Принципы организации бортового по автоматических космических аппаратов

3. Мюллер Р.Дж. Проектирование баз данных и ЦМЬ [Текст] / Р.Дж. Мюллер. М: Лори, 2013. 240 с.

ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ БОРТОВОГО ПО АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Додонов А.Р.

Додонов Александр Романович — студент, кафедра информатики и вычислительной техники, Московский технологический университет, г. Москва

Аннотация: в статье описываются основные технические решения, принятые при проектировании бортового ПО управления для автоматических космических аппаратов. Излагаются вопросы проектирования бортового комплекса управления автоматических космических аппаратов в части программного обеспечения. Проанализированы характерные особенности проектирования бортового программного обеспечения и их влияние на функциональные и нефункциональные требования к PDM-системе. Приводятся характеристики PDM-системы САПР БПО.

Ключевые слова: автоматизация испытаний, сложное оборудование, космический аппарат, бортовой комплекс управления, программное обеспечение.

В связи с постоянным усложнением задач, решаемых на борту КА, в качестве средства обработки информации используют бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ) и системы машин, скомплексированные между собой и составляющие, например, или многомашинные комплексы, или мультипроцессорные вычислительные системы. Применение на борту БЦВМ и систем машин БЦВС позволяет получить высокую эффективность использования КА [1 -8].

Структурный анализ показывает, что КА представляет собой большую систему со всеми присущими для нее особенностями исследования и математического описания ее функционирования. К этим особенностям относятся: большое количество взаимодействующих модулей и элементов, составляющих систему; наличие общей задачи и единой цели функционирования всей системы; возможность расчленения системы на подсистемы и модули, имеющие свое специальное назначение и цель функционирования; иерархическая структура связей подсистем; иерархия критериев качества функционирования всей системы; сложность поведения системы, связанная со случайным характером внешних воздействий и большим количеством обратных связей; централизация и высокая степень автоматизации управления в системе; устойчивость к внешним и внутренним помехам и наличие самоорганизации; надежность системы в целом, обеспечивающая правильное и своевременное выполнение функциональных задач.

Условно БКУ можно представить в виде совокупности двух подсистем: подсистемы управления служебными бортовыми системами КА и подсистемы управления движением КА. В свою очередь, подсистему управления движением можно условно разделить на: подсистему управления угловым движением КА и подсистему управления движением центра масс КА. Само название подсистем указывает на задачи, выполняемые ими.

В плане аппаратной реализации БКУ для любого современного КА в своем составе содержит:

• бортовую вычислительную систему (БВС);

• ее программно-алгоритмическое обеспечение (ПАО);

• устройства преобразования цифровой информации БВС в управляющие воздействия на бортовые системы КА;

• устройства приема и преобразования информации от бортовых систем КА или измерительных и исполнительных средств БКУ;

• измерительные средства БКУ;

• исполнительные органы БКУ.

Типовая структурная схема бортового комплекса управления представлена на рисунке 1:

АКС — акселерометр,

АСН — автономная система навигации КА,

АЦП — аналого-цифровой преобразователь,

БРК — бортовой радиокомплекс КА,

БВС — бортовая вычислительная система,

ДМ — двигатель-маховик,

ДПЗ — датчик положения Земли,

ДУ — двигательная установка КА,

ДУС — датчик угловой скорости,

ОЗД — оптический звездный датчик ориентации,

ПАО — программно-алгоритмическое обеспечение БВС,

ПС — пиросредства,

СОТР — система обеспечения тепловых режимов КА,

СПИС — специальные измерительные средства (для стыковки, мягкой посадки и т.п.).

Рис. 1. Типовая структурная схема бортового комплекса управления

СПО — солнечный прибор ориентации, СЭС — система электроснабжения КА,

УМ — сильноточные усилители мощности, ЦА — целевая аппаратура КА,

ЦАП — цифроаналоговой преобразователь.

В зависимости от выполняемых задач может изменяться приборный состав измерительных и исполнительных средств БКУ, конструктивное и аппаратное построение ВВС, её программно-алгоритмическое обеспечение, но неизменной останется общая структурная схема БКУ и бортовых систем КА. Специфика выполняемых задач КА проявляется в основном в технических и конструктивных характеристиках приборов БКУ и бортовых систем КА.

К приборной реализации БКУ предъявляются высокие требования аппаратной надёжности. Обеспечение аппаратной надёжности является лишь необходимым условием обеспечения надёжности сложного комплекса. Для обеспечения живучести КА в целом на БКУ возлагается диагностическая функция состояния бортовых систем с целью предотвращения аварийных ситуаций. Основная миссия здесь возлагается на бортовую вычислительную систему (БВС). КА, использующие энергию Солнца, в случае возникновения предельной аварийной ситуации должен в конечном итоге быть ориентирован определённым образом к Солнцу для поддержания теплоэнергетического баланса.

Надежность БКУ обеспечивается и аппаратным построением и идеологией её работы.

Надёжность бортовой аппаратуры БКУ, определяемая вероятностью безотказной работы (ВБР), для проектируемых КА должна быть не ниже 0.9, что неизбежно требует применения резервирования. При этом глубина резервирования элементов бортовой аппаратуры определяется технической целесообразностью. Так, например, резервирование трактов управления приборов релейной автоматики достигается применением мажоритарных схем

построения, а в измерительных приборах — оптико-электронных и гироскопических — поэлементное резервирование технически невозможно. Резервирование оптико-электронных приборов выполняется установкой необходимого их количества, а гироскопических — установкой необходимого количества измерительных каналов в самом приборе.

Поскольку срок проектирования бортовых приборов и систем может занимать до 3-5 лет, причем в первые годы эксплуатации КА нередко возникают доработки и вносятся изменения, возникает проблема отслеживания новых версий одного изделия. Использование единого хранилища технологической и конструкторской информации позволит управлять историей изменения версий однотипных изделий.

Система автоматизированного проектирования бортового программного обеспечения (САПР БПО) реализована согласно концепциям PDM-систем и обеспечивает функционал управления конструкторской и технологической информацией об изделии, управления документами для автоматизации построения актуальной, точной и полной программной документации [2].

Для реализации САПР БПО была выбрана трёхзвенная архитектура, согласно которой в системе выделяются три следующих компонента: клиентское приложение, сервер приложений и сервер базы данных, к которому за информацией обо всех объектах системы обращается сервер приложений. Клиентское приложение разработано на платформе .МЕТ и использованием технологии WPF для графического интерфейса. Сервер приложений представляет собой набор WCF сервисов платформы .МЕТ и реализует основную часть бизнес-логики. Сервер базы данных отвечает за хранение данных (в том числе их изменение и возможное восстановление) и представляет собой реляционную СУБД Microsoft SQL Server 2014.

Ь..................%...................f»

Рис. 2. Архитектура компонентов САПР БПО

Для данного типа архитектуры существуют следующие преимущества и ограничения в данной ситуации: масштабируемость (управление числом подключённых пользователей); конфигурируемость (изолированность компонентов друг от друга, упрощающая развертывание системы); безопасность (исключён прямой доступ пользователя к базе данных, действия пользователя координируются с сервером приложений, что позволяет избежать возникновения по вине пользователя ошибок целостности данных); отказоустойчивость (возможно отдельное резервирование как базы данных, так и состояния сервера базы данных); невысокие требования к производительности клиентских машин; невозможность работы клиентского приложения без наличия соединения с сервером приложений.

Рис. 3. Иерархия объектов в САПР БПО

Функционал САПР БПО как PDM-системы затрагивает вопросы управления технологической информацией об изделиях, формирования документации и решения задач, возникающих в ходе проектирования и многоэтапной доработки бортового программного обеспечения, без привязки к планированию потоков работ и процессов.

Областью применения САПР БПО является отрасль проектирования космических аппаратов, управления их жизненным циклом. Данные, накопленные внутри САПР БПО, могут применяться во внешних системах, к примеру, для расчёта показателей надёжности и для помощи в выявлении возможных видов отказов элементов аппаратуры, причин, механизмов, условий возникновения и развития [3].

Список литературы

1. Бранец В.Н. и Шмыглевский И.П. Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела. М.: Наука. 2015. 319 с.

2. Основы теории полета космических аппаратов / Под ред. Г.С. Нариманова и М.К. Тихонравова. М.: Машиностороение, 2009. 608 с.

3. Кавинов И.Ф. Инерциальная навигация в околоземном пространстве. М.: Машиностроение, 2012.

4. Микрин Е.А. и др. Принципы построения бортовых комплексов управления автоматических космических аппаратов // Проблемы управления. 2014. № 3. С. 62-66.

5. Попов В.И. Системы ориентации и стабилизации космических аппаратов. Пассивные и комбинированные системы. — М.: Машиностроение, 2015. 184 с.

6. Беспалов В., Клишин В., Краюшкин В. Развитие систем PDM: вчера, сегодня, завтра... Что такое система PDM сегодня: состав и функциональность. // САПР и графика. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://sapr.ni/aiticle/8257/ (дата обращения: 05.06.2018).

7. Ларин В.П., Шелест Д.К. Формирование информационного обеспечения надежности бортовой аппаратуры на стадии проектирования // Информационно-управляющие системы. 2012. № 4 (59). С. 93-97.