ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2024-4-504-520ZAWNJJipolytech-881Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGМногоканальный элемент выбора медианного сигналаMulti-channel adaptive median signal filterhttps://orcid.org/0009-0001-1829-7282АхтырскийК. A.AkhtyrskiyK. A.

Ахтырский Кирилл Александрович, аспирант

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40

Kirill A. Akhtyrskiy, Postgraduate

40, prospect Lenina, Tomsk 634050

k.akhtirsky@gmail.comКабировВ. А.KabirovV. A.

Кабиров Вагиз Александрович, к.т.н., ассистент отделения электроэнергетики и электротехники

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

Vagiz A. Kabirov, Cand. Sci. (Eng.), Assistant of the Department of Electric Power and Electrical Engineering

30, prospect Lenina, Tomsk 634050

kva@vipelec.comСеменовВ. Д.SemenovV. D.

Семенов Валерий Дмитриевич, к.т.н., старший научный сотрудник, профессор кафедры промышленной электроники

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40

Valeriy D. Semenov, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Professor of the Department of Industrial Electronics

40, prospect Lenina, Tomsk 634050

svd@ie.tusur.ruТоргаеваД. С.TorgaevaD. S.

Торгаева Дарья Сергеевна, к.т.н., ведущий инженер-программист

634041, г. Томск, пр. Кирова, 51

Darya S. Torgaeva, Cand. Sci. (Eng.), Lead Software Engineer

51, prospect Kirova, Tomsk 634041

belial1349@mail.ruТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиРоссияTomsk State University of Control Systems and RadioelectronicsRussian FederationТомский политехнический университетРоссияTomsk Polytechnic UniversityRussian FederationАкционерное общество «Научно-производственная фирма «Микран»РоссияResearch and Production company Micran Joint Stock CompanyRussian Federation202404012025284504520Copyright © Ахтырский К.A., Кабиров В.А., Семенов В.Д., Торгаева Д.С., 20242024Ахтырский К.A., Кабиров В.А., Семенов В.Д., Торгаева Д.С.Akhtyrskiy K.A., Kabirov V.A., Semenov V.D., Torgaeva D.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/881

Цель – разработать новый вариант структуры N-канального универсального элемента выбора медианного сигнала с функцией исключения неиспользуемых входов, предназначенный для создания высоконадежных резервированных модульных систем электропитания космических аппаратов. Для проведения исследования и проверки работоспособности предложенной структуры N-канального элемента использовалась имитационная модель 7-канального элемента выбора, разработанная в Matlab Simulink. Для проверки работоспособности предложенного элемента выбора на программируемой логической интегральной схеме Altera Cyclone IV EP4CE115F29C7 использовался модельно-ориентированный подход к проектированию, включающий в себя применение инструментов Matlab Simulink для автоматической генерации кода для программируемой логической интегральной схемы. Предложена структура N-канального элемента выбора медианного сигнала с функцией исключения неиспользуемых входов из выборки определения медианного сигнала, позволяющая использовать для определения медианного сигнала только те входы элемента выбора, к которым подключены сигналы с работающих модулей в составе системы электропитания. Имитационное моделирование элемента выбора медианного сигнала показало, что, в отличие от существующих аналогов, элемент выбора медианного сигнала по предложенной структуре обеспечивает передачу искомого медианного сигнала на свой выход при уменьшении количества используемых входных сигналов от N до 1. Реализация IP-блока элемента выбора на базе программируемой логической интегральной схемы Altera Cyclone IV EP4CE115F29C7 показала эффективность использования ресурсов, занимая 541 логическую ячейку, а также полное соответствие разработанного IP-блока его заявленной логике работы. Представленная структура элемента выбора может быть использована для создания высоконадежных резервированных систем электропитания космических аппаратов, способных сохранять работоспособность при отказе всех модулей, вплоть до последнего. Разработанное решение может применяться в системах электропитания космических аппаратов с повышенными требованиями к отказоустойчивости.

This study aims to develop a novel structure of an N-channel adaptive median signal filter with dynamic input exclusion. The proposed design is intended for highly reliable, fault-tolerant modular redundant power supply systems for spacecraft. To investigate the functionality of the proposed N-channel filter, we developed a simulation model for a 7-channel median signal filter using MATLAB Simulink. A model-based design approach was applied to validate the performance of the proposed element using the Altera Cyclone IV EP4CE115F29C7 field-programmable gate array (FPGA). The verification process involved the use of automatic code generation tools within MATLAB Simulink for the FPGA implementation. A novel structure of the N-channel median signal filter was proposed, featuring a dynamic exclusion of unused inputs from the median calculation. This guarantees that only valid input signals from operational modules within the power supply system be included in the median calculation. The simulation results demonstrated that, in contrast to existing counterparts, the proposed filter is capable of reliably outputting the median signal as the number of active input signals decreases from N to 1. The implementation of the filter as an intellectual property (IP) block based on the Altera Cyclone IV EP4CE115F29C7 FPGA demonstrated efficient resource utilisation, occupying 541 logic cells, while fully adhering to the specified operational logic. The proposed structure of the adaptive median signal filter can be employed in highly reliable, fault-tolerant spacecraft redundant power supply systems, maintaining functionality even in the event of multiple module failures, down to the last operational module. The developed solution meets the stringent fault-tolerance requirements of spacecraft power systems.

элемент выбора медианного сигналаглубокое резервированиенадежностьсистема электропитаниякосмический аппаратимитационное моделированиеmedian signal selection elementdeep redundancyreliabilitypower supply systemspacecraftsimulation modelingReferencesПат. № 2248041, Российская Федерация, G 06 G 7/25. Ранговый селектор / Д.В. Андреев; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет. № 2003133024/09. Заявл. 11.11.2003; опубл. 10.03.2005. Бюл. № 7.Andreev D.V. Rank selector. Patent RF, no. 2248041; 2005. (In Russ.).Marcuccio S., Ullo S., Carminati M., Kanoun O. Smaller satellites, larger constellations: trends and design issues for earth observation systems // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 2019. Vol. 34. Iss. 10. P. 50–59. https://doi.org/10.1109/MAES.2019.2928612.Marcuccio S., Ullo S., Carminati M., Kanoun O. Smaller satellites, larger constellations: trends and design issues for earth observation systems. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 2019;34(10):50-59. https://doi.org/10.1109/MAES.2019.2928612.Roberts T.G., Kaplan S. Space launch to low earth orbit: how much does it cost // Data repository, Center for Strategic and International Studies. 2022. Режим доступа: https://aerospace.csis.org/data/space-launch-to-lowearth-orbit-how-much-does-it-cost/ (дата обращения: 29.09.2024).Roberts T.G., Kaplan S. Space launch to low earth orbit: how much does it cost. Data repository, Center for Strategic and International Studies. 2022. Available from: https://aerospace.csis.org/data/space-launch-to-lowearth-orbit-how-much-does-it-cost/ [Accessed 29th September 2024].McDowell J.C. The low earth orbit satellite population and impacts of the SpaceX Starlink constellation // The Astrophysical Journal Letters. 2020. Vol. 892. No. 2. P. L36. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab8016.McDowell J.C. The low earth orbit satellite population and impacts of the SpaceX Starlink constellation. The Astrophysical Journal Letters. 2020;892(2):L36. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab8016.Henri Y. The OneWeb satellite system // Handbook of Small Satellites. Cham: Springer, 2020. P. 1091–1100. https://doi.org/10.1007/978-3-030-20707-6_67-1.Henri Y. The OneWeb satellite system. In: Handbook of Small Satellites. Cham: Springer; 2020, р. 1091-1100. https://doi.org/10.1007/978-3-030-20707-6_67-1.Osoro O.B., Oughton E.J., Wilson A.R., Rao A. Sustainability assessment of low earth orbit (LEO) satellite broadband mega-constellations. 2023. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3325730/v1.Osoro O.B., Oughton E.J., Wilson A.R., Rao A. Sustainability assessment of low earth orbit (LEO) satellite broadband mega-constellations. 2023. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3325730/v1.Shaengchart Yа., Kraiwanit T. The SpaceX Starlink satellite project: business strategies and perspectives // Corporate & Business Strategy Review. 2024. Vol. 5. Iss. 1. Р. 30–37. https://doi.org/10.22495/cbsrv5i1art3.Shaengchart Yа., Kraiwanit T. The SpaceX Starlink satellite project: business strategies and perspectives. Corporate & Business Strategy Review. 2024;5(1):30-37. https://doi.org/10.22495/cbsrv5i1art3.Zhu Hong-yu, Bo-wen Zhang, Donglai Zhang. Overview of architectures for satellite’s regulated bus power system // IEEE 1st China International Youth Conference on Electrical Engineering. 2020. https://doi.org/10.1109/CIYCEE49808.2020.9332665.Zhu Hong-yu, Bo-wen Zhang, Donglai Zhang. Overview of architectures for satellite’s regulated bus power system. In: IEEE 1st China International Youth Conference on Electrical Engineering. 2020. https://doi.org/10.1109/CIYCEE49808.2020.9332665.Апасов В.И. Унифицированный модуль системы электропитания малого космического аппарата // Решетневские чтения. 2016. Т. 1. С. 322–324. EDN: XEAFDJ.Apasov V.I. Unified system power module of small spacecraft. Reshetnevskie chteniya. 2016;1:322-324. (In Russ.). EDN: XEAFDJ.Antuna А.L., Arias M., Miaja P.F., Villarejo J.A., Oliveira T.H., Fernández A. Modular converters analysis and design for the standardization of the power bus in satellites // 13th European Space Power Conference. 2023. https://doi.org/10.1109/ESPC59009.2023.10298162.Antuna А.L., Arias M., Miaja P.F., Villarejo J.A., Oliveira T.H., Fernández A. Modular converters analysis and design for the standardization of the power bus in satellites. In: 13th European Space Power Conference. 2023. https://doi.org/10.1109/ESPC59009.2023.10298162.Апасов В.И. Исследование унифицированного силового модуля на основе комбинированного преобразователя напряжения // Сибирский журнал науки и технологий. 2016. Т. 17. № 4. С. 916–922.Apasov V.I. Study of unified power unit based on combined voltage converter. Vestnik of SibGAU. 2016;17(4):916- 922. (In Russ.).Manoj K.M.B., Padmavathi K. Design and implementation of low power multi-output flyback converter for nanosatellite applications // First International Conference on Advances in Electrical, Electronics and Computational Intelligence. 2023. https://doi.org/10.1109/ICAEECI58247.2023.10370982.Manoj K.M.B., Padmavathi K. Design and implementation of low power multi-output flyback converter for nanosatellite applications. In: First International Conference on Advances in Electrical, Electronics and Computational Intelligence. 2023. https://doi.org/10.1109/ICAEECI58247.2023.10370982.Soubrier L., Trehet E. High power PCU for alphabus: PSR100V // 9th European Space Power Conference. 2011. Vol. 690.Soubrier L., Trehet E. High power PCU for alphabus: PSR100V. In: 9th European Space Power Conference. 2011;690.Оскирко В.О., Сочугов Н.С., Павлов А.П. Модульный биполярный источник питания для мощных ионно-плазменных установок // Приборы и техника эксперимента. 2014. № 5. С. 85. https://doi.org/10.7868/S0032816214050127. EDN: SKIAPX.Oskirko V.O., Sochugov N.S., Pavlov A.P. A modular bipolar power supply for high-power ion-plasma installations. Pribory i tekhnika eksperimenta. 2014;5:85. (In Russ.). https://doi.org/10.7868/S0032816214050127. EDN: SKIAPX.Kabirov V.A., Semenov V.D., Torgaeva D.S., Otto A.I. Miniaturization of spacecraft electrical power systems with solar-hydrogen power supply system // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48. Iss. 24. Р. 9057– 9070. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.12.087.Kabirov V.A., Semenov V.D., Torgaeva D.S., Otto A.I. Miniaturization of spacecraft electrical power systems with solar-hydrogen power supply system. International Journal of Hydrogen Energy. 2023;48(24):9057-9070. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.12.087.Konstantinou G., Pou J., Ceballos S., Agelidis V.G. Active redundant submodule configuration in modular multilevel converters // IEEE transactions on power delivery. 2013. Vol. 28. Iss. 4. P. 2333–2341. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2013.2264950.Konstantinou G., Pou J., Ceballos S., Agelidis V.G. Active redundant submodule configuration in modular multilevel converters. IEEE transactions on power delivery. 2013;28(4):2333-2341. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2013.2264950.Пат. № 2204164, Российская Федерация, C1 G06G 7/25. Медианный идентификатор / Д.В. Андреев; заявитель Ульяновский государственный технический университет. № 2002110479/09. Заявл. 19.04.2002: опубл. 10.05.2003. Бюл. № 13.Andreev D.V. Median identifier. Patent RF, no. 2204164; 2003. (In Russ.).Пат. № 2172516, Российская Федерация, C1 G06G 7/52. Ранговый фильтр / Д.В. Андреев; заявитель Ульяновский государственный технический университет. № 2000111009/09. Заявл. 28.04.2000: опубл. 20.08.2001. Бюл. № 23.Andreev D.V. Rank filter. Patent RF, no. 2172516; 2001. (In Russ.).Пат. № 2804599, Российская Федерация, C1 G06G 7/25, H03H 17/02. Многоканальный элемент выбора одного из входных сигналов / В.А. Кабиров, К.А. Ахтырский, В.Д. Семенов, Д.С. Торгаева; заявитель Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники: № 2023102996. Заявл. 10.02.2023: опубл. 02.10.2023. Бюл. № 28.Kabirov V.A., Ahtyrskij K.A., Semenov V.D., Torgaeva D.S. Multichannel element for selecting one of the input signals. Patent RF, no. 2804599; 2003. (In Russ.).Mudhivarthi B.R., Saini V., Dodia A., Shah P., Sekhar R. Model based design in automotive open system architecture // 7th International Conference on Intelligent Computing and Control Systems (Madurai, 17–19 May 2023). Madurai: IEEE, 2023. P. 1211–1216. https://doi.org/10.1109/ICICCS56967.2023.10142603.Mudhivarthi B.R., Saini V., Dodia A., Shah P., Sekhar R. Model based design in automotive open system architecture. In: 7th International Conference on Intelligent Computing and Control Systems. 17–19 May 2023, Madurai. Madurai: IEEE; 2023, p. 1211–1216. https://doi.org/10.1109/ICICCS56967.2023.10142603.Elsayed G., Kayed S.I. A comparative study between MATLAB HDL Coder and VHDL for FPGAs design and implementation // Journal of International Society for Science and Engineering. 2022. Vol. 4. Iss. 4. P. 92–98. https://doi.org/10.21608/jisse.2022.136645.1056.Elsayed G., Kayed S.I. A comparative study between MATLAB HDL Coder and VHDL for FPGAs design and implementation. Journal of International Society for Science and Engineering. 2022;4(4):92-98. https://doi.org/10.21608/jisse.2022.136645.1056.Pereira L.F.S.C, Batista E.A., Pinto J.O.P., Upadhyaya B.R., Hines J.W., Coble J.B. Model predictive control for sodium fast reactors based on Laguerre functions and FPGA-in-the-loop environment // Nuclear Engineering and Design. 2022. Vol. 400. P. 112041. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2022.112041.Pereira L.F.S.C, Batista E.A., Pinto J.O.P., Upadhyaya B.R., Hines J.W., Coble J.B. Model predictive control for sodium fast reactors based on Laguerre functions and FPGA-in-the-loop environment. Nuclear Engineering and Design. 2022;400:112041. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2022.112041.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.