Обеспечение надёжности и качества программного обеспечения навигационной системы беспилотного летательного аппарата путем улучшения технологии отработки и испытаний

геометрической оси аппарата. Методика балансировки обеспечивает определение поперечного смещения центра масс с погрешностью не более 0,01 мм при определении и перекоса продольной ГЦОИ с погрешностью не более 10 угловых минут при определении, приведено описание опытного образца стенда. То есть на основе показаний измерительной системы стенда [8-10] до таких величин могут быть доведены смещение центра масс и угол

отклонения продольной ГЦОИ относительно геометрической оси контролируемого БЛА. Это означает, что в настоящее время применение стенда в операциях по контролю указанных параметров массо-инерционной асимметрии БЛА позволяет задавать допуск на величину смещения центра масс до 0,0 9 мм, а на угол перекоса продольной ГЦОИ - до 9 угловых минут [6, 11].

ЛИТЕРАТУРА

1. Правдин В.М., Шанин А.П. Баллистика неуправляемых летательных аппаратов. - Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 1999. - 496 с.

2. Ярошевский В.А. Движение неуправляемого тела в атмосфере. М.: Машиностроение, 1978. - 168 с.

3. Ильиных В.В., Ключников А.В., Лысых А.В., Михайлов Е.Ф., Тимощенко А.Г. Технология обеспечения качества при изготовлении высокоскоростных неуправляемых летающих моделей // Вестник СибГАУ, 2013. - №3 (49). - С. 191-196.

4. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. - М.: Издательство стандартов, 1975. - 336 с.

5. Богданов Г.П., Кузнецов В.А. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники. - М.: Радио и связь, 1990. - 240 с.

6. Ключников А.В. Развитие и совершенствование алгоритма одноплоскостной балансировки в динамическом режиме высокоскоростной летающей модели // Вестник СибГАУ, 2015. - Том 16. - №2. - С. 411416.

7. Ключников А.В. Уточнённая математическая модель оценки и обеспечения параметров массо-инер-ционной асимметрии длинномерного роторного модуля» // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2-х томах. - Пенза, 2012. - Том 1. - С. 224-227.

8. Ключников А.В., Шагимуратов М.Д. Принципы построения и структура системы диагностики асимметричности в распределении масс летательного аппарата // Научно-технический вестник Поволжья, 2015. - №2. - С. 141-143.

9. Абышев Н.А., Андреев С.В., Ключников А.В. Конструктивные особенности стенда для диагностики характеристик асимметрии масс летательных аппаратов // Авиакосмическое приборостроение, 2015. -№1. - С. 39-45.

10. Патент РФ на изобретение №2292533, МПК G01M 1/02. Балансировочный стенд с вертикальной осью вращения / Ю.П. Фомин, А.В. Ключников, Л.М. Глазырина, Г.Г. Смирнов, А.И. Мальгин, М.С. Карповицкий // Опубл. В БИ №3 от 27.01.2007. Приоритет от 27.04.2004.

11. Абышев Н.А., Ключников А.В., Михайлов Е.Ф., Чертков М.С. Стенд для прецизионной бесконтактной балансировки конических роторов в динамическом режиме // Труды 19 международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2-х томах. - Пенза, 2014. - Т. 2. - С. 234-236.

УДК 681.3

Андреев С.В., Власов М.А., Ильиных В.В., Ключников А.В. , Плетенев И.В.

Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. академ. Е.И. Забабахина», Снежинск, Россия

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ И КАЧЕСТВА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПУТЕМ УЛУЧШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ И ИСПЫТАНИЙ

В статье рассматриваются вопросы надёжности программного обеспечения беспилотного летательного аппарата. Показано, что отработка и тестирование программного обеспечения должны проводиться на протяжении всего процесса разработки аппарата с использованием методов математического, имитационного и полунатурного моделирования и натурных испытаний. Использование оборудования, обеспечивающего реальные воздействия на инерциальные датчики и приёмник спутниковой навигации, позволяют кратно снизить затраты на создание программного обеспечения и повысить глубину и качество его отработки Ключевые слова:

БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, СИСТЕМА НАВИГАЦИИ, НАДЁЖНОСТЬ ИСПЫТАНИЯ

аппаратных средств, так и надёжностью программного обеспечения, реализующего алгоритмы навигации и управления аппаратом, поскольку ошибка в ПО может вызвать сбой в системе, который приведет к её отказу и, соответственно, к потере работоспособности БПЛА.

Навигационная система беспилотного летательного аппарата (БПЛА) представляет собой аппаратно-программный комплекс, программное обеспечение (ПО) которого работает только на определённой конфигурации аппаратуры, в ограниченном диапазоне изменений его состава и структуры данных и обеспечивает решение следующих задач: непрерывное определение координат и текущих параметров движения методами инерциальной или инер-циально-спутниковой навигации и прогноз положения аппарата в пространстве, а также выдачу информации в систему управления рулевыми приводами (РП) для реализации требуемых параметров тра-екторного движения аппарата [1, 2]. Программное обеспечение БПЛА, как правило, имеет модульную структуру [3] и включает в свой состав набор драйверов, обработчиков прерываний от внешних устройств и таймеров, программные модули, реализующие алгоритмы навигации и управления, а также программу-диспетчер, контролирующую выполнение циклограммы работы аппарата. ПО должно обладать необходимым уровнем надежности, обеспечивающим возможность выполнения аппаратом поставленной перед ним задачи.

Как определено в ГОСТ Р 51904-2002 [4], процесс разработки ПО является последовательностью выполнения этапов, в соответствии с рисунком 1.

Очевидно, что качество функционирования навигационной системы определяется как надёжностью

Рисунок 1

Этапы, выполняемые в процессе разработки ПО

Под надёжностью навигационной системы обычно понимают её свойство безотказно выполнять заданные функции при заданных условиях в течение заданного периода времени [5]. Наиболее опасными с точки зрения потери БПЛА и/или невыполнения им поставленной задачи являются отказы катастрофические, опасные и существенные, в соответствии с [4]. ПО навигационной системы БПЛА, как и любой информационной системы, построено на основе операторов, наборов алгоритмов и реализующих их программных модулей. Программы не подвержены физическому старению, и нарушение работоспособности в процессе эксплуатации программы невозможно. Надёжность ПО может проявиться только в процессе функционирования в составе системы вследствие отказов технических средств. Если обнаруженные в процессе отладки и опытной отработки дефекты ПО и технических средств устраняются, а новые не вносятся, то интенсивность отказов системы должна уменьшаться. Таким образом, надёжность ПО - есть следствие исключения ошибок проектирования, т.е. ошибок, внесённых в процессе разработки ПО, а также экспериментальной отработки технических средств. Также правильность функционирования навигационной системы БПЛА в значительной мере зависит от используемой входной информации, поступающей, например, от инерциальных датчиков, приёмника спутниковых сигналов или иных источников, так как от значения входного набора данных зависит результат работы программы системы. Если входная информация содержит ошибки, то программа выдаст неправильный результат или «снимет» признак исправности аппарата даже при отсутствии ошибок в ПО. Современные методы обнаружения и парирования нарушений входных данных рассмотрены в работе [6]. При отсутствии или недостатке точных критериев и ко-

Хотя все перечисленные в таблице ошибки могут проявится в любой момент в процессе разработки ПО БПЛА, все же с достаточной долей уверенности можно сказать, что ошибки типа 1, 3, 4, 6 закладываются, как правило, на ранних этапах разработки ПО. Ошибки типа 2, 5, 7 чаще встречаются на более поздних этапах. Ошибки типа 1, 3, 4, 6 могут быть обнаружены путем тестирования бортовой аппаратуры, которое может быть и не связано на прямую с разрабатываемым БПЛА. Ошибки типа 2, 5, 7 более тесно привязаны к разрабатываемому БПЛА, его структуре, навигационным алгоритмам и др. Этапность проявления ошибок того или иного типа достаточно условная и сильно зависит от конкретных данных.

На стенде математического моделирования выполняется тестирование функциональных программных модулей, реализующих алгоритмы навигации и управления, без использования реальных приборов из состава СНАУ. На стенде имитационного моделирования, имитирующем работу приборов навигационной системы и сопряжённых приборов, производят автономную отработку в реальном масштабе

личественных показателей надёжности ПО БПЛА правильным может являться подход, при котором надёжность и качество обеспечиваются в процессе отработки и тестирования ПО, которые должны проводиться с использованием исправных технических средств на протяжении всего процесса разработки аппарата. Невозможность (ввиду высокой стоимости работ) проведения «идеального тестирования», которое включает в себя ПО, загруженное в испытываемый объект - навигационную систему БПЛА - и тестируемое в среде, которая имитирует эксплуатационные воздействия на объект с высокой точностью, требует применения подхода обеспечивающего требуемое качество ПО, но с приемлемыми затратами на его создание.

В настоящее время, как правило, применяется многоступенчатая технология разработки, отработки и тестирования ПО БПЛА, включающая отработку с использованием методов и средств математического, имитационного, и полунатурного моделирования, а также проведение натурных испытаний в составе наземных и лётных комплектаций на заключительном этапе разработки аппарата. Также контроль работоспособности навигационной системы проводится при проведении технического обслуживания БПЛА. В ходе испытаний преследуется цель - обнаружить и устранить ошибки, которые могли быть внесены в ПО во время выполнения предыдущих этапов разработки, с подтверждением того факта, что системные требования были должным образом реализованы в ПО. Тестирование должно охватывать проверки функционирования системы в области допустимых значений, тесты на устойчивость к ошибкам входных данных (вне данной области) и тесты, учитывающие потенциальные источники ошибок, присущих процессам разработки ПО. Типичные ошибки, выявляемые такими тестами

времени ПО, установленного на бортовое вычислительное устройство, и верификацию ПО путём анализа и сравнения результатов отработки с данными, полученными на математическом стенде [7]. Таким образом, при отработке на математическом и имитационном стендах оцениваются точность модели навигационной системы и параметры ошибок моделей инерциальных датчиков и приёмника спутниковой навигации, а вовсе не ошибки реальной системы и реальных датчиков. Эта проблема имеет существенное значение для обеспечения качества ПО системы, поскольку любая модель не полностью соответствует реальному прибору и его погрешностям в силу принятых допущений и неточностей математического описания.

Полунатурное моделирование на поворотных стендах обеспечивает прецизионные высокодинамичные угловые перемещения установленного стенде блока инерциальных чувствительных элементов (БЧЭ) контролируемой навигационной системы (и, соответственно, обеспечивает штатную работу датчиков угловой скорости из состава БЧЭ). Это по

приведены в таблице 1.

Таблица 1

Тип ошибки Возможные причины

1 Неправильная обработка прерываний, переполнение стека, некорректная инициализация переменных и констант, затирание областей данных В коде неверно учтена архитектура вычислителя

2 Некорректное время выполнения процедур и функций Не оптимизирован код выполнения наиболее ресурсоемких операций. Избыточность вычислений и др.

3 Некорректное поведение ПО при переходных процессах в аппаратуре В ПО не учтены особенности (циклограмма) работы системы

4 Проблема конкуренции для шин и других ресурсов Ошибки при разработке арбитража шин

5 Неспособность обнаруживать отказ аппаратуры Недостаточная глубина тестирования

6 Некорректная работа аппаратуры, управляющей памятью и др. Ошибки в ПО низкого (системного) уровня

7 Ошибки в работе функциональных алгоритмов системы, некорректные логические решения, некорректные реакции на сформированные условия, некорректная обработка исключительных арифметических ситуаций и др. Ошибки в ПО высокого уровня

сравнению с имитационным стендом позволяет увеличить глубину контроля работоспособности датчиков угловой скорости и функционирования навигационных алгоритмов и ПО. Использование 3-осе-вых поворотных стендов позволяет выполнять угловые перемещения БЧЭ одновременно в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях, что обеспечивает имитацию реального траекторного движения БПЛА. Однако отработка алгоритмов и ПО выполняется не в полной мере, так как показания акселерометров и приёмника спутниковой навигации, соответствующие движению БПЛА по траектории, опять же лишь имитируются с помощью математических моделей, а не считываются с реальных датчиков [8].

Натурные испытания навигационной системы проводятся в процессе лётных испытаний БПЛА и обеспечивают контроль качества ПО в реальных условиях функционирования аппарата. Однако натурные испытания характеризуются весьма высокой трудоёмкостью и значительными затратами финансовых и временных ресурсов, что не позволяет их использовать как элемент в технологии отработки ПО. Одновременно с этим необходимо отметить, что затруднительно обеспечить натурные испытания БПЛА в возможных режимах эксплуатации.

Проверки работоспособности систем навигации БПЛА, находящихся в эксплуатации, периодически проводимые с целью подтверждения надёжности аппаратных средств и ПО, как правило, выполняются в процессе технического обслуживания аппаратов с использованием унифицированной или специализированной контрольно-измерительной аппаратуры [9].

Одним из шагов, позволяющих существенно повысить глубину и, соответственно, качество отработки ПО БПЛА, является включение в технологию отработки метода полунатурного моделирования с использованием передвижного стенда, например, созданного на базе автомобиля. Использование передвижного стенда обеспечивает физическое воздействие как на датчики угловой скорости, так и на акселерометры из состава БЧЭ контролируемой навигационной системы в реальном времени. Это позволяет в динамическом режиме, одновременно

отрабатывать не только программную реализацию алгоритмов, но и взаимодействие составных частей системы между собой, при этом инерциальные датчики и приёмник спутниковой навигации работают в штатном режиме и их показания используются для решения навигационной задачи. Использование передвижного стенда обеспечивает максимальную глубину контроля комплексированной инерциально-спутниковой системы навигации в наземных условиях. Также очевидно, что испытания на передвижных стендах менее затратные в сравнении с натурными испытаниями БПЛА.

Таким образом, обеспечение надёжности и качества ПО является результатом его многократного тестирования, выполняемого как автономно, с использованием методов математического, имитационного и полунатурного моделирования, так и в составе наземных и лётных комплектаций на протяжении всего процесса разработки и испытаний БПЛА, а также при проведении периодических проверок в ходе технического обслуживания. Естественно, экспериментальное определение массо-геометрических характеристик БПЛА, выполняемое на заключительном этапе его общей сборки, позволяет повысить качество отработки ПО и надёжность результатов натурных испытаний [10]. Совокупность наземных и лётных испытаний БПЛА обеспечивает отработку навигационной системы, включая ПО, с требуемым качеством и надёжностью. Включение в технологию отработки навигационных систем дополнительных шагов, обеспечивающих проведение полунатурного моделирования с использованием оборудования, обеспечивающего реальные воздействия на инерциальные датчики и приёмник спутниковой навигации, позволяют кратно снизить затраты на создание ПО и проведение натурных испытаний, повысить глубину контроля и обеспечить верификацию ПО в условиях, близких к условиям реального функционирования БПЛА. Интегральной характеристикой надёжности системы навигации БПЛА может считаться обеспечиваемое системой качество навигации (точность, обеспечиваемая навигационными алгоритмами, бортовым ПО и аппаратурой) и точность по времени формирования команд управления РП и исполнительными механизмами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Распопов В.Я. Микросистемная авионика. Учебное пособие. - Тула: «Гриф и К», 2010. - 248с.

2. Логинов А.Ю., Придачкин Д.Г., Шустов А.Л., Андреев С.В., Андреев Д.В. Система навигации и автоматического управления БПЛА с бортовым вычислителем на базе микропроцессора 1892ВМ8Я // Материалы XIV всероссийской научно-технической конференции «Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского». (Москва, 13-14 апреля 2017 г.). - М: Издательский дом Академии имени Н.Е. Жуковского, 2017. - С. 367-372с.

3. Логинов А.Ю., Придачкин Д.Г., Шустов А.Л. Организация распределенного программного обеспечения бортового вычислителя. // Материалы XXI Международной научной конференции «Решетнёвские чтения» (Красноярск, 8-11 ноября 2017 г.): в 2 частях / Под общ. ред. Ю.Ю. Логинова. - Красноярск: СибГАУ, 2017. - Ч. 1. - С. 343-344.

4. ГОСТ Р 51904-2002. Программное обеспечение встроенных систем. Общие требования к разработке и документированию. - М.: Издательство стандартов, 2002. - 62 с.

5. Авакян А.А. Синтез отказоустойчивых комплексов бортового оборудования летательных аппаратов // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» (Пенза, 25-31 мая 2015 г.): в 2-х томах. - Пенза: ПГУ, 2015. - Т. 1. - С. 6-10.

6. Чернодаров А.В., Патрикеев А.П. Контроль и парирование нарушений в наблюдаемых динамических системах с использованием комбинированных критериев согласия // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» (Пенза, 25-31 мая 2015 г.): в 2-х томах. - Пенза: ПГУ, 2015. - Т. 2. - С. 81-85.

7. Ильиных В.В., Андреев С.В., Ключников А.В. Чертков М.С. Моделирование динамики полёта беспилотного летательного аппарата в компьютеризированном имитационном стенде // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» (Пенза, 23-31 мая 2011 г.): в 2-х томах. - Пенза: ПГУ, 2011. -Т. 1. - С. 302-304.

8. Андреев С.В., Ключников А.В., Чертков М.С., Шалашов С.В. Полунатурное моделирование ИНС на поворотном стенде при использовании БЧЭ с интерфейсом МКИО. Сборник статей международной XXX научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 23-25 апреля 2013 г.) / Под ред. проф. М.А. Щербакова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - С. 422-425.

9. Иванов А.Ю. Контроль навигационной системы при проведении технического обслуживания беспилотного летательного аппарата // Материалы IX межрегиональной отраслевой научно-технической конференции «Люлюевские чтения» (Екатеринбург, 19-20 марта 2014 г. - Челябинск: ЮУрГУ, 2014. - С. 7778.

10. Абышев Н.А., Васильев М.А., Криковцов Д.А., Ключников А.В. Стенд для комплексного определения массо-геометрических характеристик деталей методом качающейся платформы // Труды ХХ международного симпозиума «Надежность и качество» (Пенза, 25-31 мая 2015 г.): в 2-х томах. - Пенза: ПГУ, 2015. -Т. 1. -С. 320-321.