Система контроля и диагностирования бортового оборудования малого космического аппарата

КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

УДК 681.3

А. М. Барановский, А. Е. Привалов

СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Рассматривается структура и принципы функционирования системы контроля и диагностирования в составе бортового комплекса управления малого космического аппарата. Предлагается модель, которая должна самостоятельно и своевременно в соответствии с текущей ситуацией и целевой установкой формулировать и решать поставленные задачи.

Ключевые слова: бортовой комплекс управления, управление техническим состоянием, система контроля и диагностирования, экспертная система, метод активной идентификации.

Введение. Важнейшей составляющей космического аппарата (КА) является бортовой комплекс управления (БКУ). На него возлагаются функции управления ориентацией и стабилизацией КА, управления целевым оборудованием, энергопитанием, связью с наземными комплексами. Помимо этого БКУ должен осуществлять оперативный анализ структурно-параметрических отклонений состояния бортовых систем КА от нормы, вырабатывать решение о компенсации (парировании) этих отклонений с целью сохранения работоспособного состояния или управления постепенной деградацией технического состояния КА. Одна из основных проблем, возникающих при разработке современных малых космических аппаратов (МКА), — создание эффективных средств выработки управляющих воздействий бортовым комплексом управления при возникновении нештатных ситуаций [1].

В настоящее время на борту некоторых КА решается только задача контроля технического состояния (ТС). Задача диагностирования и управления ТС в большинстве случаев реализуется в наземном комплексе управления (НКУ). Таким образом, между моментом возникновения нештатной ситуации и выдачей управляющих воздействий на ее парирование возможен большой промежуток времени (от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от зоны радиовидимости КА, плана сеансов связи и времени принятия решения в НКУ), в течение которого потребителям может быть выдана неверная информация или нештатная ситуация может перерасти в аварийную.

Одним из способов решения этой проблемы является возможность переноса всего комплекса задач контроля, диагностирования и управления ТС на борт КА.

Встроенная система контроля МКА. Система контроля и диагностирования (СКД) представляет собой совокупность аппаратных средств и программного обеспечения, функционирующих в составе БКУ.

В состав БКУ МКА (рис. 1), как правило, входят [1]:

— информационно-управляющая система (ИУС), состоящая из

бортовых вычислительных средств (БВС),

средств бортовых измерений (СБИ),

средств управления бортовой аппаратурой (СУБА),

— бортовая аппаратура командно-телеметрической радиолинии (КТРЛ);

— программное обеспечение БКУ (ПО БКУ).

СЭС

ДУ СОС

ВСКД

БКУ

ИОК

КТРЛ

СБИ

БВС

ЦСКД

КУТС

ИУС

СУ БА

Рис. 1

Автономное решение задач контроля, диагностирования и управления возлагается на встроенную СКД. Для обеспечения заданной полноты контроля (как правило, не ниже 0,95 [1]) и организации взаимодействия с НКУ предлагается следующая архитектура уровней построения средств контроля и диагностирования БКУ (см. рис. 1):

1) программные и аппаратные средства НКУ;

2) программные и аппаратные средства БВС — центральные средства контроля и диагностирования (ЦСКД);

3) встроенные средства контроля и диагностирования (ВСКД).

Встроенные средства контроля и диагностирования должны оценивать ТС отдельных функциональных модулей (приборов, систем, каналов) перед включением их в работу, контролировать правильность их функционирования по целевому назначению и выдавать контрольную информацию в ЦСКД (на рис. 1: СЭС — системы электроснабжения, ДУ — двигательная установка, СОС — система ориентации и стабилизации). ЦСКД формирует обобщенный код состояния БА МКА, координирует работу ВСКД и бортового оборудования (в том числе и БКУ) при обнаружении отказов и предотвращении развития аварийных ситуаций, принимает меры по восстановлению работоспособности аппаратуры, а также управляет процессом сбора и передачи информации оперативного контроля (ИОК) и телеметрической информации (ТМИ) при невозможности принятия решения бортовой системой диагностирования. Средства НКУ анализируют ТС бортовой аппаратуры МКА по ТМИ, если принятие достоверного решения невозможно на борту МКА, и вырабатывают команды управления техническим состоянием (КУТС).

Можно выделить четыре режима функционирования СКД МКА:

— тестирование МКА при наземных испытаниях;

— тестирование МКА (или отдельных подсистем) перед включением в штатную работу или перед выполнением особо важных операций;

— контроль и управление конфигурацией бортового оборудования при штатном функционировании;

— поиск и устранение неисправностей.

Программное обеспечение СКД. Контроль и диагностирование МКА — типичная задача из класса обратных: по результатам наблюдений за признаками дефектов необходимо определить вид технического состояния, соответствующий наблюдаемым признакам. Следовательно, как и всякая классическая обратная задача, задача контроля и диагностирования решается не всегда корректно [2], т.е. решение о текущем ТС БКУ не всегда соответствует истинному состоянию не только из-за погрешностей измерений признаков, методических погрешностей назначения допусков, но и по причине некорректности постановки задачи в некоторой области. Для исключения таких ситуаций при разработке алгоритмов контроля и диагностирования область корректности постановки задачи в некотором пространстве должна быть заранее исследована и определена. Для этого необходимо иметь полное описание бортовых систем (БС), прежде всего модели их возможных технических состояний. Однако из-за сложности систем, входящих в состав КА, и воздействия различных факторов на процесс контроля практически невозможно получить полное и точное описание БС.

Таким образом, задача принятия решения о ТС КА осложняется низким качеством информации или ее отсутствием. Решение такой задачи под силу только системам с элементами искусственного интеллекта. Поэтому в качестве ПО ЦСКД, под управлением которого функционирует система контроля и диагностики КА, выбрана экспертная система (ЭС) контроля и диагностирования. Особенность предлагаемой экспертной системы заключается в том, что вместо диалога с человеком-пользователем система должна самостоятельно в соответствии с текущей ситуацией и целевой установкой своевременно формулировать и решать поставленные задачи. Экспертная система предназначена для решения таких задач, как экспресс-контроль, контроль по обобщенным параметрам, диагностирование дефектов с различной глубиной (детализацией) и достоверностью, определение последствий отказа, прогнозирование ТС и другие. В качестве исходных данных в ЭС используется контрольная информация, формируемая на основе опроса датчиков, информация, полученная в результате тестирования отдельных подсистем, знания о составе и функциональных взаимосвязях объекта диагностирования, а также данные из рабочей программы функционирования МКА, характеризующие его целевое применение.

Очевидно, что процесс принятия решения ЭС должен состоять из нескольких этапов: постановки задачи, планирования ее решения и последующей реализации. При этом ЭС должна проводить трехуровневую обработку знаний: на верхнем уровне — определение текущих целей контроля и диагностирования, на среднем — выбор стратегии диагностирования, на нижнем — собственно реализация стратегии. Соответственно будут различаться и знания, которыми будет оперировать ЭС на различных уровнях обработки информации [3].

В связи с этим предлагается трехуровневая модель экспертной системы, схема функционирования которой представлена на рис. 2.

К задачам верхнего уровня ЭС относятся:

— анализ программы целевого функционирования МКА, формирование на его основе целей и задач контроля и диагностирования и выдача этой информации среднему уровню ЭС;

— прием от среднего уровня ЭС информации о классе (виде) технического состояния бортовых систем;

— принятие на основе информации о ТС БС решения о готовности к выполнению программы полета и вывод решения в БКУ;

— управление МКА в аварийных ситуациях (АС);

— определение оставшихся ресурсов и задействование альтернативных программ функционирования МКА.

Рис. 2

Системы контроля и диагностирования решают множество текущих задач, например:

— контроль правильности функционирования систем МКА. Данная задача связана с определением „траекторий" (последовательностей) ТС составных частей систем;

— контроль ТС подсистем МКА. Эта задача связана с определением вида ТС всех элементов подсистем до необходимого уровня детализации (блока, модуля) в фиксированный момент времени или на фиксированном интервале времени;

— выявление отклонений и анализ причин их возникновения. Эта задача по существу представляет задачу диагностирования дефектов подсистем МКА, однако понимается в несколько расширенном смысле: не только выявление и локализация места, но и установление причины дефекта;

— прогноз последствий отклонений, выявляются также возможные ограничения на выполнение целевых функций МКА, которые возникают при развитии последствий;

— парирование отклонений, т.е. формирование управляющих воздействий на устранение или компенсацию отклонений, в частности, задействование всех типов резерва систем МКА.

К задачам среднего уровня ЭС относятся:

— определение стратегии диагностирования на основании анализа целей и задач, выработанных на верхнем уровне;

— вывод о ТС на основании анализа информации о ТС бортовых систем МКА;

— получение информации от СБИ, ее анализ;

— идентификация аварийной ситуации и передача информации о ее классе верхнему уровню ЭС.

Верхний и средний уровни реализованы на вычислительных средствах центральной вычислительной системы.

В задачи нижнего уровня ЭС входят:

— управление процессом диагностирования отдельной системы (подача на вход системы тестовых воздействий, формирование функциональных разбиений [4]);

— формирование модельного (эталонного) значения выхода системы и сравнение его с реальным;

— принятие решения о ТС отдельной системы.

Нижний уровень ЭС реализован на встроенных вычислительных средствах системы контроля и диагностирования. Система МКА на нижнем уровне рассматривается как объект управления и контроля, текущее состояние которого должно в каждый фиксированный момент времени соответствовать состоянию, заданному моделью функционирования бортовой аппаратуры. Контроль технического состояния КА проводится по результатам сравнения вектора текущего состояния У бортовой аппаратуры, полученного при испытании объекта диагностирования, и вектора состояния модели Ут , а также на основе результатов параметрической идентификации.

Для решения задачи определения класса ТС систем также используется метод активной параметрической идентификации [5]. Активные методы идентификации не требуют значительных интервалов наблюдения и позволяют получать приемлемую точность оценок, но связаны с подачей на вход зондирующих сигналов, что может привести к недопустимо большим отклонениям траекторий движения системы от программных. Поэтому в ходе функционирования МКА можно применять только такие методы активной идентификации, которые обеспечивают приемлемые характеристики качества оценивания и отклонение истинного значения вектора состояния системы от программного на допустимые значения. Предъявленным требованиям удовлетворяют методы идентификации, основанные на принципе автогенераторных измерений, заключающемся в возбуждении информационных колебаний путем введения нелинейной обратной связи. Предложенный метод активной идентификации достаточно эффективен при использовании для диагностики динамических систем [5].

Заключение. Применение интеллектуальной системы контроля и диагностирования в составе БКУ позволяет решить задачу переноса процесса принятия решения о ТС, в том числе при возникновении нештатных ситуаций, на борт МКА. Предлагаемая трехуровневая модель построения интеллектуальной системы наиболее полно отражает три этапа задачи принятия решения — постановку задачи, планирование и реализацию плана. Использование метода активной идентификации на нижнем уровне позволяет осуществлять тестовый контроль приборов и систем, не прибегая к помощи дополнительного испытательного оборудования. Эта особенность позволяет решать задачи контроля, диагностирования и управления ТС средствами бортовой аппаратуры, что важно как на этапе активного функционирования КА, так и на этапе подготовки его к запуску.

56

А. М. Барановский, В. А. Белозеров, Д. И. Опрышко

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Микрин Е. А. Бортовые комплексы управления космическими аппаратами и проектирование их программного обеспечения. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. 336 с.

2. Филин В. М., Пчелинцев Л. А., Денчик В. Н. и др. Оптимизация диагностики космического разгонного блока. М.: Едиториал УРСС, 2004. 184 с.

3. Полянский В. И., Кузнецов А. Б. Выбор формальной модели представления знаний для решения задач бортового диагностирования // Изв. вузов. Приборостроение. 1997. Т. 40, № 8. С. 51—54.

4. Барановский А. М., Яфраков М. Ф. Об одном подходе к организации функционального контроля и диагностики // Вопросы анализа и синтеза систем управления, контроля и диагностики. Л.: МО СССР, 1990. С. 4—30.

5. Барановский А. М. Активная идентификация систем стабилизации // Изв. вузов. Приборостроение. 1997. Т. 40, № 8. С. 31—34.

Сведения об авторах

Анатолий Михайлович Барановский — канд. техн. наук, доцент; Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского, кафедра автоматизированных систем подготовки и пуска ракет и космических аппаратов, Санкт-Петербург; E-mail: bamvka@mail.ru — адъюнкт; Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского, кафедра автоматизированных систем подготовки и пуска ракет и космических аппаратов, Санкт-Петербург; E-mail: aleksaderpo4ta@mail.ru

Поступила в редакцию 20.10.08 г.

Александр Евгеньевич Привалов

Рекомендована Ученым советом ВКА им. А. Ф. Можайского

УДК 681.518.52

А. М. Барановский, В. А. Белозеров, Д. И. Опрышко

КОМБИНИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ОЦЕНИВАНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Предложен новый подход к выбору показателей достоверности контроля технического состояния сложных систем на основе нечетко-вероятностной модели контроля аппаратных средств, приведены соотношения для их определения.

Ключевые слова: достоверность контроля, комбинированная модель аппаратных средств автоматических систем, нечеткие множества и системы.

Введение. В процессе обновления и частичной модернизации образцов ракетно-космической техники (РКТ) происходит совместная эксплуатация различных элементов системы. При этом для одних элементов имеется информация различного качества в достаточном объеме, информация о других элементах может отсутствовать. Это требует дальнейшего интенсивного развития новых подходов к оценке достоверности контроля (ДК) технического состояния, так как в отсутствие экспериментальных данных о составных частях космических аппаратов (КА) общепринятые методы определения достоверности контроля недостаточно адекватно отражают процессы контроля.