Многоканальный элемент выбора медианного сигнала

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.

1. Пат. № 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.

2. 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.

3. 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).

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Апасов В.И. Унифицированный модуль системы электропитания малого космического аппарата // Решетневские чтения. 2016. Т. 1. С. 322–324. EDN: XEAFDJ.

10. 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.

11. Апасов В.И. Исследование унифицированного силового модуля на основе комбинированного преобразователя напряжения // Сибирский журнал науки и технологий. 2016. Т. 17. № 4. С. 916–922.

12. 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.

13. Soubrier L., Trehet E. High power PCU for alphabus: PSR100V // 9th European Space Power Conference. 2011. Vol. 690.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.