СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
METHOD FOR TESTING COMPUTING DEVICES OF SPACECRAFT CONTROL SYSTEMS

Изобретение относится к компьютерным системам, основанным на специфических вычислительных моделях с использованием электронных средств.
Известен способ испытаний электронной аппаратуры на основе аппаратно-программного внесения неисправностей основанного на языках описания аппаратуры (патент США №US8418012 B2). Способ заключается в том, что получают базовый проект испытываемого электронного устройства на языках описания аппаратуры. Создают математические модели неисправностей для конфигурируемой интегральной схемы испытываемого электронного устройства. Описывают эти неисправности на языках описания аппаратуры. Вносят описанные неисправности в базовый проект особой конфигурируемой интегральной схемы испытываемого устройства. Проводят несколько экспериментов по внесению неисправностей, где каждый эксперимент включает неисправность, по крайней мере, одного сигнала.
Недостатками данного способа являются: невозможность имитации неисправностей устройств, не имеющих в своем составе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), по причине того, что неисправности вносятся в ПЛИС самого испытываемого устройства, при этом в составе испытательного комплекса ПЛИС отсутствует; отсутствие возможности управления включением/отключением неисправностей в моделях без перекомпиляций проекта ПЛИС при помощи программного обеспечения (ПО) высокого уровня; отсутствие описания алгоритмов испытаний функции ориентации и стабилизации (ОС) космических аппаратов (КА).
Наиболее близким (прототипом) является способ испытаний электронной аппаратуры и ее управляющего программного обеспечения (патент РФ №2661535), заключающийся в том, что на языках описания аппаратуры создают проект исправной модели электронного устройства, имитирующей поведение его каналов ввода-вывода и проект модели электронного устройства с неисправностями. Записывают получившиеся проекты модели в программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) устройства имитации неисправностей. Проводят испытания на этой модели. Сравнивают результаты испытаний от исправной и неисправной моделей. Если, в процессе испытаний исправной модели, неисправностей не обнаруживают, а, при испытаниях неисправной, обнаруживают весь массив внесенных неисправностей, то электронную аппаратуру или ее управляющее ПО считают прошедшими испытания.
Недостатком данного способа является отсутствие описания алгоритмов испытаний функции ОС КА.
o
ov
oo
Для заявленного способа выявлены основные общие с прототипом существенные признаки: способ испытаний вычислительных устройств систем управления космических аппаратов, заключающийся в том, что полунатурно, на ПЛИС, имитируют вспомогательную бортовую аппаратуру (ВБА), которая, в процессе штатной эксплуатации, взаимодействует с испытываемым ВУ; в проекты ПЛИС полунатурных моделей ВБА, реализованные на языках описания аппаратуры, намеренно вносят неисправности, имитирующие нештатные ситуации; затем проводят испытания с целью оценки вероятности обнаружения испытываемым ВУ внесенных в модели ВБА неисправностей; в ходе испытаний, на языках описания аппаратуры создают проект исправной полунатурной модели (ПИПМ) ВБА, имитирующей поведение ее каналов ввода-вывода; записывают получившийся ПИПМ в ПЛИС устройства имитации неисправностей (УИН) содержащего интерфейсные каналы ввода-вывода; проводят испытания на ПИПМ; на языках описания аппаратуры создают проект неисправной полунатурной модели (ПНПМ) ВБА, причем, предусматривают возможность включения/отключения неисправностей без перекомпиляции проекта ПЛИС, в процессе испытаний, при помощи управляющего ПО высокого уровня; записывают получившийся ПНПМ в ПЛИС УИН; при помощи устройства управления процессом испытаний (УУПИ) формируют массив управляющих воздействий поочередно включающих неисправности, реализованные в ПНПМ и указанные в массиве; проводят такие же испытания на ПНПМ, как и в предыдущем случае с ПИПМ; при помощи УУПИ сравнивают результаты испытаний от ПИПМ и ПНПМ на каждой неисправности из заданного массива, если в процессе испытаний на ПИПМ неисправностей не обнаруживают, а при испытаниях на ПНПМ обнаруживают весь массив внесенных неисправностей, то испытываемое ВУ считают прошедшим испытания; если в процессе испытаний на ПИПМ обнаруживают неисправности, то определяют коэффициент первого этапа, где  – количество обнаруженных неисправностей; если в процессе испытаний на ПНПМ обнаруживают не все неисправности, то определяют коэффициент второго этапа , где  – количество внесенных в модель неисправностей,  – количество обнаруженных неисправностей.
Технической проблемой является недостаточный уровень функциональности, ввиду отсутствия описания алгоритмов испытаний функции ориентации и стабилизации космических аппаратов.
o
ov
oo
Поставленная техническая проблема изобретения решается тем, что согласно способу испытаний вычислительных устройств систем управления космических аппаратов, полунатурно, на ПЛИС, имитируют ВБА, которая, в процессе штатной эксплуатации, взаимодействует с испытываемым вычислительным устройством. Далее в проекты ПЛИС полунатурных моделей ВБА, реализованные на языках описания аппаратуры, намеренно вносят неисправности, имитирующие нештатные ситуации, а затем проводят испытания с целью оценки вероятности обнаружения испытываемым ВУ внесенных в модели ВБА неисправностей. В ходе испытаний, на языках описания аппаратуры создают ПИПМ ВБА, имитирующей поведение ее каналов ввода-вывода. Далее записывают получившийся ПИПМ ВБА в ПЛИС устройства имитации неисправностей содержащего интерфейсные каналы ввода-вывода и проводят испытания на ПИПМ ВБА. На языках описания аппаратуры создают ПНПМ ВБА, причем, предусматривают возможность включения/отключения неисправностей без перекомпиляции проекта ПЛИС в процессе испытаний, при помощи управляющего ПО высокого уровня. Записывают получившийся ПНПМ в ПЛИС УИН. При помощи УУПИ формируют массив управляющих воздействий поочередно включающих неисправности, реализованные в ПНПМ ВБА и указанные в массиве. Проводят такие же испытания на ПНПМ ВБА, как и в предыдущем случае с ПИПМ ВБА. При помощи УУПИ сравнивают результаты испытаний от ПИПМ и ПНПМ ВБА на каждой неисправности из заданного массива. Если в процессе испытаний на ПИПМ ВБА неисправностей не обнаруживают, а при испытаниях на ПНПМ ВБА обнаруживают весь массив внесенных неисправностей, то испытываемое ВУ считают прошедшим испытания. Если в процессе испытаний на ПИПМ ВБА обнаруживают неисправности, то определяют коэффициент первого этапа, где  – количество обнаруженных неисправностей. Если в процессе испытаний на ПНПМ ВБА обнаруживают не все неисправности, то определяют коэффициент второго этапа , где  – количество внесенных в модель неисправностей,  – количество обнаруженных неисправностей.Путем выдачи серии команд, от имитационных моделей ВБА, вводят испытываемое ВУ в режим ОС. Далее ВУ инициирует итерацию ОС КА по следующему далее алгоритму. ВУ запрашивает текущее состояние направленности и угловые скорости движения КА от имитационных моделей приборов (ИМП) ОС. ИМП ОС принимают запрос от испытываемого ВУ и анализируют его на предмет адреса устройства на информационной магистрали, с целью определения адресата данной команды. По принятому запросу, соответствующая ИМП ОС, которая определена как адресат данного запроса, на основе математической модели движения КА в пространстве, рассчитывает текущие состояние направленности и угловые скорости движения КА, и выдает их в ВУ. Далее ВУ анализирует полученные данные от ИМП ОС и, на основе результатов анализа, формирует команду управления на включение/отключение необходимых, для ОС, двигателей, что завершает итерацию ОС КА; подобные итерации ОС повторяют многократно, до тех пор, пока КА не сориентируется на заданный ориентир.
Применение вышеописанного алгоритма позволяет испытать функцию ориентации и стабилизации испытываемого вычислительного устройства, что увеличивает функциональность испытаний.
Способ осуществляют следующим образом.
o
ov
oo
Полунатурно, на ПЛИС, имитируют ВБА, которая, в процессе штатной эксплуатации, взаимодействует с испытываемым ВУ. К такой ВБА могут относиться, например, интерфейсные модули сопряжения (ИМС), которые соединяют испытываемое ВУ с различными системами КА и могут участвовать в процессе ОС. Далее в проекты ПЛИС полунатурных моделей ВБА, реализованные на языках описания аппаратуры, намеренно вносят неисправности, имитирующие нештатные ситуации, а затем проводят испытания с целью оценки вероятности обнаружения или/и парирования испытываемым ВУ внесенных в модели ВБА неисправностей. Например, в функции одного из ИМС входит сбор данных об угловых скоростях измеренных прибором системы ОС и передача полученных данных в испытываемое ВУ. Тогда неисправностью, имитирующей нештатную ситуацию, может быть, например, нарушение соединительного контакта на магистрали передачи данных, ввиду дестабилизирующих факторов космического пространства, например, вибраций, ударов, температурных воздействий и пр. Что может привести к искажению данных, перед их получением, испытываемым ВУ, что и имитируется на полунатурных моделях, причем важно обеспечить функционирование моделей на таких же или более высоких частотах и так же детерминировано (точно и предсказуемо) как это происходит на борту КА, иначе, в большинстве случаев, испытания бортовых ВУ невозможны. Поэтому для полунатурного моделирования, в заявленном способе, применяются ПЛИС, которые отвечают запрашиваемым для адекватных испытаний характеристикам. В то же время, на ПЛИС можно реализовывать любые устройства, требуемые для испытаний, путем простого перепрограммирования, что занимает гораздо меньше времени, чем аппаратное макетирование, которое требует приобретения натуральной компонентной базы электроники и сложного процесса ее монтажа на печатные платы. В ходе испытаний, на языках описания аппаратуры создают ПИПМ ВБА, имитирующий поведение ее каналов ввода-вывода. Далее записывают получившийся ПИПМ ВБА в ПЛИС УИН содержащего интерфейсные каналы ввода-вывода и проводят испытания на ПИПМ ВБА. На языках описания аппаратуры создают ПНПМ ВБА, причем, предусматривают возможность включения/отключения неисправностей без перекомпиляции проекта ПЛИС в процессе испытаний, при помощи управляющего ПО высокого уровня. Это сильно сокращает количество перекомпиляций проектов ПЛИС, которые занимают много времени. Реализовано это тем, что в заявленном способе, в проектах ПЛИС имитационных моделей, предусматривают возможность включения/отключения каждой отдельной неисправности путем введения программируемой логической структуры «ЕСЛИ», которая управляется ПО высокого уровня, путем формирования массива управляющих воздействии включения/отключения. Записывают получившийся ПНПМ в ПЛИС УИН. При помощи УУПИ формируют массив управляющих воздействий поочередно включающих неисправности, реализованные в ПНПМ и указанные в массиве. Проводят такие же испытания на ПНПМ, как и в предыдущем случае с ПИПМ. При помощи УУПИ сравнивают результаты испытаний от ПИПМ и ПНПМ ВБА на каждой неисправности из заданного массива. Если в процессе испытаний на ПИПМ ВБА неисправностей не обнаруживают, а при испытаниях на ПНПМ ВБА обнаруживают весь массив внесенных неисправностей, то испытываемое ВУ считают прошедшим испытания. Если в процессе испытаний на ПИПМ ВБА обнаруживают неисправности, то определяют коэффициент первого этапа, где  – количество обнаруженных неисправностей. Если в процессе испытаний на ПНПМ ВБА обнаруживают не все неисправности, то определяют коэффициент второго этапа , где  – количество внесенных в модель неисправностей,  – количество обнаруженных неисправностей.Путем выдачи серии команд, от имитационных моделей ВБА, вводят испытываемое ВУ в режим ОС. ВУ инициирует итерацию ОС КА по следующему далее алгоритму. ВУ запрашивает текущее состояние направленности и угловые скорости движения КА от ИМП ОС. В рамках заявленного способа, ИМП ОС и ВБА, хоть и являются полунатурными имитационными моделями одного типа, но намеренно выделены в разные сущности для упрощения описания алгоритмов испытаний. ИМП ОС принимают запрос от испытываемого ВУ и анализируют его на предмет адреса устройства на информационной магистрали, с целью определения адресата данной команды. В качестве информационной магистрали может быть использована, например, ГОСТ Р 52070-2003 или любая другая подходящая для задач испытаний. По принятому запросу, соответствующая ИМП ОС, которая определена как адресат данного запроса, на основе математической модели движения КА в пространстве, рассчитывает текущие состояние направленности и угловые скорости движения КА, и выдает их в ВУ. Далее ВУ анализирует полученные данные от ИМП ОС и, на основе результатов анализа, формирует команду управления на включение/отключение необходимых, для ОС, двигателей, что завершает итерацию ОС КА. Математическая модель движения КА реализуется в УУПИ на языках высокого уровня или в ИМП ОС на языках описания аппаратуры. Подобные итерации ОС повторяют многократно, до тех пор, пока КА не сориентируется на заданный ориентир. Ориентиром может быть, например, Солнце или другие звезды.
Необходимо отметить, что, в рамках заявленного способа испытаний ВУ систем управления КА, имеющих функцию ОС, модели на ПЛИС функционируют как «Черный ящик», лишь функционально имитируя поведение каналов ввода-вывода электронных устройств или их частей, при этом ставится задачей максимально адекватно воспроизвести входные и выходные сигналы по временным параметрам, для обеспечения взаимодействия с натуральным ВУ, подключенным к данным каналам в процессе испытаний. Внутренняя реализация моделей на ПЛИС имеет лишь отдаленную схожесть с внутренней реализацией имитируемой ВБА.
УУПИ реализовано в крейт–шасси (например, https://www.ni.com/ru-ru/support/model.pxie-1075.html), управляемом встроенным контроллером, к которому подключаются манипуляторы (мышь и клавиатура). Данные о процессе испытаний выводятся на монитор. Управление встроенным контроллером обеспечивает операционная система и пакет прикладных программ. Также, при помощи пакета прикладных программ, задается массив неисправностей для ПНПМ ВБА. Данные, полученные в процессе испытаний, протоколируются, и результаты сравниваются. Вычисляются коэффициенты покрытия неисправностей проведенных испытаний R1 и R2. УИН в модульном исполнении, содержащее ПЛИС и каналы ввода-вывода для соединения с устройством управления, встраивают в крейт–шасси устройства управления.
Таким образом, техническим результатом заявленного способа является повышение функциональности испытаний вычислительных устройств за счёт содержания алгоритма испытания функции ориентации и стабилизации испытываемого вычислительного устройства.