Μελέτη & Μοντελοποίηση Εκπεμπόμενης Ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας Ζεύξης SpaceWire για Διαστημικές Εφαρμογές

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη και η μοντελοποίηση της εκπεμπόμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μιας ζεύξης επικοινωνίας και μεταφοράς δεδομένων βασισμένη στο πρότυπο SpaceWire για χρήση σε μονάδες και συστήματα διαστημικού εξοπλισμού. Στο πλαίσιο της διατριβής, αρχικά περιγράφεται συνοπτικά το πρότυπο και ιδιαίτερα τα επίπεδα του πρωτοκόλλου, τα οποία διαδραματίζουν κυρίαρχο ρόλο στις ακτινοβολούμενες εκπομπές. Στη συνέχεια, δίνονται μετρήσεις της ακτινοβολούμενης ακτινοβολίας και του φασματικού περιεχομένου των σημάτων επί του καλωδίου και μελετάται η επίδραση της ταχύτητας ζεύξης και του μήκους της κωδικής λέξης στις φασματικές εκπομπές μιας ημιαμφίδρομης ζεύξης SpaceWire/LVDS. Τέλος, παρουσιάζεται μια μεθοδολογία μοντελοποίησης ακτινοβολούμενων ηλεκτρομαγνητικών εκπομπών θωρακισμένης καλωδίωσης λαμβάνοντας υπόψη τα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά του επιπέδου γείωσης. Στο Κεφάλαιο 1 της διατριβής παρουσιάζεται το ευρωπαϊκό πρότυπο ECSS-E-ST-50-12C, όπως εκδόθηκε στις 24 Ιανουαρίου 2003 (αρχικά με την ονομασία ECSS-E-ST-50-12Α και στη συνέχεια στις 31 Ιουλίου 2008 μετονομάστηκε ώστε να συμβαδίζει με τα ECSS πρότυπα) και περιγράφει αναλυτικά το πρωτόκολλο SpaceWire. Ειδικότερα, παρουσιάζονται το φυσικό επίπεδο (physical level), το επίπεδο σήματος (signal level), το επίπεδο χαρακτήρα (character level) καθώς και διάφορες τεχνικές γείωσης και δέσμισης (bonding). Επίσης, περιγράφεται συνοπτικά και η αναθεωρημένη έκδοσή του (ECSS-E-ST-50-12C Rev.1), που εκδόθηκε στις 15 Μαΐου 2019, και επικαιροποιεί το πρότυπο. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται μετρήσεις της ακτινοβολούμενης ακτινοβολίας καθώς και του φασματικού περιεχομένου των σημάτων επί του καλωδίου και μελετάται η επίδραση της ταχύτητας ζεύξης και του μήκους κωδικής λέξης στις φασματικές ακτινοβολούμενες εκπομπές μιας ημιαμφίδρομης ζεύξης SpaceWire/LVDS. Η ζεύξη υλοποιήθηκε με τη χρήση πραγματικού καλωδίου SpaceWire με το ένα άκρο της ζεύξης να αποτελείται από μια γεννήτρια παλμών (σήματος), η έξοδος της οποίας μετατρέπεται σε σήμα LVDS μέσω κατάλληλου τυπωμένου κυκλώματος που αναπτύχθηκε στην παρούσα διατριβή, και το άλλο άκρο της ζεύξης να είναι τερματισμένο. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται μια μεθοδολογία μοντελοποίησης ακτινοβολούμενων ηλεκτρομαγνητικών εκπομπών θωρακισμένης καλωδίωσης λαμβάνοντας υπόψη τα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά του επιπέδου γείωσης καθώς και τοποθετήσεις του καλωδίου SpaceWire σε διαφορετικά ύψη πάνω από το επίπεδο γείωσης. Με βάση τις μετρήσεις εξάγονται σημαντικοί παράμετροι του μοντέλου και προβλέπονται οι ακτινοβολούμενες εκπομπές της ζεύξης για διαφορετικά σενάρια υλοποίησής της με αρκετά καλή ακρίβεια. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται εφαρμογή της προτεινομένης μεθοδολογίας μοντελοποίησης εκπεμπόμενης ακτινοβολίας στην περίπτωση ζεύξης SpaceWire/LVDS με επίπεδο γείωσης από Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP). Η διάταξη αυτή συγκεντρώνει μεγάλο ενδιαφέρον για διαστημικές εφαρμογές μιας και αποτελεί την επιλογή καλωδίωσης και γείωσης στην πλειονότητα των διαστημικών αποστολών. Παράλληλα, τα αποτελέσματα που παρατίθενται επιβεβαιώνουν την ισχύ της μεθοδολογίας και καταδεικνύουν τη δυνατότητα εφαρμογής και επέκταση της προτεινόμενης μεθοδολογίας σε αρκετά σύνθετα συστήματα. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται μια τροποποιημένη αντιμετώπιση, λαμβάνοντας ως δεδομένο τη διαφορική παλμική σηματοδοσία του προσομοιωμένου συστήματος SpaceWire/LVDS. Εξαιτίας της διαφορικής παλμικής σηματοδοσίας και του φαινομένου της λόξωσης (skew) προτείνεται μια παλμική αναπαράσταση του ρεύματος για την επίλυση του αντίστροφου προβλήματος, η οποία και υλοποιείται με τη βοήθεια του αλγορίθμου διαφορικής εξέλιξης (Differential Evolution – DE). Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μετρήσεων μιας πραγματικής αμφίδρομης ζεύξης SpaceWire, η οποία υλοποιείται με τον iSAFT SpaceWire Simulator της TELETEL S.A. Η συγκεκριμένη μονάδα εξοπλισμού υλοποιεί όλα τα επίπεδα της ζεύξης, σε αντίθεση με την υλοποίηση των καρτών τυπωμένου κυκλώματος που χρησιμοποιήθηκε στα προηγούμενα κεφάλαια, και προσφέρει την πλήρη λειτουργικότητα συσκευών που επικοινωνούν μέσω πρωτοκόλλου SpaceWire. Οι μετρήσεις λήφθηκαν για διαφορετικά μήκη ωφέλιμου φορτίου (payload) των πακέτων και διαφορετικούς ρυθμούς δεδομένων της ζεύξης SpaceWire. Τέλος, εξάγεται ένα μοντέλο ικανό να περιγράψει τη συμπεριφορά του συστήματος με ικανοποιητική ακρίβεια, βασισμένο στη μεθοδολογία που παρουσιάστηκε στα προηγούμενα κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 7 γίνεται ανασκόπηση των αποτελεσμάτων της διατριβής και παρουσιάζονται βήματα για την επέκταση της ερευνητικής εργασίας. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη και η μοντελοποίηση της εκπεμπόμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μιας ζεύξης επικοινωνίας και μεταφοράς δεδομένων βασισμένη στο πρότυπο SpaceWire για χρήση σε μονάδες και συστήματα διαστημικού εξοπλισμού. Στο πλαίσιο της διατριβής, αρχικά περιγράφεται συνοπτικά το πρότυπο και ιδιαίτερα τα επίπεδα του πρωτοκόλλου, τα οποία διαδραματίζουν κυρίαρχο ρόλο στις ακτινοβολούμενες εκπομπές. Στη συνέχεια, δίνονται μετρήσεις της ακτινοβολούμενης ακτινοβολίας και του φασματικού περιεχομένου των σημάτων επί του καλωδίου και μελετάται η επίδραση της ταχύτητας ζεύξης και του μήκους της κωδικής λέξης στις φασματικές εκπομπές μιας ημιαμφίδρομης ζεύξης SpaceWire/LVDS. Τέλος, παρουσιάζεται μια μεθοδολογία μοντελοποίησης ακτινοβολούμενων ηλεκτρομαγνητικών εκπομπών θωρακισμένης καλωδίωσης λαμβάνοντας υπόψη τα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά του επιπέδου γείωσης. Στο Κεφάλαιο 1 της διατριβής παρουσιάζεται το ευρωπαϊκό πρότυπο ECSS-E-ST-50-12C, όπως εκδόθηκε στις 24 Ιανουαρίου 2003 (αρχικά με την ονομασία ECSS-E-ST-50-12Α και στη συνέχεια στις 31 Ιουλίου 2008 μετονομάστηκε ώστε να συμβαδίζει με τα ECSS πρότυπα) και περιγράφει αναλυτικά το πρωτόκολλο SpaceWire. Ειδικότερα, παρουσιάζονται το φυσικό επίπεδο (physical level), το επίπεδο σήματος (signal level), το επίπεδο χαρακτήρα (character level) καθώς και διάφορες τεχνικές γείωσης και δέσμισης (bonding). Επίσης, περιγράφεται συνοπτικά και η αναθεωρημένη έκδοσή του (ECSS-E-ST-50-12C Rev.1), που εκδόθηκε στις 15 Μαΐου 2019, και επικαιροποιεί το πρότυπο. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται μετρήσεις της ακτινοβολούμενης ακτινοβολίας καθώς και του φασματικού περιεχομένου των σημάτων επί του καλωδίου και μελετάται η επίδραση της ταχύτητας ζεύξης και του μήκους κωδικής λέξης στις φασματικές ακτινοβολούμενες εκπομπές μιας ημιαμφίδρομης ζεύξης SpaceWire/LVDS. Η ζεύξη υλοποιήθηκε με τη χρήση πραγματικού καλωδίου SpaceWire με το ένα άκρο της ζεύξης να αποτελείται από μια γεννήτρια παλμών (σήματος), η έξοδος της οποίας μετατρέπεται σε σήμα LVDS μέσω κατάλληλου τυπωμένου κυκλώματος που αναπτύχθηκε στην παρούσα διατριβή, και το άλλο άκρο της ζεύξης να είναι τερματισμένο. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται μια μεθοδολογία μοντελοποίησης ακτινοβολούμενων ηλεκτρομαγνητικών εκπομπών θωρακισμένης καλωδίωσης λαμβάνοντας υπόψη τα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά του επιπέδου γείωσης καθώς και τοποθετήσεις του καλωδίου SpaceWire σε διαφορετικά ύψη πάνω από το επίπεδο γείωσης. Με βάση τις μετρήσεις εξάγονται σημαντικοί παράμετροι του μοντέλου και προβλέπονται οι ακτινοβολούμενες εκπομπές της ζεύξης για διαφορετικά σενάρια υλοποίησής της με αρκετά καλή ακρίβεια. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται εφαρμογή της προτεινομένης μεθοδολογίας μοντελοποίησης εκπεμπόμενης ακτινοβολίας στην περίπτωση ζεύξης SpaceWire/LVDS με επίπεδο γείωσης από Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP). Η διάταξη αυτή συγκεντρώνει μεγάλο ενδιαφέρον για διαστημικές εφαρμογές μιας και αποτελεί την επιλογή καλωδίωσης και γείωσης στην πλειονότητα των διαστημικών αποστολών. Παράλληλα, τα αποτελέσματα που παρατίθενται επιβεβαιώνουν την ισχύ της μεθοδολογίας και καταδεικνύουν τη δυνατότητα εφαρμογής και επέκταση της προτεινόμενης μεθοδολογίας σε αρκετά σύνθετα συστήματα. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται μια τροποποιημένη αντιμετώπιση, λαμβάνοντας ως δεδομένο τη διαφορική παλμική σηματοδοσία του προσομοιωμένου συστήματος SpaceWire/LVDS. Εξαιτίας της διαφορικής παλμικής σηματοδοσίας και του φαινομένου της λόξωσης (skew) προτείνεται μια παλμική αναπαράσταση του ρεύματος για την επίλυση του αντίστροφου προβλήματος, η οποία και υλοποιείται με τη βοήθεια του αλγορίθμου διαφορικής εξέλιξης (Differential Evolution – DE). Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μετρήσεων μιας πραγματικής αμφίδρομης ζεύξης SpaceWire, η οποία υλοποιείται με τον iSAFT SpaceWire Simulator της TELETEL S.A. Η συγκεκριμένη μονάδα εξοπλισμού υλοποιεί όλα τα επίπεδα της ζεύξης, σε αντίθεση με την υλοποίηση των καρτών τυπωμένου κυκλώματος που χρησιμοποιήθηκε στα προηγούμενα κεφάλαια, και προσφέρει την πλήρη λειτουργικότητα συσκευών που επικοινωνούν μέσω πρωτοκόλλου SpaceWire. Οι μετρήσεις λήφθηκαν για διαφορετικά μήκη ωφέλιμου φορτίου (payload) των πακέτων και διαφορετικούς ρυθμούς δεδομένων της ζεύξης SpaceWire. Τέλος, εξάγεται ένα μοντέλο ικανό να περιγράψει τη συμπεριφορά του συστήματος με ικανοποιητική ακρίβεια, βασισμένο στη μεθοδολογία που παρουσιάστηκε στα προηγούμενα κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 7 γίνεται ανασκόπηση των αποτελεσμάτων της διατριβής και παρουσιάζονται βήματα για την επέκταση της ερευνητικής εργασίας.