Designing and constructing of the program-mathematical model for the spacecraft command and measuring system

Full Text

Создание высокотехнологичного производства со- ройств. Использование программно-математической временной бортовой аппаратуры космического аппа- модели позволяет ускорить и значительно удешевить рата в большой степени опирается на программно- процессы конструирования бортовых комплексов [1]. математическое моделирование технических уст- Командно-измерительная система (КИС) предна- * Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (договор № 02.G25.31.0041). 114 Авиационная и ракетно-космическая техника значена для передачи телеметрической информации со спутника на Землю, приема телекоманд из центра управления полетами, обработки и передачи их бортовым системам космического аппарата, а также для измерения текущих навигационных параметров орбиты. Командно-измерительная система представляет собой сложный технический объект, основу которого составляют высокотехнологичные элементы и программное обеспечение. Проектирование командноизмерительной системы является дорогостоящим процессом, для ее изготовления и анализа функционирования требуются специальные инструменты [2], к числу которых относится и программно-математическое моделирование. Программно-математическая модель (ПММ) создается как программный комплекс, позволяющий имитировать функционирование реальной аппаратуры командно-измерительной системы с помощью инструментов информационной, графической, имитационной и аналитической поддержки функциональных задач КИС. ПММ может быть использована в процессе работы конструктора над проектом бортовой аппаратуры, для проведения проверочных испытаний, а также в обучающем режиме - для решения учебноисследовательских задач. Назначение и функциональные блоки программно-математической модели. Программноматематическая модель (рис. 1) создается с целью повышения эффективности работы конструктора-разработчика аппаратной части командно-измерительной системы за счет применения передовых информационных технологий и математического обеспечения для интеллектуальной поддержки [3] конструкторских задач. Назначение ПММ состоит в инструментальной поддержке функций конструктора бортовой аппаратуры при разработке и испытании командно-измерительных систем. Система должна обеспечивать имитацию архитектуры командноизмерительной системы и функционирования аппаратного обеспечения, анализ соответствия заданным техническим условиям. Программно-математическая модель будет также обеспечивать поддержку испытаний бортовой аппаратуры командно-измерительной системы в сопряжении с контрольно-проверочной аппаратурой. Имитационное моделирование функционирования бортовой аппаратуры и визуализация процесса испытаний командноизмерительной системы будут использоваться для оценки новых технических решений и организации наглядного обучения. Программное обеспечение будет использоваться в учебном процессе при практической подготовке студентов и персонала эксплуатирующей организации для изучения принципов и особенностей работы командно-измерительной системы в условиях, максимально приближенных к реальным. Подсистема имитационного моделирования имитирует все этапы функционирования элементов командно-измерительной системы при прохождении пакетов команд и телеметрии, процессы проведения испытаний, реакции подсистем и изменения наблюдаемых параметров. Информационная поддержка имита ционного моделирования осуществляется с применением баз данных, представляющих всю необходимую информацию для разных режимов работы модели: база команд центра управления полетами, база данных, описывающих аппаратуру командно-измерительной системы, допустимые пределы изменения параметров и др. Интеллектуальная поддержка функционирования модели осуществляется с применением базы знаний, описывающей правила поведения элементов КИС в разных ситуациях, что позволяет организовать работу модели как в автоматическом, так и в интерактивном пошаговом режиме. Визуальная часть программно-математической модели представляет структурную схему командно-измерительной системы. Средства графической визуализации позволяют динамически отображать состояние элементов модели в наглядной форме. Система поддержки проведения испытаний включает в себя ряд функциональных подсистем, в том числе подсистему обеспечения функций взаимодействия с контрольно-проверочной аппаратурой. Подсистема подготовки сценариев позволяет создавать сценарии испытаний на основе заданного набора команд и входных параметров испытаний. Библиотеки программ связи с объектами представляют собой программное обеспечение для управления и передачи задач на аппаратные устройства. Развитые средства визуализации параметров обеспечивают оперативный мониторинг испытаний в реальном времени. Подсистема ведения архива испытаний предназначена для архивирования результатов испытаний в хранилище данных и поддержки последующего анализа. Подсистема подготовки отчетов позволяет формировать отчеты на основе исходных данных, сценариев работы, наборов команд, наблюдаемых параметров. Система поддержки работы конструктора представляет собой не отдельное приложение, а набор режимов работы с программно-математической моделью, позволяющих решать разнообразные задачи. Система обеспечивает автоматизированную поддержку работы конструктора КИС над проектом бортовой аппаратуры. За счет применения имитационной модели обеспечивается анализ соответствия архитектуры КИС и функционирования аппаратного обеспечения заданным техническим условиям. С помощью ПММ конструктор может организовать проверочные испытания бортовой аппаратуры КИС в сопряжении с контрольно-проверочной аппаратурой. Учебно-исследовательская система - это комплексная программная подсистема в структуре программно-математической модели, предназначенная для интерактивного обучения и приобретения знаний, навыков работы инженерно-техническим персоналом и студентами в объеме, необходимом для проектирования и тестирования составных частей комплекса бортовой аппаратуры командно-измерительной системы. В состав учебно-исследовательской системы входят следующие основные подсистемы: информационно-справочная подсистема, имитационный тренажер, виртуальная лаборатория, планировщик обучения, подсистема контроля знаний. Программно 115 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 математическая модель будет использоваться в учебном процессе при практической подготовке студентов и персонала эксплуатирующей организации путем изучения принципов и особенностей работы бортовой аппаратуры командно-измерительной системы в условиях, максимально приближенных к реальным. Подсистема доступа и управления представляет собой комплекс сервисных подсистем, обеспечивающих взаимодействие основных функциональных блоков системы, доступ к информационному обеспечению, а также вспомогательные сервисные функции, такие как пополнение и коррекция баз данных и знаний, разделение доступа и др. Имитационное моделирование командно-измерительной системы. В основу программно-математической модели положены принципы имитационного моделирования, позволяющие прогнозировать поведение командно-измерительной системы как сложного технического объекта. Имитационное моделирование опирается на информационно-графическое представление реальной структуры командно-измерительной системы. Структура представляется как набор интегральных свойств и характеристик элементов, а поведение - как процессы перехода между состояниями системы. Модель имитирует внутрисистемные процессы информационного обмена, а также механизмы внешнего взаимодействия. К модели предъявляются требования наглядности и компактности. В настоящее время разработана первая очередь программно-математической модели, которая обеспечивает имитацию архитектуры и аппаратного обеспечения командно-измерительной системы. Моделируется работа бортовой аппаратуры, включая основные блоки - приемник, передатчик, интерфейсный модуль командно-измерительной системы (МИ КИС). Для полнофункционального моделирования работы бортовой аппаратуры командно-измерительной системы, кроме основных блоков, моделируются функции бор та космического аппарата и центра управления полетами (ЦУП). Графическая визуализация имитационной модели представлена на рис. 2. Особенностью моделируемой командно-измерительной системы является организация связи с наземным комплексом управления в соответствии со стандартами европейского космического агентства. Взаимодействие с космическим аппаратом осуществляется с помощью двух типов данных: телекоманд и телеметрии. Телекоманды передаются из центра управления полетами на борт, а телеметрия представляет собой поток данных, передаваемый с борта космического аппарата на Землю. Передача телекоманд основана на стандарте ESAPSS-04-107 [4], а передача телеметрии - на стандарте ESAPSS-04-106 [5]. Стандарты обеспечивают надежность и достоверность информации и регламентируют состав и способ передачи данных [6]. Программно-математическая модель выполняет имитацию функционирования борта космического аппарата, в состав которого входят: бортовой цифровой вычислительный комплекс (БЦВК), бортовой комплекс управления (БКУ), бортовая аппаратура телесигнализации (БАТС). Интерфейсный модуль командноизмерительной системы непрерывно, с заданной периодичностью отправляет запрос бортовой аппаратуре телесигнализации для получения телеметрической информации. Бортовая аппаратура телесигнализации обрабатывает запрос и возвращает в интерфейсный модуль пакет, содержащий телеметрию борта. На основании полученной телеметрической информации от бортовой аппаратуры телесигнализации и от командноизмерительной системы интерфейсный модуль формирует телеметрический пакет в соответствии со стандартом ESAPSS-04-106 и отправляет его передатчику (ПРД). Передатчик, в свою очередь, передает пакет в наземный комплекс управления. Программ но-математическая модель бортовой аппаратуры кі>мандні)-и:імери і ельной системы космическою аппарата Рис. 1. Основные функциональные блоки ПММ 116 Авиационная и ракетно-космическая техника Рис. 2. Графическая модель: отображение прохождения сигнала Модель наземного комплекса управления имитирует основные функции центра управления полетами: прием пакетов телеметрической информации; формирование и передачу пакетов радиокоманд в соответствии со стандартом PSS-04-107. Приемник (ПРМ) принимает пакеты радиокоманд и передает их в интерфейсный модуль командно-измерительной системы, который, в свою очередь, обрабатывает команды и в зависимости от назначения каждой из них вырабатывает соответствующую реакцию. Блоки программно-математической модели имеют набор настроек, который можно изменять в процессе имитации функционирования бортовой аппаратуры командно-измерительной системы. При помощи настроек можно моделировать различные конфигурации бортовой аппаратуры командно-измерительной системы, а также имитировать нештатные ситуации и режимы работы. Помимо конфигурации самих блоков можно задавать конфигурацию протоколов передачи данных. Программное обеспечение модели формирует протоколы приема и обработки пакетов данных и работы функциональных блоков. Протокол работы блоков содержит настраиваемые в процессе работы параметры приема, передачи сигналов, времени ожидания ответа и квитанции (рис. 3). Отличительной особенностью различных экземпляров бортовой аппаратуры командно-измерительной системы является набор выполняемых команд, который зависит от назначения космического аппарата. Программное обеспечение модели имеет весь необходимый функционал для создания и актуализации базы команд в различных вариантах реализации бортовой аппаратуры командно-измерительной системы. Последовательность команд, которая должна обрабатываться в процессе имитационного моделирования, задается в специальном интерфейсе. Этапы прохож дения и обработки команд отображаются в блоке настроек модели центра управления полетами. Команда имеет статусы «ожидает отправки», «отправлена» и «квитирована», изменение которых определяет текущее состояние работы модели с командой. Разработанное программное обеспечение программно-математической модели бортовой аппаратуры командно-измерительной системы обладает широкими средствами для настройки графического пользовательского интерфейса. Пользователь может настроить видимость, размер и расположение окон, способы отображения главного меню и панели быстрого доступа. Взаимодействуя с системой через графический интерфейс, пользователь может сконфигурировать имитационную модель бортовой аппаратуры командноизмерительной системы, а также настроить протоколы связи, которые будут моделировать прохождение сигнала. В процессе симуляции можно изменять настройки блоков и моделировать нештатные ситуации, например, изменять время генерации телеметрии, отключать блоки, отвечающие за передачу телеметрии от борта, отключать квитирование команд и т. п. Модель имитирует и визуализирует процесс передачи пакетов данных по каналам связи между блоками. В графическом представлении каждая передача данных сопровождается анимацией соответствующей связи. По каждому блоку ведется протокол, в котором отображаются события, связанные с этим блоком. Протокол работы блока визуализируется в виде таблицы, которая обладает функциями фильтрации и группировки событий. Протоколы работы имитационной модели позволяют в наглядном виде анализировать особенности функционирования как отдельных блоков, так и командно-измерительной системы в целом. Поддержка процессов подготовки и проведения испытаний. Проектирование функций организации и 117 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 поддержки проверочных испытаний командноизмерительной системы выполнено на основе анализа информационных потоков при взаимодействии программного обеспечения с оборудованием контрольнопроверочной аппаратуры (рис. 4). Для решения задачи информационно-графической поддержки проведения испытаний программное обеспечение реализует функции связи и работы с аппаратными средствами, входящими в состав контрольнопроверочной аппаратуры. К такому оборудованию относятся измерительные приборы, блоки источников питания, приборы, позволяющие проводить кодирование/декодирование, модуляцию/демодуляцию и усиление высокочастотных сигналов, имитаторы интерфейсных связей и другие аппаратные средства. Для управления оборудованием контрольнопроверочной аппаратуры программно-математическая модель дополняется функциями связи с устройствами. Система должна позволить проводить испытания как в ручном, так и в автоматическом режимах. При ручном режиме проведения испытаний необходима поддержка интерактивного взаимодействия с пользователем. Требуются специализированные средства создания сценариев испытаний, возможность задавать виды испытаний, наблюдаемые устройства, измеряемые параметры, критерии проверки, способы отображения измеряемых показателей и т. п. Средства гра фической визуализации и информационное обеспечение должно обеспечивать возможность проведения испытаний в автоматическом режиме вплоть до полной функциональной проверки бортовой аппаратуры командно-измерительной системы. Все испытания должны сопровождаться функциями визуализации в режиме реального времени и анализом результатов после окончания испытаний. Все процессы функционирования должны сопровождаться формированием отчетов, документированием, протоколированием испытаний, их результатов и дополнительных параметров оборудования. Исследование потоков данных для задач поддержки, анализа, контроля и имитационного моделирования функций бортовой аппаратуры командноизмерительной системы позволило выделить основные функциональные задачи и выполнить проектирование подсистем программно-математической модели. В настоящее время система поддержки испытаний находится в стадии разработки. Предложенный подход, заключающийся в комплексной инструментальной поддержке процессов конструирования и испытания бортовой аппаратуры, позволил выполнить проектирование программноматематической модели командно-измерительной системы и определить функциональные требования к подсистемам. Рис. 3. Функционирование модели: визуализация имитационного моделирования 118 Авиационная и ракетно-космическая техника Рис. 4. Функциональная диаграмма для задачи проведения испытаний Разработанная имитационная модель командноизмерительной системы позволила выполнять информационно-графическое моделирование поведения командно-измерительной системы. Алгоритмы взаимодействия элементов имитационной модели позволяют моделировать прохождение и анализ телекоманд, обработку запросов телеметрии. Выполнено проектирование основных подсистем, предназначенных для обеспечения функционирования имитационной модели, организации учебно исследовательской среды и вспомогательных сервисных функций. Ведутся работы по созданию программного обеспечения контрольно-проверочной аппаратуры и учебно-исследовательской системы. Система информационно-графической поддержки проведения испытаний обеспечит взаимодействие с аппаратными средствами командно-программной аппаратуры. Учебно-исследовательская система позволит организовать обучение специалистов и операторов за счет использования программно-математической модели командно-измерительной системы в качестве тренажера и виртуальной лаборатории.

About the authors

Ludmila Fedorovna Nozhenkova

Institute of computational modelling Siberian Branch of Russian Academy of Science

Email: expert@icm.krasn.ru
Doctor of engineering sciences, Professor, Head of the Department of Applied Informatics

Olga Sergeevna Isaeva

Institute of computational modeling Siberian Branch of Russian Academy of Science

Email: isaeva@icm.krasn.ru
Candidate of Engineering Science, Senior researcher

Evgeny Andreevich Gruzenko

Institute of computational modelling Siberian Branch of Russian Academy of Science

Email: Gruzenko@icm.krasn.ru
postgraduate student

References

Supplementary files