СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТАМИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
METHOD OF SPACE FLIGHT CONTROL

Изобретение относится к области автоматизированных систем управления подвижными объектами, а именно к средствам наблюдения или слежения за полетами космических аппаратов научного и социально-экономического назначения (КА НСЭН). Изобретение может быть использовано при создании в центрах управления полетами (ЦУП) информационно-вычислительных комплексов (ИВК) секторов управления перспективных КА НСЭН.
Известны способы обеспечения управления полетами автоматических КА НСЭН, которые реализуются аппаратно-программными средствами (АПС) в рамках секторов управления существующих и перспективных КА НСЭН. Сектор управления является основной функционально-структурной единицей ЦУП для обеспечения управления полетом КА определенного типа.
Так, курируемые Роскосмосом КА НСЭН: «Фотон-М», «Ресурс-ДК1», «КОРОНАС-ФОТОН», а также планируемые к запуску КА «Канопус-В, «Электро-Л», орбитальная группировка КА «Луч» и другие перспективные КА имеют собственные ЦУП КА [1, 2, 3] и ИВК, реализующие соответствующие способы обеспечения управления полетами [1, п.7.9.2, стр.32]. Кроме этого, в РФ имеются ЦУПы и КА, не курируемые Роскосмосом. Например, создан ЦУП для обеспечения управления полетами КА «Ямал» [6], предназначенный для решении целевых задач в интересах ОАО «Газпром», а также ЦУП КА «Монитор-Э» и др.
Отличительной особенностью (недостатками) способов обеспечения управления КА, не курируемых Роскосмосом, является невозможность управления КА разных типов из одного ЦУП, причем используемые в разных ЦУП аппаратно-программные средства не унифицированы и не взаимозаменяемы из-за разнообразия применяемых в них технических и программных платформ [1, 3, 6].
Анализ способов обеспечения управления полетами (способов-аналогов) КА НСЭН типа «Фотон-М», «Ресурс-ДК1», «Стерх», «Канопус-В», «Электро-Л», «Луч» показывает, что создаваемые Главными конструкторами КА НСЭН сектора управления (и, соответственно, ИВК) обеспечивают управление полетами только определенного типа КА, отличаются разнообразием используемых аппаратно-программных средств, реализующих способы обеспечения управления и ориентированы, в основном, на использование соответствующих радиотехнических средств контрольно-измерительных систем (КИС) типа «Куб-Контур», «Компарус», «Клен», «Тамань-База», «Дока» и другие (см. Приложения А и Б), которые по сути являются также собственной разработкой Главных конструкторов и не обладают свойствами унификации [1-3, 6].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу обеспечения управления полетами КА НСЭН является способ, реализованный на основе созданного в ЦУП ЦНИИмаш ИВК ЦУП КА «Коронас-Фотон» [1, стр.32; 3, стр.75, рис.3.1], по совокупности существенных признаков принятый за ближайший аналог изобретения (прототип).
Структура системы, реализующей способ-прототип, обеспечивается созданным ИВК в секторе управления КА «Коронас-Фотон» (фигура 1) и заключается в следующем. Информационно-вычислительный комплекс построен на базе специализированных серверов, кластера серверов БД и АРМ на базе ПЭВМ.
На фигурах 1 и 2 приведены структурные схемы ИВК управления КА НСЭН и унифицированного ИВК КА НСЭН соответственно. Элементы 17 и 18 в состав ИВК не входят. На фиг.1 обозначено:
1 - баллистический ИВК; 2 - командный ИВК; 3 - телеметрический ИВК;
4 - ИВК моделирования и информационного обеспечения полетов (МИОП);
5 - комплекс внешних информационных обменов;
6 - информационные средства отображения;
7 - локальная вычислительная сеть;
8 - АРМ реализации сеансов связи;
9 - АРМ анализа телеметрической информации;
10 - АРМ управления коллективных средств отображения;
11 - серверы баз данных;
12 - АРМ балллистико-навигационного обеспечения (АРМ БНО);
13 - АРМ командно-программного обеспечения (АРМ КПО);
14 - АРМ планирования;
15 - АРМ обмена;
16 - АРМ планирования сеансов связи;
17 - комплекс приема-передачи командно-программной информации;
18 - узел связи;
19 - сектор управления КА определенного типа.
Заложенный способ обеспечения управления полетами КА реализуют так, что активируемые прикладные программные процедуры по обработке на специализированных ИВК (баллистическом 1, командном 2, телеметрическом 3, моделирования и информационного обеспечения полетов - МИОП 4) стандартной баллистической и телеметрической информации, по составлению долгосрочных и суточных планов полета, по проведению автоматизированной диагностики бортовой аппаратуры, по формированию списков разовых команд и программ сеансов связи, инициируют в секторе управления КА 19 последовательно для каждого конкретного КА, при этом осуществляют присущие данному управляемому КА использование аппаратно-программных средств (АПС) секторов управления 19 для обработки специфической информации, и для информационного взаимодействия со специализированными ИВК 1, 2, 3, 4.
Таким образом, в результате анализа установлено, что основным недостатком существующего способа обеспечения управления КА типа «Коронас-Фотон» является невозможность обеспечить управление полетом орбитальной группировки (ОГ) разнотипных КА НСЭН, которое требует одновременного инициирования и выполнения стандартных программных процедур и использования унифицированных средств ИВК.
Техническим результатом изобретения является реализация способа обеспечения управления полетами разнотипных КА НСЭН, реализуемого с помощью ИВК унифицированного типа и приводящего в итоге к упрощению структуры ИВК и к удешевлению стоимости его развертывания.
Указанный технический результат достигается тем, что при создании унифицированного ИВК в его структуру закладывается принцип унификации, заключающийся в выделении из состава секторов управления КА НСЭН некоторой общей части аппаратно-программных средств и методико-алгоритмического обеспечения, пригодных к использованию без ограничений при обеспечении управления полетами КА НСЭН практически любого типа.
Унификация рассматриваемого ИВК обеспечивается выделением единого для всех секторов управления сегмента локальной вычислительной сети 7 (ЛВС) путем интеграции специализированных ИВК 1, 2, 3, 4, а также КВИО 5 и ИСО 6 секторов управления 19. При этом интеграцию специализированных ИВК, а также информационное взаимодействие между указанным сегментом 7 ЛВС и АПС секторов управления 19 по обработке специфической информации, свойственной каждому типу КА, обеспечивают коммуникационными средствами сегмента ЛВС 7. Структура унифицированного ИВК, реализующего предлагаемый способ обеспечения управления разнотипными КА НСЭН, представлена на фигуре 2.
Обозначенные на фигуре 2 компоненты унифицированного ИВК КА НСЭН имеют те же названия, что и на фигуре 1.
Для построения единого сегмента локальной вычислительной сети используются те же аппаратно-программные средства специализированных ИВК: командного, телеметрического, баллистического, ИВК МИОП, КВИО, средства ЛВС и связи, техническая реализация которых основывается на единой аппаратно-программной платформе [1, 2].
Прием и обработка телеметрической информации (ТМИ) осуществляется средствами телеметрического ИВК: прием и обработка полных пакетов (ПП) ТМИ по ВОЛС и с использованием спутниковых систем связи (ССС).
Отображение полетной информации для КА любого типа осуществляется в зале управления средствами комплекса ИСО и индивидуальных ИСО.
Специальное программное обеспечение (СПО) в составе баллистико-навигационного обеспечения (БНО), командно-программного обеспечения - КПО в части планирования полета КА, телеметрического обеспечения - ТМО в части обработки телеметрической информации, анализа состояния функционирования бортовой аппаратуры, ИСО, информационных обменов разрабатывается с использованием базовых модулей. Существующее в настоящее время базовое СПО ориентировано на реализацию способов по обеспечению работы с несколькими КА от одного рабочего места при условии осуществления определенных настроек и назначения соответствующих прав доступа. Использование единого базового СПО является также признаком унификации [1, 2].
Реализация изложенного подхода предоставляет возможность осуществления одновременного управления несколькими разнотипными КА из одного зала управления. Дополнительные рабочие места специалистов групп анализа и реализации, при необходимости, организуются в любом близлежащем помещении. Для управления разноплановыми КА необходимо выделение отдельного помещения для группы планирования со своими техническими средствами и свой кластер БД.
Итак, в состав унифицированного ИВК обеспечения полетов орбитальной группировки разнотипных КА НСЭН входят выделенный из аппаратно-программных средств секторов управления единый сегмент ЛВС в составе специализированных ИВК: баллистического, командного, телеметрического, ИВК МИОП, а также средств КВИО, средств ЛВС и связи, построенных на единых аппаратных и программных платформах и функционирующих по единым протоколам. Причем остальная часть средств секторов управления - серверы БД 11 и АРМ 12-16 на базе ПЭВМ, объединена в специфическую часть, которая в свою очередь, интегрирована коммуникационными средствами ЛВС с унифицированной частью в виде единого сегмента для решения специфических задач, свойственных каждому типу КА НСЭН.
Способ обеспечения управления полетами КА НСЭН, реализуемый унифицированным ИВК (на едином для всех секторов управления сегменте ЛВС) за счет планирования и соответствующей динамики инициирования и выполнения программных процедур по управлению полетом ОГ разнотипными КА НСЭН, отличается необходимостью и возможностью одновременного (параллельного) их выполнения. Отличие данного способа от прототипа касается не только динамикой процесса выполнения программных процедур, но и организационно-структурной части построения ИВК. А именно, при создании и развертывании унифицированного ИВК достигаемая экономия обеспечивается с учетом выделения так называемой унифицированной части аппаратно-программных средств - единого для всех секторов управления сегмента ЛВС в составе баллистический, командный, телеметрический, моделирования и информационного обеспечения полетов для всех секторов управления. Для примера, пусть имеется N секторов управления КА НСЭН, тогда при создании унифицированного ИВК за счет выделения единого сегмента ЛВС, интегрированного на основе специализированных ИВК из общей совокупности N секторов управления КА НСЭН, экономия ΔЭ выражается как:
,
где:
in
ИВК - стоимость i-го специализированного ИВК в n-м секторе управления;
I - количество специализированных ИВК;
М - количество специализированных ИВК в унифицированном ИВК;
N - количество секторов управления.
Экономия ΔЭ при создании унифицированных ИВК вычисляется с учетом стоимости специализированных ИВК и конкретных их моделей, удовлетворяющих предъявляемым суммарным требованиям секторов управления по быстродействию, объемам оперативной и внешней памяти. Как видно из аналитического выражения, величина экономии ΔЭ возрастает с увеличением количества n объединяемых секторов управления КА НСЭН.
Источники информации
1. Материалы системного проекта «Проблемы и направления решения задач по развитию перспективных космических средств для дальнейшего исследования и освоения космического пространства» в части предварительной проработки проблем и направлений их решения. Книга 7, часть 2, «Управление космическими аппаратами. Центры управления полетами КА». ФГУП «ЦНИИмаш», инв. 851-2112/09-7.9-2009-8013-01.
2. Научно-технический отчет «Исследования по созданию аппаратно-программных средств универсальных ИВК планирования полета КА и анализа состояния и функционирования бортовой аппаратуры. Разработка рациональных стратегий управления перспективной ОГ КА НСЭН», НИР "Магистраль-2". ФГУП «ЦНИИмаш», инв №851-2112/09-2.3-806300-2009-148.
3. Космический комплекс «Коронас-Фотон», справочные материалы. Москва, ФГУП «ВНИИЭМ», 2008 г.
4. Материалы большой космической энциклопедии. Сайт в Интернете - http://claw.m/a-kosmos/main.html.
5. Материалы космической энциклопедии. Сайт в Интернете -http://kosmos.claw.ru/shared/510.html.
6. Центр обработки и отображения полетной информации КА «Ямал». Сайт в Интернете - http://coopi.khrunichev.ru/main.php?id=289.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Материалы приложений А и Б выполнены на основе источников [1-3]. Обозначения и сокращения (общие с Приложением Б)
АПС аппаратно-программные средства
БА бортовая аппаратура
БД база данных
БИВК баллистический информационно-вычислительный комплекс
БКУ бортовой комплекс управления
БНИ баллистико-навигационная информация
БНО баллистико-навигационное обеспечение
БСУ большая система управления
БШВ бортовая шкала времени
ВОЛС волоконно-оптические линии связи
ГОГУ главная оперативная группа управления
ИВК информационно-вычислительный комплекс
ИОК информация обратного канала
ИСО информационные средства отображения
ИТНП информация текущих навигационных параметров
КА космический аппарат
КА НСЭН космический аппарат научного и социально-экономического назначения
КВИО комплекс внешних информационных обменов
КИВК командный информационно-вычислительный комплекс
КИС комплекс измерительных систем
КПИ командно-программная информация
КСА комплекс систем автоматизации
КСО комплекс средств отображения
ЛВС локальная вычислительная сеть
ЛКИ летно-космические испытания
МИОП моделирование и информационное обеспечение полетов
МКА малый космический аппарат
МКСР многофункциональная космическая система ретрансляции
МССПД мультисервисная система связи и передачи данных
МУКТ мобильный универсальный комплекс управления
НКПОР наземный комплекс программной обработки и распределения
НКУ наземный комплекс управления
НАКУ наземный автоматизированный комплекс управления
НИП наземный измерительный пункт
НС наземная станция
НТО научно-технический отчет
ОС операционная система
ОСПО общесистемное программное обеспечение
ПК персональный компьютер
ПСС планирование сеанса связи
ПП полный поток
ППИ пункт приема информации
РКО радиоконтроль орбиты
РП рабочая программа
РС МКС российский сегмент международной космической станции
СЕВ система единого времени
СМКА сверхмалый космический аппарат
СОД АСОИ система обмена данными автоматизированной системы обмена информацией
СОС система ориентации и стабилизации
СПО системное программное обеспечение
СПП суточный план полета
СУБД система управления базой данных
ТМИ телеметрическая информация
ТМИВК телеметрический информационно-вычислительный комплекс
УС узел связи
ФКП федеральная космическая программа
ЦКП центр коммутации пакетов
ЦМ центр масс
ЦУП центр управления полетами
ЦУРС центр управления ретрансляцией и связью.
Состав аппаратно-программных средств секторов управления КА НСЭН
Сектор управления КА «Фотон-М» создан ЗАО «Космосервис» (ОАО «НИИ ТП») для работы с наземной станцией (НС) комплекса измерительных систем (КИС) типа «Куб-Контур», ориентирован на работу с наземными средствами Министерства Обороны (МО) РФ. ИВК КА «Фотон-М» построен с использованием сервер-ориентированной архитектуры, где в качестве серверов применяются UNIX-машины. Центральными элементами этой архитектуры являются сервер базы данных и сервера приложений, а в качестве рабочих мест операторов используются сетевые терминалы. На серверах развернута ОС DG/UX фирмы Data General и система управления базой данных (СУБД) Oracle v.7.0. Для обмена информацией ИВК с НС КИС и внешними абонентами используется машина связи (ПЭВМ), а для приема полных потоков (ПП) ТМИ - мобильный универсальный комплекс приема (МУКТ), построенный на базе ПК с ОС Windows 2000 (NT). Машина связи сопряжена с ЦКП №6 и КВИО ЦУП ЦНИИмаш. Телеметрическая информация в ИВК доставляется через средства приема ТМИ ЦУП ЦНИИмаш. СПО управления полетом разработано ЗАО «Космосервис».
Сектор управления имеет независимый (от ЦУП ЦНИИмаш) сегмент ЛВС.
Сектор управления КА «Ресурс-ДК1»
Сектор управления КА «Ресурс-ДК1» создан ЗАО «Космосервис» (ОАО «НИИ ТП») для работы с НС КИС типа «Куб-Контур» на базе ИВК КА «Фотон-М». Для управления КА «Ресурс-ДК1» ИВК КА «Фотон-М» дооснащен терминальными серверами, дополнительным комплексом обработки ТМИ, сетевыми терминалами, принтерами и ПЭВМ зала управления, а также средствами обеспечения информационной безопасности.
Сектор управления МКА «СТЕРХ»
Сектор управления предназначен для управления группировкой МКА «Стерх» и создан ОАО «РКС» совместно с производственным объединением (ПО) «Полет» и ЦУП ЦНИИмаш для работы с НС КИС типа «Клен» и ориентирован на НАКУ КА НСЭН и измерений. Информационно-вычислительный комплекс построен на базе ПЭВМ и серверов БД. Прикладные задачи решаются на ПЭВМ, сервер используется для решения задачи обработки ТМИ, хранения полетной информации, обеспечения информационных обменов с внутренними и внешними абонентами. ОС сервера - MS Windows Server 2003, СУБД - Interbase 7.0, ОС ПЭВМ - MS Windows ХР. СПО информационного обмена с НС КИС и СПО ИБО разработано ОАО «РКС», СПО планирования, обработки и отображения ТМИ, расчета КПИ - ПО «Полет».
ИВК МКА «Стерх» через ЛВС, КВИО, УС «Нейрон» ЦУП ЦНИИмаш сопряжен с МССПД НАКУ КА НСЭН и измерений.
Сектор управления КА «Канопус-В»
Сектор управления КА «Канопус-В» предназначен для управления группировкой КА «Канопус-В» и создается ОАО «РКС» (планируемый срок создания - 2010 г.) совместно с ЦУП ЦНИИмаш для работы с НС КИС типа «Клен» и ориентирован на НАКУ КА НСЭН и измерений. Информационно-вычислительный комплекс построен на базе ПЭВМ и серверов БД. Прикладные задачи решаются на ПЭВМ, сервер используется для хранения полетной информации, обеспечения информационных обменов с внутренними и внешними абонентами. ОС сервера - MS Windows server 2007, СУБД - MS SQL Server, ОС ПЭВМ - MS «Vista». СПО информационного обмена с НС КИС, планирования, расчета КПИ, БНО разрабатывается ОАО «РКС», СПО обработки, отображения ТМИ, информационных обменов - ЦУП ЦНИИмаш.
ИВК КА «Канопус-В» через ЛВС, КВИО, УС «Нейрон» ЦУП ЦНИИмаш должен быть сопряжен с МССПД НАКУ КА НСЭН и измерений.
Сектор управления КА «Электро-Л»
Сектор управления КА «Электро-Л» создается ЦУП ЦНИИмаш (планируемый срок создания - 2010 г.) совместно с НПО им. С.А. Лавочкина, ОАО «РКС» для работы с НС КИС типа «Клен» и ориентирован на НАКУ КА НСЭН и измерений. Информационно-вычислительный комплекс построен на базе ПЭВМ и серверов БД. Прикладные задачи решаются на ПЭВМ, сервер используется для хранения полетной информации, обеспечения информационных обменов с внутренними и внешними абонентами. ОС сервера - Free BSD, СУБД - Fire Bird 2.х, ОС ПЭВМ - MS Windows ХР. СПО планирования, БНО, расчета КПИ, обработки, отображения ТМИ разрабатывается НПО им. С.А. Лавочкина, СПО НБО -ЦУП ЦНИИмаш, СПО информационного обмена с НС КИС - ОАО «РКС».
ИВК КА «Электро-Л» через ЛВС, КВИО, УС «Нейрон» ЦУП ЦНИИмаш должен быть сопряжен с МССПД НАКУ КА НСЭН и измерений.
Сектор управления ОГ КА «Луч»
Сектор управления ОГ КА «Луч» предназначен для управления группировкой ОГ КА «Луч» и создается ЦУП ЦНИИмаш (планируемый срок создания - 2010 г.) совместно с ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева». Ориентирован для работы с НС КИС типа «Клен» и на НАКУ КА НСЭН и измерений. Информационно-вычислительный комплекс построен на базе ПЭВМ и серверов БД. Прикладные задачи решаются на ПЭВМ, сервер используется для хранения полетной информации, обеспечения информационных обменов с внутренними и внешними абонентами. ОС сервера - MS Windows server 2007, СУБД - Oracle v.10, ОС ПЭВМ - MS Windows ХР. СПО планирования, БНО, расчета КПИ, обработки и отображения ТМИ разрабатывается ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева».
ИВК сектора управления ОГ КА «Луч» через ЛВС, КВИО, УС «Нейрон» ЦУП ЦНИИмаш должен быть сопряжен с МССПД НАКУ КА НСЭН и измерений.
Анализ способов обеспечения управления разнотипных КА НСЭН реализации функций, состава и характеристик аппаратно-программных средств вышеприведенных секторов управления показывает, что:
- созданные к настоящему времени Главными конструкторами КА НСЭН сектора управления обеспечивают управление КА определенного типа, отличаются многообразием используемых аппаратно-программных средств, ориентированы, в основном, на использование соответствующих радиотехнических средств КИС типа «Куб-Контур», «Компарус», «Клен», «Тамань-База», «Дока» и др.;
- при создании секторов управления использован уникальный набор технических средств, а также общесистемного программного обеспечения - операционные системы ОС серверов - MS Windows Server - 2003, - 2007, Unix, Linux;
- при управлении КА «Ресурс ДК1» и «Коронас-Фотон» для передачи командно-программной информации используется СОД АСОИ «Простор-Р»;
- аппаратно-программные средства, применяемые при построении секторов управления автоматическими КА в зарубежных ЦУП, включают аналогичное оборудование и широкий спектр общесистемного программного обеспечения;
- использование российского и зарубежного подхода к построению секторов управления КА показывает возможность по-разному решить задачу создания секторов управления.
Специальное программное обеспечение разрабатывается в каждом конкретном случае индивидуально для конкретного КА и определяется техническим заданием, организационными и финансовыми возможностями разработчика.
Аппаратное, программное и информационное обеспечение, применяемое в настоящее время при построении в ЦУП ЦНИИмаш секторов для управления КА НСЭН определенного типа, разнообразно, и для дальнейшего совершенствования систем по обеспечению управления полетами перспективными разнотипными КА НСЭН в рамках создаваемого унифицированного ИВК требуется провести работы по его унификации.
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Назначение и основные требования к построению специализированных ИВК КА НСЭН
1. Аппаратно-программные средства
При управлении полетами КА НСЭН используются аппаратно-программные средства следующих специализированных ИВК:
- баллистический ИВК (БИВК),
- командный ИВК (КИВК),
- телеметрический ИВК (ТМИВК),
- комплекс ИСО,
- ИВК МИОП,
- средства ЛВС ЦУП.
2. Основные положения
Одной из нерешенных проблем в настоящее время является решение задачи управления ОГ КА НСЭН численностью более 30-ти объектов. Решение данной задачи лежит в направлении создания унифицированных ИВК планирования полета КА и анализа состояния функционирования БА. Унификация должна быть достигнута как путем использования универсальных модулей АПС в БА, в наземных средствах НАКУ КА НСЭН и измерений, так и за счет усовершенствования АПС ИВК и базовых элементов СПО.
При создании унифицированных ИВК должны использоваться АПС, отвечающие следующим основным требованиям в части:
- обеспечения управления в течение всего срока активного существования КА в условиях реальной космической обстановки, в том числе и в случаях возникновения нештатных ситуаций;
- автоматизации долгосрочного и оперативного планирования полета и управления КА НСЭН;
- автоматизации подготовки исходных данных и технологической информации для решения задач командно-программного управления, телеметрического и баллистико-навигационного обеспечения полета, анализа состояния функционирования БА, автоматизации обработки результатов сверки бортовой и наземной шкал времени;
- автоматизации доведения планов, исходных данных, технологической информации до внешних организаций и соответствующих объектов НАКУ КА НСЭН и измерений;
- автоматизации подготовки и проведения сеансов связи с КА НСЭН и получения текущих навигационных параметров движения центров масс КА;
- автоматизированного сбора, обработки и автоматизированного анализа информации всех видов, оперативного отображения и документирования результатов обработки на средствах центра управления с целью контроля выполнения технологического графика управления КА, учета ресурсов, а также накопления, систематизации и хранения текущей информации о состоянии КА и элементах НАКУ КА НСЭН и измерений;
- автоматизированного формирования, расчета, компоновки и передачи на борт КА командно-программной информации;
- автоматизированного обмена баллистической, командно-программной, контрольной и оперативно-технической информацией с организациями, привлекаемыми к управлению полетом КА.
3. Требования к структуре секторов управления КА НСЭН
Создание единого универсального ИВК для управления орбитальными группировками КА НСЭН в ближайшее время не представляется возможным, так как основным отличием в технологиях управления многими КА НСЭН является использование различных типов наземных станций (НС) командно-измерительных систем (КИС): "Куб-Контур", "Тамань-База", "Клен", "Калина" и др.
Вместе с тем в настоящее время намечается устойчивая тенденция к унификации НС КИС, что создает предпосылки для создания универсальных информационно-вычислительных комплексов в ЦУП КА НСЭН.
Поэтому целесообразно на первом этапе создания универсальных ИВК рассматривать два типа секторов управления КА НСЭН, ориентированных на использование НС "Куб-Контур" и НС "Клен", имеющих как аналогичные унифицированные аппаратно-программные средства планирования долгосрочных и оперативных программ полета, расчета КПИ, ТМИ, БНИ, так и специфические и привлекаемые средства.
Унифицированный ИВК КА НСЭН должен устойчиво функционировать в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, к которым относятся сбои, отказы, ошибки в программном обеспечении, зацикливания, зависания, конфликты, тупиковые ситуации, вирусы, атаки хакеров, «спам», нарушения в работе механизмов синхронизации, архитектурное несовершенство, аварийные отключения электропитания, электромагнитные наводки, «человеческий фактор» и др. Должна быть разработана технология обеспечения устойчивости на базе моделей, методов, средств и организационных мер, ориентированных на защиту от воздействия дестабилизирующих факторов на всех этапах жизненного цикла ИВК.
Реализация требований по созданию секторов управления перспективными КА НСЭН должно базироваться на использовании унифицированных:
- высокопроизводительных вычислительных средств;
- передовых инфокоммуникационных технологий;
- развитого системного и прикладного программного обеспечения;
- БД и СУБД;
- моделей функционирования различных типов бортовых комплексов управления КА НСЭН;
- математических моделей прогнозирования полетов перспективных КА НСЭН и функционирования наземных средств управления.
В соответствии с концепцией развития аппаратно-программной базы ЦУП, сектора управления КА НСЭН должны создаваться на базе серверов рабочих станций, ПЭВМ и сетевого оборудования производства, например, фирмы Hewlett-Packard. Это даст возможность создавать универсальные ИВК для управления перспективными орбитальными группировками КА НСЭН, а также использовать уже существующие ИВК служб телеметрического обеспечения (ТМО), командно-программного обеспечения (КПО) и баллистико-навигационного обеспечения (БНО).
Основу унифицированных средств ИВК секторов управления орбитальной группировкой КА НСЭН должны составлять сервера (например, типа HP DL 380 на базе процессоров Intel), которые выполняют функцию базы данных и предназначены для хранения полетной информации в структурированном виде, предоставления ее пользователям по запросам, поступающим с рабочих мест на базе типовых рабочих станций или ПЭВМ.
4. Требования к сетевой структуре ИВК
Сетевая структура унифицированного ИВК должна строиться с учетом следующих требований:
- для обеспечения необходимой надежности все серверы и ПЭВМ должны быть задублированы;
- при первичной обработке поступающей информации все серверы должны работать параллельно;
- решение вычислительных задач может проводиться на одном из вычислительных серверов, при этом все выходные данные комплекса должны поступать на один из серверов базы данных и средствами СУБД дублироваться на втором (резервном) сервере;
- при выходе из строя рабочих мест должны использоваться резервные рабочие места;
- сетевая структура должна строиться таким образом, чтобы обеспечить резервные пути доступа с рабочих мест к серверам;
- для решения задач управления КА НСЭН целесообразно создание отдельного сегмента ЛВС.
5. Требования к аппаратно-программным средствам планирования полета КА, расчета и передачи командно-программной информации
Развитие аппаратно-программных средств командно-программного обеспечения управления полетами КА НСЭН, состоящих из средств планирования полета КА, расчета командно-программной информации (КПИ) и средств передачи командно-программной информации на НС КИС, КИП и приема информации оперативного контроля, экспресс-отчетов о ходе сеанса связи, должно основываться на практике существующей технологии командно-программного обеспечения (КПО) с наращиванием вычислительных мощностей.
Планирование полета, расчет командно-программной информации, обмен информацией с внешними абонентами в типовом секторе должно производиться на вычислительных средствах группы управления. Необходимые исходные данные берутся из единой (для всего ИВК) базы данных. Результаты расчетов КПИ также записываются в базу данных.
Передача командно-программной информации на НС КИС МО и прием информации оперативного контроля и экспресс-отчетов должно осуществляться средствами КИВК и центра коммутации пакетов ЦКП №6 СОД АСОИ "Простор-Р", а с НС КИС МССПД НАКУ КА НСЭН и измерений - средствами КИВК и КВИО.
На этапе развития аппаратно-программных средств и структуры ЦУП КА НСЭН необходимо предусмотреть прием-передачу КГТИ с ИВК сектора управления на средства НКУ МО с использованием модернизированной НС КИС СОД АСОИ "Простор-Р". При этом предполагается выделение отдельного абонентского номера для управления КА НСЭН, что обеспечит возможность автономного взаимодействия сектора управления КА НСЭН с КИП независимо от взаимодействия ЦУП с КИП в процессе управления другими объектами.
В ИВК типового сектора (КИС «Клен») задачи приема-передачи командно-программной информацией (КПИ) должен решать комплекс средств автоматизации (КСА) разработки ОАО «РКС», а решение задач планирования полета и расчета КПИ должно осуществляться аппаратно-программными средствами ИВК группы управления.
Основными задачами планирования в технологическом цикле подготовки КПИ и непосредственного управления КА в сеансах связи должны быть:
1) Формирование долгосрочных планов полета на определенный интервал времени (месяц, неделя и т.д.) по каждому КА орбитальной группировки НСЭН, исходя из целей полета и реального состояния КА;
2) Формирование суточных планов полета по каждому КА орбитальной группировки НСЭН;
3) Планирование сеансов связи с КА.
При планировании программы полета КА должна использоваться входная информация в составе:
- программы-заявки на управление специальной и целевой аппаратуры;
- данные о состоянии средств НКУ;
- данные о состоянии бортовой аппаратуры КА;
- баллистическая информация;
- специальные распоряжения и решения ГОГУ.
Выходной информацией должна быть:
- расписание задействования БНА на планируемый период (время включения и выключения, режимы работы БНА);
- план задействования средств НКУ;
- массив цифровой информации;
- планы полета.
Планирование сеансов связи (ПСС) с КА. При этом входной информацией является:
- баллистическая информация;
- план задействования средств НКУ;
- массив цифровой информации;
- рекомендации ГОГУ.
Выходной информацией должны быть:
- план сеанса связи;
- списки разовых команд.
Формирование суточного плана полета КА
Результатом задачи формирования суточного плана полета КА является графическое изображение плана работы КА и НКУ на суточном интервале планирования.
Указанные задачи планирования являются типичными для технологического цикла управления всех объектов орбитальной группировки КА НСЭН. Незначительное отличие может быть продиктовано степенью автоматизации задач управления отдельных КА. Поэтому аппаратно-программные средства планирования полета должны удовлетворять общим требованиям к ИВК в вопросе унификации.
Вместе с тем, поскольку технологический процесс управления орбитальной группировкой КА НСЭН использует информацию ТМИ, БНО, КПО и ИСО, целесообразно выдвинуть и к ним основные требования.
6. Требования к аппаратно-программным средствам ИВК приема и обработки телеметрической информации
Для решения всех задач технологического цикла управления КА орбитальной группировки, кроме унифицированных комплексов, необходимо привлечение и дополнительных специальных аппаратно-программных средств.
В состав ИВК типового сектора (КИС типа «Куб-Контур») должны привлекаться средства телеметрического ИВК ЦУП ЦНИИмаш, обеспечивающие прием полных потоков телеметрической информации по каналам ВОЛС с использованием спутниковой системы связи "Приморка", архивирование, предварительную обработку и выдачу результатов в виде формуляров на индивидуальные средства отображения пользователей. При этом в качестве средств отображения привлекаются серверы и средства службы индивидуального отображения.
Для ввода, коррекции и трансляции исходных данных, ведения архивов ТМИ, а также для разработки СПО ТМИ в составе ИВК необходимо создать инструментальный комплекс на базе ПЭВМ с соответствующим общесистемным программным обеспечением и принтер для печати ТМИ и исходных данных из архива. Для документирования данных в печатном виде рекомендуется использовать лазерные принтеры фирмы Hewlett Packard формата А4, A3 со скоростью печати 18 страниц в минуту и памятью не менее 8 Мбайт. Для создания высоконадежных архивов вся полученная ТМИ периодически должна записывается на компакт-диски.
В состав ИВК типового сектора Б должны быть включены аппаратно-программные средства приема ТМИ - комплекс средств автоматизации (КСА) разработки РНИИ КП и аппаратно-программные средства обработки ТМИ и анализа состояния функционирования БА.
7. Требования к аппаратно-программным средствам ИВК приема и расчета баллистической информации
В состав ИВК типового сектора (КИС типа «Куб-Контур») должны привлекаться аппаратно-программные средства баллистического ИВК ЦУП ЦНИИмаш. Технические средства информационно-вычислительного комплекса приема и расчета баллистической информации построены и должны развиваться по схеме "клиент-сервер" и предназначены для приема траекторией измерительной информации от измерительных средств, входящих в систему сбора и распределения траекторией информации наземного автоматизированного комплекса управления (НАКУ) и записи ее в базу данных ИВК.
Траекторная информация от командно-измерительной системы поступает с КИП на аппаратуру приема-передачи данных ЦУП, откуда через ЛВС ЦУП передается в основной сервер БД сектора управления КА НСЭН.
В сервере БД размещается база баллистических данных по КА НСЭН, в которой хранится вся информация, поступающая по внешним каналам связи, информация, предназначенная для выдачи в другие подсистемы и удаленным абонентам. Траекторная информация от системы сбора и распределения НАКУ в базу данных может вводиться либо в темпе ее поступления, либо по окончании сеанса измерений.
Для повышения надежности функционирования баллистического ИВК должны использоваться два сервера базы данных фирмы Hewlett-Packard.
Для обеспечения задач БНО привлекаются аппаратно-программные средства из состава БИВК.
В состав ИВК типового сектора (КИС «Клен») должны быть включены аппаратно-программные средства приема траекторией информации (ТРИ) -комплекс средств автоматизации (КСА) разработки РНИИ КП и аппаратно-программные средства обработки ТРИ на базе рабочих станций или ПЭВМ.
8. Требования к средствам связи
В типовых секторах управления (КИС типа «Куб-Контур») и (КИС «Клен») для решения задач телекоммуникационного обеспечения должны использоваться созданные в ЦУП технические средства:
- комплекс внешних магистральных связей;
- средства магистральной телефонной связи;
- комплекс технических средств спецсвязи.
Технические средства и персонал комплекса внешних магистральных связей в процессе подготовки и проведения управления КА НСЭН обеспечивают следующее:
- предоставление сектору управления требуемого числа телефонных каналов для обмена с абонентами НКУ и организациями, участвующими в управлении КА, командно-программной, телеметрической, баллистико-навигационной, технологической информацией и др.;
- предоставление широкополосных каналов для приема полных потоков телеметрии с абонентов НКУ.
Для обеспечения обмена высокоскоростной информацией между ЦУП и техническими средствами НКУ должны использоваться широкополосные каналы связи.
Постоянное увеличение объемов информационного обмена при управлении перспективными КА НСЭН, объединенных в орбитальные группировки, выдвигает требование использования спутниковой связи.
Особую популярность получили спутники, функционирующие на геостационарной орбите. Три спутника на геостационарной орбите обеспечивают практически постоянную связь с КА и не требуют от наземных станций необходимости их поиска.
В настоящее время создаются и будут введены в эксплуатацию три спутника многофункциональной космической системы ретрансляции (МКСР) "Луч", которые позволят обеспечить обмен командно-программной, телеметрической информацией с КА различного назначения и управление низколетящими КА НСЭН.
Выбор варианта организации связи и используемые для этого технические средства определяются наличием средств связи, проектами их создания, расположением и условиями радиовидимости в местах расположения средств связи и управления, а также требуемой пропускной способностью каналов связи.
9. Требования к средствам локально-вычислительной сети и комплекса внешних информационных обменов
Для обеспечения обмена информацией между структурными элементами ИВК типовых секторов управления (КИС типа «Куб-Контур») и (КИС «Клен») необходимо использование отдельных сегментов ЛВС с необходимой степенью защиты от несанкционированного доступа. Они также должны обеспечивать информационный обмен через ЛВС ЦУП с элементами инфраструктуры ЦУП.
Основными задачами сегмента ЛВС сектора управления являются следующие:
- поддержка коммуникационных протоколов типа IP, IPX и стеков протоколов на их основе;
- обмен информацией между ИВК, КСО, КВИО ЦУП;
- взаимодействие с ЛВС организаций, участвующих в управлении КА и предприятий-разработчиков КА;
- совместное использование информационных ресурсов ЛВС;
- интеграция всех вычислительных комплексов с секторов управления в единую распределенную вычислительную среду;
- надежность передачи данных, программно-техническую защиту информации, баз данных, коммуникационного оборудования, управляющей информации от случайного и преднамеренного несанкционированного сканирования и изменения;
- доступность вычислительных ресурсов в соответствии с утвержденными схемами;
- поддержка локальных и распределенной базы данных;
- резервирование вычислительных средств и коммуникаций;
- подключение к ЛВС стандартных и специальных телекоммуникационных устройств;
- управление ЛВС;
- централизованное администрирование и распределение ресурсов ЛВС;
- тестирование, диагностику, мониторинг сети и оперативное устранение неисправностей.
Для обеспечения обмена информацией сектора управления с организациями, участвующими в управлении КА НСЭН, должен использоваться комплекс внешних информационных обменов (КВИО).
Основными задачами КВИО при обеспечении универсальными ИВК процесса управления КА НСЭН являются:
- обеспечение обмена организационной и технологической информацией в процессе подготовки к управлению и в ходе выполнения работ между ЦУП и другими организациями, участвующими в управлении КА НСЭН;
- взаимодействие с зарубежными космическими центрами при обмене прикладной и научной информацией в процессе эксплуатации КА НСЭН;
- обеспечение защиты информационных систем секторов управления КА НСЭН и инфраструктуры ЦУП от несанкционированного доступа.
10. Основные требования к ОСПО и средствам разработки СПО универсальных ИВК
Кроме технических средств типовые универсальные сектора (КИС типа «Куб-Контур») и (КИС «Клен») должны быть оснащены типовым набором компонент ОСПО, которые должны быть обосновано выбраны из множества существующих в настоящее время. На первом этапе создания универсальных ИВК должны быть выбраны операционные системы двух типов, ориентированные на работу с НС КИС "Куб-Контур" и с НС КИС "Клен". На начало первого этапа это должны быть ОС типа Oracle Enterprise Linux. В качестве базовой системы программирования допустимо использование типа языка C++. Для разработки баз данных на первом этапе возможно использование СУБД ORACLE v.10.x. и Interbase. В качестве сетевого протокола рекомендуется использовать стек протокола TCP/IP.
11. Проблемные вопросы управления автоматическими КА НСЭН
В настоящее время ЦУП ЦНИИмаш обеспечивает управление полетами четырех типов автоматических КА: «Ресурс-ДК1», «Коронас-Фотон» и двух КА «Стерх». Управление ведется из трех залов управления со своими помещениями поддержки, имеющими необходимые для управления этими КА ресурсы. Каждый из этих аппаратов управляется из секторов управления, укомплектованных необходимым количеством специалистов, работающих в сменном режиме. В соответствии с ФКП к 2015 году Роскосмос планирует создание орбитальной группировки из более чем 30 КА, управляемых из ЦУП ЦНИИмаш. Если подходить к вопросу управления традиционным путем, то для управления таким количеством КА потребуется создавать много залов управления и иметь достаточно большую численность персонала управления. Поэтому для обеспечения одновременного управления таким количеством КА необходимо будет решить следующие взаимосвязанные вопросы:
- максимально сгруппировать однотипные аппараты с целью распределить их на минимальное количество (например, пять) секторов управления;
- выработать технологию работы новых секторов управления, которая позволяли бы из одного сектора эффективно управлять до пяти и более однотипных КА. Планомерно провести набор и подготовить необходимое количество специалистов для управления этими КА.
Как показала практика управления, на начальном этапе летных испытаний КА приходится проводить работы с КА на всех видимых витках полета (10-11 смежных витков), которые по времени занимают 15-16 часов непрерывной работы. Поэтому необходимо выработать стратегию совместного управления другими КА, которые находятся в штатной эксплуатации и управляются из данного сектора управления.
В связи с тем, что космические аппараты проектируются и изготавливаются несколькими организациями (ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», ВНИИ ЭМ, ПО «Полет», ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева», НПО им. С.А. Лавочкина), подавляющая часть этих КА не проектируется на использование аппаратно-программных средств ФГУП ЦНИИмаш. Применяемые АПС управления полетами - либо собственного производства, либо - ОАО «Российские космические системы», ОАО «НИИ ТП» и они не соответствуют существующим в ЦНИИмаш вычислительным комплексам БИВК, ТМИВК, КИВК, КВИО ССО, средствам связи и отображения полетной информации. Каждая из этих организаций ориентируется на свои, наработанные, технические и интерфейсные решения, не соответствующие существующей в ФГУП ЦНИИмаш архитектуре вычислительных комплексов. Все это затрудняет интеграцию комплексов управления в инфраструктуру ЦУП ЦНИИмаш, ведет к увеличению финансовых затрат на их эксплуатацию и приводит к увеличению персонала управления орбитальной группировкой КА НСЭН. В связи с этим следующим вопросом по повышению эффективности и рентабельности управления ОГ КА НСЭН является вопрос унификации АПС КА на базе АПС ЦУП ЦНИИмаш. В результате завершения модернизации ИВК секторов управления и перехода на унифицированные АПС, ЦУП ЦНИИмаш будет иметь возможность управлять перспективной орбитальной группировкой, состоящей из более чем 30 КА, с меньшими затратами (примерно на 30%-40%).
Проблемным вопросом является вопрос использования при управлении КА разных радиолиний типа КИС «Компарус» (для передачи данных с НИП МО требует использования системы АСОИ «Простор») и КИС «Клен» (гражданская компонента). Как показывает опыт управления КА «Ресурс-ДК1» и «Коронас-Фотон», система «Простор» часто дает сбои, приводящие к большой задержке (до двух часов) получения полетной информации, что вынуждает вводить дополнительные сеансы связи. Эта тенденция будет ухудшаться с увеличением числа КА, использующих КИС «Куб-Контур». Поэтому необходимо срочно развертывать гражданскую компоненту НАКУ КА НСЭН и измерений, использующую при управлении КА командно-измерительные системы типа КИС «Компарус-У2».
Анализ изложенных материалов позволяет сделать следующие выводы
1. В отличие от зарубежных центров управления полетами (американских, предназначенных для управления: пилотируемыми КА из ЦУП-Х в г. Хьюстон, шт. Техас; КА научного назначения - из ЦУП им. Маршалла г. Хантсвилл, шт. Алабама; автоматическими КА - из ЦУП им. Годдарда г. Гринбелт, шт. Мериленд; межпланетными КА - из лаборатории реактивного движения JPL г. Пасадена, шт. Калифорния; европейских, предназначенных для управления пилотируемыми КА из ЦУП-ATV в г. Тулуза во Франции и из ЦУП-COL-CC в г. Оберпфаффенхофен в Германии), из российского ЦУП ЦНИИмаш осуществляется управление несколькими типами КА (пилотируемыми, автоматическими, разгонными ракетными блоками). Это снижает удельную стоимость разработки алгоритмического и программного обеспечения для одного объекта, поскольку часть разработанного программного обеспечения для КА одного класса будет пригодна и для КА другого типа.
2. В перечисленных зарубежных центрах управления полетами проектирование информационно-вычислительных комплексов, разработку части методов и алгоритмов анализа и управления и разработку специального программного обеспечения выполняют специализированные организации. В ЦУП ЦНИИмаш все эти работы выполняют специалисты центра. Поэтому после изменения конфигурации пилотируемой станции, изменения программного обеспечения на борту или после установки экипажами нового оборудования, доработки программного обеспечения в российском ЦУП ЦНИИмаш проводятся своими силами в сжатые сроки. В зарубежных ЦУП эта работа занимает гораздо больше времени, так как требует дополнительного времени для заключения договоров с другими предприятиями на выполнение работ.
3. Структура оперативного управления во всех ЦУП построена на основе унифицированных секторов управления. Технические и общесистемные программные средства выбираются из имеющихся в продаже на мировом рынке и не имеют принципиальных различий.
4. Российский ЦУП обеспечивает длительное управление полетами КА НСЭН с требуемой надежностью, которая достигается с помощью применения современных вычислительных систем и программно-математических средств, планомерной их замены на современные, необходимой степенью дублирования и резервирования, а также своевременным проведением планово-профилактического обслуживания всех технических и программных компонент ЦУП.
5. В процессе многолетнего управления полетами выявлены закономерности влияния степени унификации средств бортовых и наземных комплексов управления, их сложности и физического состояния на сложность и стоимость создания и поддержания работоспособности программно-технических комплексов ЦУП. В то же время в ЦУП имеются проблемы, создающие неудобства в работе с наземным и бортовым комплексами управления, из которых следует отметить отсутствие унификации программно-технических средств секторов управления автоматических КА в ЦУП ЦНИИмаш, имеющих разнообразную архитектуру технических средств, разноплановые общесистемное и специальное программное обеспечение, различные системы управления базами данных, приводит к программной и информационной несовместимости с программными компонентами ЦУП.