Разработка алгоритма идентификации - Дипломная работа

Кроме этого, всегда существует вероятность столкновения с природными небесными телами - метеороидами, движущимися в межпланетном пространстве, и по размеру занимающими промежуточное положение между межпланетной пылью и астероидом. В результате столкновения космического объекта с корпусом станции может произойти разгерметизация модулей станции, которая представляет собой реальную опасность, в результате которой необходимо мгновенное принятие решения, чтобы устранить течь. Печальный опыт разгерметизации модулей станции в истории пилотируемой космонавтики был, когда произошла разгерметизация модуля «Спектр» космической станции «Мир». В связи с этим при проектировании новых пилотируемых космических модулей и эксплуатации уже существующих должна учитываться возможность пробоя гермооболочки в результате столкновения с техногенной частицей или микрометеороидом. Полученный на станции «Мир» при разгерметизации модуля «Спектр» опыт, показал необходимость повышения эффективности способов обеспечения живучести станции при ее разгерметизации.Подзадачами космического эксперимента «Пробой» являются получение характеристик постоянно действующих помех в реальных условиях полета для настройки пороговых уровней срабатывания системы оперативного определения координат точки пробоя, идентификация источников импульсных акустических сигналов, действующих на борту СМ, определение характеристик воздушной среды в СМ, влияющих на скорость распространения звуковых волн и верификация метода оперативного определения координат точки пробоя с помощью имитатора звуковой волны пробоя в натурных условиях полета. Принцип действия системы оперативного определения координат пробоя основан на измерении разновременности прихода акустической волны от точки удара к акустическим датчикам (микрофонам), расположенным в различных точках гермоотсека по определенной схеме (на способ и схему размещения датчиков имеются патенты [1, 2]), и расчете координат источника акустической волны на основании этих данных. Возможность регистрации акустических волн пробоя и определения координат пробоя подтверждена в наземных испытаниях, в которых исследовались акустические волны при натурном пробое элементов конструкции КА для скоростей соударения до 7 км/с. Характеристики акустической волны, получаемой в имитаторе, близки к характеристикам акустической волны пробоя, что подтверждено в наземных экспериментах по натурному пробою элементов конструкции КА. Научная аппаратура КЭ «Пробой» состоит из двух независимых регистрирующих блоков: БПАС (рисунок 1), АР (рисунок 2) с вторичными источниками питания, комплекта микрофонов в адаптерах, имитатора пробоя (рисунок 3).Каждый такой импульс содержит как область повышенного, так и область пониженного давления. На рисунках 7 и 8 показан импульс в разных масштабах времени, а на рисунке 9 - спектр данного импульса. Метод определения координат точки пробоя (равно как и любого другого акустического импульса) основан на конечности скорости звука и определении разницы во времени прихода фронта акустической волны на разные датчики. В ночное же время над уровнем фона превышают в основном только импульсы от срабатывания клапанов БВК каждые 15 минут. Это привело к аномальному количеству записей импульсов: за t2 = 91,66 суток длительных сеансов было зарегистрировано m2 = 387 000 импульсов, в то время как за t1 = 0,53 суток 13-14 ноября 2015 зарегистрировано m1 = 725 700 импульсов.Для сопоставления двух и более сигналов по спектру и уровню проще и нагляднее сравнивать не сами сигналы, а их спектры. Во-первых, она учитывает только разницу в спектрах, а не в суммарных уровнях, так как на значение косинуса угла между векторами не оказывает влияние их длина. То есть нельзя различить источники с похожим спектром и разными суммарными уровнями сигнала. Действительно, если источники отличаются только по уровню сигнала, но схожи по спектру, тогда радиус-вектора их импульсов будут направленны в одну сторону, но различаться по длине, и чем больше будет различие по уровню, тем дальше будут разнесены концы радиус-векторов. Если же источники близки по суммарному уровню, но различаются по спектру, тогда радиус-векторы их будут направленны в разные стороны, и чем больше будет различие по спектрам, тем дальше будут разнесены концы радиус-векторов.Следовательно, передний фронт волны звукового импульса на датчики, разнесенные в пространстве, придет в разные моменты времени и с разным суммарным уровнем звукового давления. Значит, учтя разницу в моментах времени прихода переднего фронта звукового импульса от источника и разницу в уровнях звукового давления для группы импульсов по множеству датчиков, можно определить, пришли ли импульсы от источников, локализованных в различных точках пространства или нет. Ввиду того, что пространство внутри модуля РС МКС содержит различные поверхности, которые могут отражать или пропускать звуковые волны (например, панели интерьера), теоретически может сложиться (хотя и маловероятна при достаточном количестве датчиков) такая ситу

СОДЕРЖАНИЕ

Определения, обозначения и сокращения

Введение

1. Научная аппаратура СОКП и исходные данные для анализа

1.1 Состав и принцип работы аппаратуры

1.2 Исходные научные данные для анализа

2. Выбор параметров идентификации

2.1 Выбор параметров корреляционного анализа

2.2 Выбор параметров Фурье-анализа

3. Алгоритм корреляционного анализа

3.1 Разработка алгоритма корреляционного анализа

3.2 Применение алгоритма корреляционного анализа

Заключение

Список использованных источников

Приложение 1. Реализация алгоритма Фурье-анализа на языке С

Приложение 2. Реализация алгоритма корреляционного анализа на языке С#

Определения, обозначения и сокращения

АСУ - ассенизационное санитарное устройство

АР - автономный регистратор

БВК - блок вакуумных клапанов

БПАС - блок преобразования акустических сигналов

ВГК - внешний гидравлический контур

ГЖТ - газожидкостный теплообменник

ИУС - информационно-управляющая система

КА - космический аппарат

КС - комплексный стенд

КЭ - космический эксперимент

МКС - Международная Космическая Станция

НА - научная аппаратура

НПО ИТ - Научно-производственное объединение измерительной техники

ПО - программное обеспечение

ПРК - переходная камера

ПХО - переходный отсек

РКК - Ракетно-космическая корпорация

РО - рабочий объем

РС - российский сегмент

СКВ - система кондиционирования воздуха

СМ - служебный модуль

СОКП - средства оперативного определения координат точки пробоя

СОТР - система обеспечения теплового режима

СПН - сменная панель насосов

СУБА - система управления бортовой аппаратурой

ЦПК - Центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина

ЦУП - центр управления полетом

УТМ - учебно-тренировочный макет

ФГУП ЦНИИМАШ - Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт машиностроения

В настоящее время все более актуальной становится проблема возрастающей засоренности околоземного космического пространства космическим мусором. В связи с чем, вероятность столкновения космической станции с различными техногенными частицами также возрастает. Кроме этого, всегда существует вероятность столкновения с природными небесными телами - метеороидами, движущимися в межпланетном пространстве, и по размеру занимающими промежуточное положение между межпланетной пылью и астероидом.

Контроль за космическим мусором вокруг МКС идет постоянно, и при необходимости специалисты ЦУП «заставляют» МКС делать маневр «Уклонение от осколков».

В результате столкновения космического объекта с корпусом станции может произойти разгерметизация модулей станции, которая представляет собой реальную опасность, в результате которой необходимо мгновенное принятие решения, чтобы устранить течь.

Печальный опыт разгерметизации модулей станции в истории пилотируемой космонавтики был, когда произошла разгерметизация модуля «Спектр» космической станции «Мир». Тогда найти место разгерметизации модуля и восстановить его работу не удалось.

В связи с этим при проектировании новых пилотируемых космических модулей и эксплуатации уже существующих должна учитываться возможность пробоя гермооболочки в результате столкновения с техногенной частицей или микрометеороидом. Вероятность непробоя гермооболочки МКС даже при усиленной экранной защите модулей оценивается величиной на уровне 0,85 в течение 15 лет эксплуатации.

На Российском сегменте МКС в настоящее время имеются течеискатели, которые позволяют лишь при сканировании всей поверхности пилотируемого модуля определять точку пробоя. Полученный на станции «Мир» при разгерметизации модуля «Спектр» опыт, показал необходимость повышения эффективности способов обеспечения живучести станции при ее разгерметизации. Особенно это касается оперативности определения места пробоя.

При образовании небольших отверстий (площадью не более нескольких единиц и десятков мм2) существует техническая перспектива заделки отверстия силами экипажа. Основным условием при этом является оперативное определение координат места пробоя (удара), позволяющее свести к минимуму время для принятия решения о необходимых действиях экипажа.

В настоящее время на РС МКС проводятся космические эксперименты «Отклик» и «Пробой». В КЭ «Отклик» исследуется возможность определения места соударения гермооболочки космического модуля путем анализа волн вибраций, распространяющихся по самому гермокорпусу модуля, а в КЭ «Пробой» - посредством анализа акустических волн, распространяющихся в воздушной среде модуля.

Космический эксперимент «Пробой» проводится с целью верификации метода оперативного определения координат точки пробоя. Подзадачами КЭ «Пробой» являются изучения собственной акустической обстановки и идентификация постоянно или периодически действующих на борту РС МКС источников импульсного акустического шума. Данная идентификация необходима в связи с потребностью отсеивать известные сигналы работы бортовой аппаратуры от потенциально возможных сигналов реального пробоя. Изучение акустической среды в РС МКС необходимо для учета всех параметров при проектировании штатной системы, максимизации точности и устойчивости решений.

Шумящее оборудование на борту РС МКС включает в себя насосы СПН и ГЖТ ВГК СОТР, клапаны БВК, элементы системы АСУ, циркуляционные и комфортные вентиляторы, компрессор и вентилятор СКВ, различная научная аппаратура и многое другое. Также дополнительными источниками акустических импульсов являются действия самих космонавтов: занятия на беговой дорожке, приготовление пищи, работа с приборами, открытие и интерьерных панелей и дверей кают, разговоры с Землей и между собой. Спектры звуков защелок интерьерных панелей были отдельно исследованы на УТМ в ЦПК им. А.Ю. Гагарина.

Распознавание сигналов широко используется в различных сферах человеческой деятельности: в сейсмологии [3, 4], океанологии [5], кардиологии, сфере IT [6, 7, 8] и многих других.

При цифровом распознавании сигналов используются различные методы: сингулярные разложения [9], метод главных компонент [10], спектральный анализ и анализ фурье-методами [11, 12], корреляционные методы [12], вейвлет-преобразования [13, 14].

Целью данной работы является идентификация источников импульсного акустического шума, действующих на борту РС МКС, для дальнейшей доработки научной аппаратуры «СОКП» и создания штатной системы.

Задачей работы является разработка алгоритма, позволяющего эффективно различать импульсные шумы от различной бортовой аппаратуры, его реализация в программном коде и применение для анализа научной информации, полученной в ходе КЭ «Пробой».

Объектом данного исследования являются действующие на борту источники импульсных шумов, а предметом исследования - алгоритм их идентификации.

В первом разделе работы описан научная аппаратура «СОКП», ее устройство и принцип работы, а также формируемые ею в ходе КЭ «Пробой» данные для последующего анализа.

Во втором разделе проанализированы критерии, по которым следует идентифицировать источники импульсного акустического шума, произведен выбор параметров анализа.

В третьем разделе описан алгоритм, который позволяет разделять импульсные сигналы на группы, различного происхождения, и приведены результаты его применения к научной информации, полученной в ходе КЭ «Пробой» в период с декабря 2014 года по ноябрь 2015 года.

В приложениях приведены листинги реализаций двух составных частей алгоритма в программном коде.