4. Гущин В.Н. Основы устройства космических аппаратов: Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 2003. - 272 с.
5. Перминов С.В., Капранов Ю.С., Ларин Ю.Т. Применение волоконнооптических кабелей на основе микроструктурированных волокон на борту космических аппаратов нового поколения// Кабели и провода, 2010, №4(323).
С. 6-9.
