СПОСОБ ТЕСТИРОВАНИЯ КАНАЛА УПРАВЛЕНИЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРОЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF TESTING THE CONTROL CHANNEL OF SPACE VEHICLE ON-BOARD EQUIPMENT.

Изобретение относится к области дистанционного управления многоцелевой аппаратурой по результатам приема и анализа соответствующей телеметрической (ТМ) информации, в частности к области управления космическими аппаратами (КА).
В патенте US 4545013 "Усовершенствованное тестирование сети связи и система управления" описан стандартный способ тестирования сети связи. Согласно патенту центральная система управления, связанная с множеством отдаленных пунктов связи, автоматически контролирует сеть, включающую все свои составляющие элементы, и регулярно корректирует состояние каждого элемента. Центральная система управления выполняет автоматическое тестирование на выбранных пунктах связи в сети без необходимости вмешательства оператора. Кроме того, существует обеспечение ручных команд оператора для выполнения определенных тестирований и контроля.
Как описано выше, стандартные способы тестирования контролируют каждый пункт связи с использованием центральной системы управления, связанной с множеством пунктов связи. Стандартные способы тестирования, однако, являются трудными для применения в системе, включающей сложные подсистемы и множество элементов. Кроме того, способ не позволяет тестировать множество систем одновременно и выводить результаты, которые не классифицируются согласно системе перед выводом данных.
Известен способ диагностики сложных радиоэлектронных устройств (RU 2265236, G05B 23/02), основанный на поочередной подаче на входы контролируемого устройства предварительно сформированных совокупностей входных тестовых сигналов и использовании в качестве критериев исправности схемы устройства эквивалентных им совокупностей сигналов отклика на выходах контролируемого устройства. Для каждой совокупности входных тестовых сигналов предварительно формируют эквивалентные им совокупности сигналов отклика для промежуточных точек, соответствующих выходам каскадов ветвей схемы контролируемого устройства, совокупности сигналов отклика идентифицируют с типом составной части контролируемого устройства, с геометрическим положением данной составной части на поверхности печатной платы контролируемого устройства и с ветвью функциональной схемы контролируемого устройства, для промежуточных точек которой сформированы указанные сигналы, подают сочетания тестовых входных сигналов на входные контакты контролируемого устройства, получают эквивалентные сигналы откликов с выходных контактов контролируемого устройства, сравнивают параметры измеренных сигналов отклика с параметрами предварительно сформированных эталонных сигналов отклика для данного типа контролируемого устройства, определяют степень совпадения измеренных и эталонных сигналов отклика, при выявлении несовпадений фиксируют номера выходных контактов с несовпавшими сигналами и определяют ветвь функциональной схемы контролируемого устройства, содержащую неисправность.
Недостатком способа является отсутствие возможности тестирования программных составляющих комплекса.
Известен способ контроля и диагностики пневмогидравлического объекта (Патент РФ №2133055, G05B 23/00, 1999), заключающийся в том, что в процессе контроля циклически измеряют параметры в основных контрольных точках объекта, сравнивают их с пороговыми значениями. При выходе параметров в основных контрольных точках за пороговые значения фиксируют отказ и проводят его локализацию, т.е. поиск отказавшего узла, для чего фиксируют временную последовательность выхода параметров и в этой последовательности измеряют параметры в дополнительных контрольных точках, вычисляют по ним обобщенные характеристики узлов, составляющих объект, сравнивают их со своими пороговыми значениями. По результатам сравнения определяют отказавший узел, обобщенная характеристика которого вышла за пороговые значения.
Недостатком способа является необходимость обработки значительного объема информации и необходимость определения значительного количества основных и дополнительных контрольных точек.
Известен также способ определения состояния цифровых устройств (Патент РФ №2120656, G05B 23/00, Н05K 13/08, 1998), включающий формирование случайной цифровой последовательности, ее преобразование по установленному закону в цифровом устройстве и осуществление преобразований сигналов, по результатам которых принимается решение о состоянии устройства. В способе предложены преобразования сигналов, позволяющие обнаруживать сбои и перемежающиеся одиночные и кратные отказы.
Недостатком способа является необходимость проведения сложных математических расчетов, а также возможность определения состояния только аппаратной части цифровых устройств.
Известно устройство и способ контроля управляющей программы вычислителя (патент РФ №2300795, G05B 23/00), принятый в качестве прототипа. Способ заключается в том, что вектор управляющих воздействий, сформированный модифицированной программой, подают на информационную модель объекта управления, которая в качестве своих первоначальных состояний предъявляет модифицированной управляющей программе векторы состояний, взятые из базы тестовых примеров, отличающийся тем, что при этом продолжают управление объектом немодифицированной программой, защиту объекта управления от воздействия возможных программных ошибок обеспечивают благодаря использованию информационной модели объекта управления, реализованной в виде искусственной нейронной сети, обеспечивают автоматическую генерацию тестовых примеров на основе обучающей выборки для нейронной сети для тестирования модифицированной управляющей программы, задают процесс тестирования, при котором определяют значения параметров, адекватно описывающих состояние объекта управления, и по результату вычисления комплексного показателя эффективности принимают решение о постановке модифицированной управляющей программы на выполнение для управления объектом.
Недостатком способа является отсутствие возможности определения состояния аппаратной части управляющего комплекса.
Задачей предлагаемого изобретения является сокращение стоимости и сроков предполетных испытаний, повышение качества и надежности тестирования канала управления, а также использование реальных средств управления и средств имитаторов аппаратуры и систем космического аппарата (КА) для решения проблемных ситуаций функционирования реального КА в процессе его эксплуатации.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом изобретении формируют комплекс моделей аппаратно-программных средств-имитаторов аппаратуры и систем КА, способных принимать команды управления и генерировать ТМ-информацию, не отличимую для оператора центра управления полетом (ЦУП) от реальной ТМ-информации, замыкают на модели-имитаторы реальные аппаратно-программные средства ЦУП по управлению КА и приему ТМ-информации и в соответствии с документацией по управлению КА, со штатного терминала ЦУП выдают команды управления, определяющие любые предусмотренные документацией режимы функционирования спутника, и анализируют соответствующую ТМ-информацию.
Канал управления бортовой аппаратурой космического аппарата включает аппаратно-программные средства центра управления полетом, аппаратно-программные приемо-передающие средства наземного комплекса управления (НКУ) и аппаратно-программные средства космического аппарата, конкретно бортового комплекса управления (БКУ) с реальным бортовым программным обеспечением (БПО), отработанным при тестировании БПО в процессе наземной предполетной подготовки и испытаний.
БКУ является составной частью каждого КА и предназначен для управления аппаратурой КА. БКУ обеспечивает реализацию автономного управления и контроля бортовыми системами КА в реальном масштабе времени, осуществляет непрерывный контроль работоспособности всех бортовых систем, их аппаратное и функциональное резервирование, а также оптимизацию их работы. С целью сокращения потоков управляющей и контрольно диагностической информации БКУ построен по иерархическому принципу, причем аппаратура БКУ нижних уровней входит непосредственно в состав бортовых систем и является блоками управления (БУ) последних.
Способ осуществляют следующим образом.
Аппаратно-программные модели систем спутника (АПМСС) должны обеспечивать достаточные средства для проверки готовности наземной операционной системы к выполнению своих главных функций по обработке телеметрии, выдаче команд и отображению данных. С целью приемки и верификации АПМСС должна быть обеспечена возможность оперативного слежения, с записью необходимых данных и состояний для последующего анализа. А также должны быть предусмотрены соответствующие средства для этого анализа.
АПМСС должны полностью представлять характеристики КА в том виде, в котором КА выглядит для оператора ЦУП на всех этапах полета, следующих за завершением этапа отделения от ракеты-носителя, и отвечать на все команды и давать соответствующий отклик в телеметрии. Поток телеметрических данных должен иметь достаточный реализм для выработки у персонала ЦУП верного понимания поведения КА в штатных и нештатных ситуациях.
АПМСС должны реалистично моделировать подмножество отказов и нерабочих режимов, определенных в документации по управлению КА. Имитация отказов должна быть реализована простой выдачей команд с консоли оператора ЦУП. Уровень требуемого реализма варьируется для каждой подсистемы КА. Влияние отказов в одной подсистеме на другую подсистему или подсистемы должно реалистично моделироваться. Взаимозависимость между подсистемами может моделироваться на простейшем уровне (например - подъем температуры при включении аппаратуры, увеличение энергопотребления и т.д.) так, как имитируемые характеристики КА определены в штатных и нештатных ситуациях и описаны в документации по управлению. АПМСС должны иметь интерфейс с наземной системой на уровне передачи кадров телеметрии и команд.
Все модели должны работать в реальном времени. Под реальным временем понимается генерация потока телеметрических данных, ожидаемого оператором ЦУП и соответствующего потоку от реального КА. Предусматривается возможность задать замедленный или ускоренный режим.
Требуется имитировать все этапы функционирования КА, от момента после отделения от ракеты-носителя до конца существования. Должно быть возможным задать любую эпоху и элементы орбиты для инициализации путем изменения в меню данных, заданных по умолчанию. В результате имитация должна соответствовать этим условиям.
Для хорошего понимания реакции контуров управления требуется тщательная имитация управления положением и динамики положения для обеспечения верного воспроизведения телеметрии датчиков и исполнительных устройств так, как действует автоматика КА.
АПМСС должны моделировать все режимы работы систем КА как автономные, так и с управлением от НКУ. Все телеметрические данные должны генерироваться. Все программируемые функции бортовых компьютеров должны полностью имитироваться, как требуется в штатных и нештатных ситуациях, предусмотренных документацией по управлению.
Функции кодирования телеметрии и телекоманд требуют точной имитации, в особенности в отношении тактов времени. Все функции мониторинга команд должны точно моделироваться. Все протоколы команд должны поддерживаться. В случае ошибки команды, если ее отвергает КА, то ее должны отвергнуть и модели аппаратуры КА.
Температура тех блоков, характеристики которых зависят от температуры, должна вычисляться.
Модели управляются через блок отображающих экранов, позволяющих отображать все бортовые данные, телеметрические данные и управлять потоками данных и входной информацией. Терминалы, используемые для этих целей, не обязательно должны быть локальными для имитационного компьютера. Следующие функции должны быть осуществимы с консоли оператора ЦУП:
- запуск, приостановка, завершение работы моделей в целом или модулей имитационного программного обеспечения с учетом взаимодействия систем КА;
- управление текущей имитацией ручным вводом в имитационный процесс, такое как ввод телекоманд с использованием кодов командных функций, определенных в документации по управлению КА.
Должна быть обеспечена возможность группировать телекоманды в процессе имитации. Должна быть обеспечена возможность выдавать телекоманды, минуя любое эхо подсистемы телекоманд в телеметрии, с целью сделать невидимой выдачу телекоманд для оператора ЦУП, вовлеченного в процесс имитации. Модели должны исполнять только те телекоманды, которые исполняются реальным КА в том же состоянии.
Все отказы должны иметь надлежащую причину. Например, превышение напряжения на шине должно быть вызвано особым блоком, выключение которого снимает перенапряжение, а включение - вызывает.
Должен существовать файл протокола, который содержит всю входную информацию, влияющую на ход моделирования, такую как телекоманды, активация и удаление отказов, покрытие наземных станций, вход и выход из затмения, измененные ТМ значения, инициализации и т.д. Средства мониторинга должны обеспечивать возможность отображения в графической и текстовой форме обработанной телеметрии КА в реальном времени в режиме моделирования. Должна быть возможность работы моделей в автономном режиме, т.е. без присоединения к НКУ.
Таким образом, отличием предлагаемого способа является то, что с целью повышения качества и надежности тестирования канала управления используют модель аппаратуры бортового комплекса управления (БКУ) с реальным бортовым программным обеспечением (БПО), отработанным при тестировании БПО. При этом для функционирования реального БПО разрабатывается модель-эмулятор бортового компьютера, зачастую различного для разных спутников.
Наличие высокоточных моделей аппаратно-программных средств-имитаторов аппаратуры и систем КА позволяет проигрывать варианты управления реальным КА в процессе его эксплуатации при нештатных ситуациях и при отказах бортовой аппаратуры КА.