Применение ПЛИС для моделирования логики функционирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов

The history of high power (up to 30 kW) xenon light source and power supply development by Ushio Inc. as well as the methods to increase lifetime of the said equipment are presented. The intended application is the thermal vacuum testing of spacecraft equipment.

Keywords: solar simulator, xenon lamp, thermal vacuum testing.

История разработки фирмой Ушио (Ushio Inc.) мощных водоохлаждаемых ксеноновых ламп для крупногабаритных имитаторов солнечного излучения для термовакуумных испытаний и источников питания восходит к 1965 г., когда компания получила заказ на специальные источники света от Японского Космического Агентства (JAXA) для имитатора солнца в Кана-гава, Япония. С тех пор Ушио выступает постоянным партнером как Японского Космического Агентства, так и Американского (NASA) и Европейского космического агентств (ESA) по данной технике. Среди достижений компании за это время следует отметить участие в разработке двух больших термовакуумных имитаторов для испытательного центра JAXA в Цукуба (Tsukuba), Япония в 1975 и 1990 гг. и большого термовакуумного имитатора для испытательного центра ESA в Ноор-двайке (Noordwijk), Нидерланды. Начиная с 1982 г. Ушио унифицирует линейку мощных водоохлаждае-мых ксеноновых источников света, создавая тем де-факто индустриальный стандарт.

Начиная с 2009 г. Ушио работает над задачей повышения срока службы источников света с 400 до 600 часов. Эта задача вызвана индустриальными потребностями непрерывного долгосрочного тестирования

оборудования (в т. ч. космической техники). Повышение срока службы источников света достигается как за счет дальнейшего улучшения конструкции самого источника света, так и доработкой источника питания.

Одним из основных факторов, влияющих на срок службы ксенонового источника света, является стабильность процесса термоионной эмиссии между катодом и анодом. Поэтому в качестве основного метода увеличения срока службы источника света был выбран метод контроля температурного профиля кончика катода для поддержания стабильной термоионной эмиссии.

В отношении источника питания основными факторами, негативно влияющими на срок службы источника света, являются: 1) высокий пусковой ток; 2) нестабильность рабочего тока; 3) недостаточная скорость реакции. Ушио решает эти проблемы посредством перехода с тиристорной схемы источника питания на схему с переключающимися регуляторами.

Таким образом, Ушио успешно вносит свой вклад в задачу термовакуумных испытаний и является ведущей индустриальной компанией в данном сегменте рынка.

© Мацубара Х., Нагорский И., Фуджина К., 2013

УДК 629.78.054:621.396.018

ПРИМЕНЕНИЕ ПЛИС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛОГИКИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Д. А. Недорезов1, А. В. Пичкалев1, О. В. Непомнящий2

1ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52. E-mail: nd@iss-reshetnev.ru

2Сибирский федеральный университет Россия, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79. E-mail: 2955005@gmail.com

Описано применение способа отработки и испытаний радиоэлектронной аппаратуры, основанного на эмуляции логики функционирования объекта испытаний в программируемых логических интегральных схемах.

Ключевые слова: отработка, испытания, радиоэлектронная аппаратура, моделирование, эмуляция, ПЛИС, наземный отладочный комплекс.

APPLICATION FPGA FOR MODELLING OF LOGIC OF FUNCTIONING OF ONBOARD RADIO-ELECTRONIC EQUIPMENT OF SPACE VEHICLES

D. A. Nedorezov1, A. V. Pichkalev1, O. V. Nepomnjashhij2

1JSC "Information Satellite Systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia. E-mail: nd@iss-reshetnev.ru

2Siberian Federal University 79, Svobodny prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russia. E-mail: 2955005@gmail.com

Application of a way of working off and tests of the radio-electronic equipment, based on emulation of logic offunc-tioning of object of tests in Field-programmable gate arrays is described.

Keywords: debug, test, radio-electronic equipment, modeling, emulation, FPGA, terrestrial debugging complex.

Контроль и испытания ракетно-космической техники

В условиях сложившейся в отечественной космической промышленности ситуации крайне актуальным становится вопрос обеспечения надежности. Для предотвращения и парирования нештатных ситуаций и отказов в ходе эксплуатации космических аппаратов (КА) необходимо особое внимание и ресурсы уделять наземной отработке и испытаниям, в первую очередь -в области космического приборостроения. В то же время все более жесткие требования предъявляются к срокам выпуска готовой продукции, ввиду чего особенно острой становится проблема скорейшего получения бортовой аппаратуры (БА) и ее лабораторных прототипов для отработки и испытаний ввиду большого объема работ, проводимых разными подразделениями разработчиков. Средством преодоления данных проблем является моделирование объектов отработки и их частей.

Современные методы моделирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) можно условно разделить на программные, аппаратные и аппаратно-программные.

Программные методы дают широкие возможности для математического моделирования самых разнообразных процессов. Но надежность такого моделирования определяется точностью алгоритмов используемых моделей, которые можно проверить только путем длительной эксплуатации и сравнения с функционированием реальной аппаратуры. Процесс мало того что длительный, так еще и не слишком предсказуемый. Усугубляется это еще и тем, что операционные системы, которые обеспечивают работу программных сред моделирования, как правило, не поддерживают так называемое «реальное время» в составе отработочного комплекса, добавляя «нюансы» собственного функционирования в «особенности» его работы.

Аппаратные средства, способные реализовать любые, самые экзотические запросы потребителей, не имея переменной составляющей, не предоставляют необходимой гибкости при конфигурировании. Особенно это сказывается при обнаружении, так сказать, «незадокументированных возможностей» отрабатываемой РЭА, когда срочно требуется поменять условия экспериментальной отработки и изменить условия моделирования.

Наибольшее распространение получили аппаратно-программные средства. Причем среди всех методов моделирования наметилась тенденция на создание многофункциональных сред, позволяющих максимально охватывать процессы отработки и испытаний РЭА. Это обусловлено потребностью в максимальной совместимости составных частей испытаний, что минимизирует трудозатраты и ускоряет отработку.

Также современная отработочная система должна включать хорошо развитое средство формализации логики - максимально дружественный испытателю интерфейс управления как программной части испытательного оборудования, так и аппаратной части, которая, в свою очередь, должна быть как можно более гибкой и функциональной.

Всем вышеперечисленным условиям отвечает разработанная в ОАО «ИСС» технология, применяемая

в наземном отладочном комплексе программного обеспечения (ПО) радиоэлектронной аппаратуры (НОК РЭА) [1], которая включает моделирование объектов отработки и испытаний. В основе технологии моделирования лежит обеспечение функционирования ПО в реальном процессорном модуле РЭА с имитацией для него реальных условий эксплуатации в составе КА. Это достигается эмуляцией обмена в реальном времени по каналам ввода-вывода, через которые объект испытаний соединен с окружающей средой.

Специальная аппаратура наземного отладочного комплекса имитирует процесс штатной эксплуатации [2]. В ее состав входят модули цифрового ввода-вывода, цифро-аналоговые преобразователи, аналого-во-цифровые преобразователи, специализированные интерфейсные контроллеры, устройства коммутации сигнала, осциллографы, СВЧ-генераторы и т. д. Причем все это оборудование изготовлено с учетом международных магистрально-модульных стандартов PCI или CompactPCI/PXI и выпускается серийно, что исключает проблемы совместимости. Высокоскоростные каналы, которые невозможно эмулировать программно, реализуются в специализированных устройствах, содержащих в своем составе программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).

Данные устройства управляются промышленным или персональным компьютером, на котором реализована автоматизированная система обработки информации и управления (АСОИУ). АСОИУ комплекса удобно реализуется в среде графической разработки ПО National Instruments LabVIEW. В данной среде можно выполнять одновременно как программирование испытательного комплекса в целом, так и проектирование структуры ПЛИС на аппаратном уровне [3; 4].

Поскольку конфигурирование ПЛИС осуществляется при помощи формализованных языков описания аппаратуры, т. е. фактически на языках программирования, следовательно, появляется возможность применения в процессе отработки и испытаний РЭА технологий, традиционно применяемых для тестирования ПО. Например, технологий мутационного или регрессионного тестирования, что открывает широкие возможности для обогащения инструментария отладки.

Подобные задачи разрешимы и с применением других аппаратно-программных средств, имитирующих логику функционирования разрабатываемой аппаратуры. Например, можно применить микроконтроллеры, также функционирующие на аппаратных скоростях. Но микроконтроллеры все же обладают меньшей гибкостью и не в состоянии изменять структуру, как ПЛИС. Микроконтроллеры содержат не-конфигурируемые аппаратные составляющие, которые могут стать избыточными при испытаниях, в тоже время может не хватить нужных элементов. В ПЛИС же возможно реализовать только те устройства, которые необходимы для стоящих задач (счетчики, компараторы, сумматоры, триггеры, таймеры, процессоры и т. п.).

Технология НОК РЭА является современным решением, позволяющим проводить качественные испытания и отработку бортовой РЭА для КА. Технология применена на практике при создании испытатель-

ных комплексов для аппаратуры бортовых комплексов управления всех современных спутников ОАО «ИСС».

Библиографические ссылки

1. Пичкалев А. В. Наземный отладочный комплекс бортовой радиоэлектронной аппаратуры // Решетнев-ские чтения : материалы XIV Междунар. науч. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2010. С. 515— 516.

2. Красненко С. С., Недорезов Д. А., Кашкин В. Б., Пичкалев А. В. Магистрально-модульная система для отработки бортовой радиоэлектронной аппаратуры // Вестник СибГАУ. 2013. № 2 (48). С. 133-136.

3. Недорезов Д. А., Пичкалев А. В. Автоматизированная проверка работоспособности модуля релейной коммутации сигнала с регистром изолированного цифрового ввода РС1-7256 : Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2012660356 от 16.11.2012.

4. Недорезов Д. А, Пичкалев А. В. Автоматизированная проверка работоспособности модуля цифрового ввода-вывода РС1-7396 : Свидетельство о регист-

рации программы для ЭВМ № 2013617243 от 06.08.2013.

References

1. Pichkalev A. V. Nazemnyj otladochnyj kompleks bortovoj radiojelektronnoj apparatury // Reshetnevskie chtenija : materialy XIV Mezhdunar. nauch. konf. ; Sib. gos. ajerokosmich. un-t. Krasnojarsk, 2010. S. 515-516.

2. Krasnenko S. S., Nedorezov D. A., Kashkin V. B., Pichkalev A. V. Magistral'no-modul'naja sistema dlja otrabotki bortovoj radiojelektronnoj apparatury // Vestnik SibGAU. 2013. № 2 (48). S. 133-136.

3. Nedorezov D. A, Pichkalev A. V. Avtomatizirovan-naja proverka rabotosposobnosti modulja relejnoj kom-mutacii signala s registrom izolirovannogo cifrovogo vvoda PCI-7256 // Svidetel'stvo o registracii programmy dlja JeVM № 2012660356 ot 16.11.2012.

4. Nedorezov D. A, Pichkalev A. V. Avtomatiziro-vannaja proverka rabotosposobnosti modulja cifrovogo vvoda-vyvoda PCI-7396 // Svidetel'stvo o registracii programmy dlja JeVM. № 2013617243 ot 06.08.2013.

© Недорезов Д. А., Пичкалев А. В., Непомнящий О. В., 2013

УДК 629

3D-МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ

А. А. Никишев, С. В. Титенков, А. С. Запорожский

ОАО «Красноярский машиностроительный завод» Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29 E-mail: Kras@krasmail.ru, KMZ-connect@ya.ru

В настоящее время разработка КД пространственных трубопроводных систем (ПТС), которые являются испытательной частью сложных технических систем, осуществляется на базе нормативно-технической документации, требующей использования бумажных носителей, рабочая КД при этом разрабатывается методом расчётов пространственных размерных цепей. Необходимо спроектировать в 3D-виде элементы испытательных систем, что позволяет выполнить переход от принципиальной схемы ПТС к натурной с обеспечением проработки большого количества вариантов взаимного расположения элементов конструкции, выполнения функции оптимальной материалоемкости, к программно-ориентированному управлению, позволяющему оптимизировать научно-производственные и технологические процессы, сократить сроки разработки, снизить затраты на поддержание жизненного цикла ПТС.

Ключевые слова: сложные технические системы, наземная инфраструктура, пространственная трубопроводная система, 3D-моделирование, сборочно-монтажное оборудование.

3D-SIMULATION AT DESIGNING SPACE PIPELINE SYSTEMS

A. A. Nikishev, S. V. Titenkov, A. S. Zaporozhsky

JSC «Krasnoyarsk Machine-Building Plant»

29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia. E-mail: Kras@krasmail.ru, KMZ-connect@ya.ru

Now the design of spaœ pipeline system documentation which is a test part of complex technical systems is carried out on the basis of the specifications and technical documentation requiring hard-copy form use. Operating design documentation is thus developed by a method of space dimension chain calculations. It is necessary to design elements of test systems in 3D-format that allows transferring from basic diagram to natural one with elaboration of considerable number of relative construction element positions, to program oriented control for optimizing scientific production