بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، قابلیت اطمینان زیرسیستمهاي مخابراتی در یک سامانه فضایی نمونه مورد ارزیابی و تحلیل قرار میگیرد. سامانه مورد نظر از زیرسیستمهاي مخابراتی مختلفی نظیر تلهمتري، تلهکامند و موقعیتیاب استفاده مینماید. هر زیرسیستم از بلوكهایی تشکیل شده است که بخشی از آنها روي سامانه و بخشی دیگر روي زمین مستقر میباشند.
پس از معرفی اجمالی بلوكهاي کلی زیرسیستمهاي مخابراتی و تشریح نقش هر زیرسیستم، خطرات و آسیبها معرفی شده و تحلیل درخت خطا1 ارائه میشود. تخمین عدد قابلیت اطمینان در هر زیرسیستم نشان میدهد که، بدون وجود افزونگی و مقاومسازي روي بخش فضایی، تحقق عدد قابلیت اطمینان به صورت تخمینی بیش از
%94، براي یک زیرسیستم، امکانپذیر نمیباشد. نتایج حاصل از تخمین نشان میدهند که، پردازندهها و بخشهاي گرانقیمت، لزوماً همیشه آسیبپذیرترین بخش زیرسیستم نمیباشند و ممکن است برخی بلوكهاي ساده و ارزان قیمت، بیشتر در معرض آسیب قرار داشته باشند. توجه به بخش زمینی زیرسیستمهاي مخابراتی، به جهت عدم وجود محدودیت جرم، از اهمیت بالایی در بهبود قابلیت اطمینان برخوردار است. در خاتمه، بلوكهاي آسیبپذیري که نیاز به مقاوم- سازي دارند، معرفی خواهند شد. مقایسه نتایج حاصل با تجربیات عملی و رصد میدانی نشان میدهد که نتایج این تحلیل قابل استناد بوده و در زیرسیستمها و یا مأموریتهاي مشابه قابل تعمیم میباشند.
مقدمه
باوجود شناسایی و تأکید مداوم مجامع فضایی بینالمللی بر ضرورت توجه به موضوع قابلیت اطمینان در سیستمهاي فضایی ، پژوهشها و مستندات اندکی در این زمینه، در مأموریتهاي فضایی ملی کشورمان وجود دارند. سیستمهاي مخابراتی یکی از کلیديترین اجزاي معماري یک سامانه فضایی محسوب میشوند. در طراحی یک سیستم، جهت حصول قابلیت اطمینان تخصیص یافته، معماريهاي متفاوتی قابل تحقق میباشند
این مقاله، بر روي تحلیل قابلیت اطمینان سیستم مخابرات در سامانه فضایی نمونه متمرکز میباشد؛ بنابراین، صرفنظر از قابلیت اطمینان اختصاص یافته به سیستم، برمبناي معماري پیشنهادي، قابلیت اطمینان تخمین زده شده و روشهاي بهبود بررسی میشوند. نتایج ارائه شده در این پژوهش از تجربیات عملیاتی در مأموریتهاي فضایی ملی در حوزه مخابرات فضایی استخراج شدهاند.
در این مقاله، ابتدا معماري مخابرات یک سامانه فضایی فرضی معرفی شده و سپس مشخصات سامانه و نیز فازهاي مختلف مأموریتی، با شرایط محیطی حاکم بر آن فاز، تشریح میشوند. پس از معرفی بلوكدیاگرام کلی یک زیرسیستم مخابراتی، تحلیل درخت خطا در آن زیرسیستم انجام شده و قابلیت اطمینان آن تخمین زده میشود. معرفی عوامل مؤثر بر افزایش قابلیت اطمینان از دیگر فعالیتهاي این پژوهش است. در خاتمه، قابلیت اطمینان سیستم مخابرات مورد تحلیل قرار گرفته و تخمین زده میشود و درباره راهکارهاي مقاومسازي سیستم توضیحاتی ارائه میشود. مقاله با ارائه نتایج و جمعبندي پایان مییابد.
زیرسیستمهاي مخابراتی در یک سامانه فضایی
سامانههاي فضایی، با توجه به نوع و تعریف مأمویت، نیازمند زیرسیستمهاي مخابراتی مختلفی هستند. تبادلات داده، ویدئو، تصویر و صوت، در مسیر پایینسو و انتقال بالا سوي فرامین زمینی و نیز صوت، در زمره رایجترین مبادلات در سامانههاي فضایی محسوب میشوند.
از دیگر خدمات مخابراتی حائز اهمیت در چنین سامانههایی، استفاده از زیرسیستمهاي تعیین موقعیت رادیویی است که گاهی بهصورت یکسویه - از فضا بهزمین - و گاهی به صورت دوسویه محقق میشود. معماري مخابراتی در یک فضاپیماي فرضی در شکل 1 نشان داده شده است. جرم، هزینه، پیچیدگی و دسترسی به قطعات با کیفیت، از مهمترین و تأثیرگذارترین محدودیتها در پروژههاي فضایی ملی محسوب می- شوند. لزوم توجه به این سه شاخص مهم، میتواند در معماري کلی مخابرات تغییرات زیادي ایجاد نماید.
عموماً هرزیرسیستم مخابراتی که در یک سامانه فضایی مورد استفاده قرار میگیرد، نیاز به یک بخش زمینی، مستقر در ایستگاه زمینی دارد تا مأموریت خود را تکمیل نماید.
شکل :1 معماري مخابرات در سامانه فضایی فرضی
موفقیت عملکرد هر زیرسیستم مخابراتی، نقش تعیینکنندهاي در موفقیت مأموریت سامانه فضایی و تحقق اهداف آن دارد. ضرورت تأمین قابلیت اطمینان بالا براي این زیرسیستمها، سبب بررسی دقیقتر معماري مخابرات در سامانه میشود. تأمین قابلیت اطمینان بالا در یک زیرسیستم مخابراتی به عوامل مختلفی بستگی دارد.
ازجمله این عوامل میتوان به محدودیتها، آسیبها و نیز توجه ویژه به بخشهاي آسیبپذیر اشاره نمود.
بهترین راه افزایش قابلیت اطمینان براي مأموریت مخابراتی در یک سامانه فضایی، استفاده از افزونگی، به معناي یک یا چند زیرسیستم کامل بهجاي هر زیرسیستم است. این روش، که پیشتر در ساخت سامانههاي فضایی، نظیر مرکوري و جمینی رایج بود، امروزه با چالشهاي جدي روبرو میباشد؛ چراکه بودجه جرمی اختصاص یافته به هر سیستم در یک سامانه فضایی، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، محدود است.
با توجه به رابطه مستقیم جرم مخابرات و مصرف توان، امکان استفاده از افزونگی، به معناي استفاده از دو زیرسیستم مستقل با مأموریت مشابه، عموماً امکانپذیر نمیباشد و تنها در موارد خاص، که مأموریتهاي دو زیرسیستم همپوشانی کمتري دارند، امکانپذیر میباشد. بهعلاوه، این روش سبب تحمیل هزینه بیشتر و نیز اعمال پیچیدگیهاي فراوان به سامانه و بخش زمینی میشود. استفاده از این روش، درصورت ضرورت، در بخش زمینی مستقر در ایستگاه زمینی، به دلیل عدم محدودیت جرمی، معقولتر مینماید و کاربرد بیشتري در مأموریتهاي فضایی دارد.
شکل :2 تخصیص جرم سیستمی در فضاپیما [4]
یکی دیگر از محدودیتها در پروژههاي فضایی، بهویژه طرحهاي ملی، محدودیت دسترسی به قطعات با کیفیت مطلوب است و سبب تحمیل استفاده از قطعات تجاري و یا نظامی میشود. استفاده از قطعات غیراستاندارد، با وجود گذر از آزمونهاي تضمین کیفیت، دربرخی موارد سبب کاهش قابلیت اطمینان زیرسیستم میشود.
فضاپیماي نمونه
جهت بررسی دقیقتر، فضاپیمایی با جرم یک تن و مأموریت صعود به ارتفاع 120 کیلومتري از سطح زمین و بازگشت مجدد به زمین، در مدت زمان تقریبی 11 دقیقه بعد از پرتاب، بهعنوان فضاپیماي نمونه در نظر گرفته شده است. حداکثر فاصله میان محل پرتاب تا نقطه فرود نامی 60 کیلومتر میباشد. فضاپیما با یک موتور حرکت خود را آغاز نموده و پس از جدایش دماغه و موتور، در حدود دو دقیقه پس از آغاز حرکت، مسیر پرتابهاي را طی نموده و پس از گذر از نقطه اوج، در مسیر فرود و حدود 6 دقیقه پس از آغاز مأموریت، با بازشدن چتر نجات به زمین فرود میآید .[5] بنابراین، مأموریت داراي چهار فاز اصلی است که این فازها عبارتند از:
• فاز :1 حفظ یکپارچگی سازه، جداشدن دماغه
• فاز :2 جداشدن حامل، عملکرد صحیح کنترل
• فاز :3 حفظ پایداري محموله در ورود به جو، باز شدن صحیح چتر
• فاز :4 حفظ عملکرد صحیح چتر، جذب ضربه فرود
این فضاپیما، توسط زیرسیستم تلهمتري، دادههاي جمع آوري شده توسط حسگرها و سایر سیستمها را با استفاده از یک لینک پایین سو به زمین ارسال مینماید. ویدئو و صوت ضبط شده توسط دوربینهاي نصب شده روي بدنه و نیز داخل سامانه از طریق یک زیرسیستم تلهمتري مستقل و در فرکانسی متفاوت از تلهمتري داده، به صورت همزمان، اطلاعات خود را به زمین ارسال میدارد. اطلاعات دریافتی از طریق ایستگاههاي مربوطه، پس از پردازش و نهایی شدن، در مرکز کنترل عملیات جمعآوري میشوند.
این- دادهها از اهمیت بالایی برخوردارند و مبناي تصمیمگیري درخصوص صدور یک فرمان حیاتی از زمین قرار میگیرند.
فرامین یا صوت زمینی، پس از پردازش اطلاعات دریافتی از فضاپیما، و نیز با توجه به زمان مناسب، در صورت ضرورت، از مرکز کنترل عملیات، صادر شده و با یک لینک بالاسو به فضاپیما ارسال میشود. تجهیزات مربوط به دریافت تلهکامند، روي فضاپیما، فرمان را دریافت نموده و عکس العمل تخصیصی به هر فرمان را نشان میدهد.
زیرسیستم موقعیتیابی، مستقل از روش تعیین موقعیت، اطلاعات مورد نظر را در مسیر پایینسو به ایستگاه زمینی ارسال مینماید و بخش زمینی این زیرسیستم، پس از پردازشهاي پیچیده، اطلاعات مربوط به موقعیت را استخراج نموده و به مرکز کنترل عملیات ارسال مینماید.
لزوم اهمیت ردیابی صحیح سامانه ایجاب میکند که، در معماري مخابرات براي فضاپیماي موردنظر،از افزونگی روي بخش فضایی، بهمعناي استفاده همزمان از دو سیستم مختلف و با روشهاي مجزاي موقعیتیابی، استفاده شود. لذا، دو زیرسیستم موقعیتیابی مستقل در فضاپیماي نمونه وجود دارند. زیرسیستم اول مستقل و زیرسیستم دوم، به استفاده از لینک پایینسوي تله متري داده متکی است. بلوكدیاگرام زیرسیستم تعیین موقعیت رادیویی در شکل 3 نشان داده شده است. با توجه به این بلوكدیاگرام، قابلیت اطمینان با استفاده از رابطه 2 تخمین زده میشود.
شکل :3 بلوكدیاگرام زیرسیستم موقعیت یابی
اجزاي یک زیرسیستم مخابراتی
براي تخمین و تعیین میزان قابلیت اطمینان، ضرورتاً باید بلوكدیاگرام کلی هر زیرسیستم تشریح شود. بهعنوان نمونه، بلوكدیاگرام بخشهاي زمینی و فضایی زیرسیستم تلهکامند، در شکلهاي 4 و 5 نشان داده شده اند. در این دوشکل از بیان جزئیات هر بلوك صرفنظر شده است.
الف- تحلیل درخت خطا
روش درخت خطا، یکی از ابزارها و روشهاي رایج در تحلیل و مدلسازي قابلیت اطمینان سیستمهاي پیچیده است که براساس یک متدولوژي مشخص، عوامل ایجاد خرابی و شکست را شناسایی کرده و احتمال وقوع خرابی اصلی را مشخص میکند . براي تحلیل، ابتدا باید خرابی هاي سطح بالا تعریف شوند. خرابی هاي سطح بالا براي زیرسیستم تله کامند، برحسب مأموریت هاي آن تعریف میشود.
شکل - 6 - تحلیل درخت خطا براي مأموریت ارتباط تله کامند را نشان می دهد که در آن تمامی بخش هاي مؤثر بر ارتباط تله کامند در نظر گرفته شده اند. گیت هاي AND، نمایشگر وجود افزونگی در طراحی اند و گیت هاي OR نمایشگر وجود بخش جمع شونده و مؤثربر ایجاد خرابی هستند. این درخت، برمبناي فرضیه عدم وجود هرگونه افزونگی در این زیرسیستم، ترسیم شدهاست. مشاهده میشود که ایجاد شکست یا خرابی در هر کدام از بلوكها سبب ازدست رفتن لینک میشود.
شکل :4 بلوك دیاگرام بخش زمینی زیرسیستم تله کامند
شکل :5 بلوك دیاگرام بخش فضایی زیرسیستم تله کامند
شکل :6 تحلیل FTA در تله کامند
