Ключевые аспекты эффективной технологии создания бортового программного обеспечения спутников связи, навигации и геодезии

Развернутый обзор современной технологии разработки и сопровождения бортового программного обеспечения (БПО) космических аппаратов, используемой в АО «РЕШЕТНЁВ», впервые был представлен в статьях, опубликованных в журнале «Наукоёмкие технологии» в 2014 году [1, 2]. К этому моменту в АО «РЕШЕТНЁВ» было создано четыре вычислительные платформы. В этих статьях содержится библиография по принципам и методам, положенным в основу создания этой технологии.

Средства разработки, применяемые в технологии, детально рассмотрены в публикации 2018 года в журнале «Космонавтика и ракетостроение» [3]. В данной статье будут рассмотрены только аспекты, не отраженные в предыдущих публикациях.

Всего с момента начала создания первого космического аппарата с бортовым компьютером (КА Космос-1366, запущен в 1982 году) в АО «РЕШЕТНЁВ» создано шесть вычислительных платформ и произведен запуск 130 подобных КА связи, навигации и геодезии. На 130-м спутнике – КА Космос-2569, запущенном в 2023 году, шестая вычислительная платформа использована впервые.

Понятие вычислительной платформы охватывает три составляющих – это бортовой компьютер

(БК) определенной архитектуры, операционная система (ОС) реального времени для этого компьютера и средства разработки и сопровождения программ БПО, функционирующих в среде этой операционной системы на этом компьютере.

Для каждой вычислительной платформы в АО «РЕШЕТНЁВ» создаются:

• -    унифицированное ядро ПО БКУ КА, включающее ОС и создающее среду программного функционирования и программного управления для ПО систем КА;

  _-

  
  
  
  

средство разработки и автономного тести- рования программ БПО – кросс-система программирования на языке программирования Модула-2;

• -    средство системного тестирования БПО, включающее программную модель КА, состоящую из моделей аппаратуры БКУ КА и модели поведения систем КА.

Эти средства, конечно, сохраняют типовые пользовательские и программные интерфейсы БПО и средств разработки БПО, единые для всех вычислительных платформ, что обеспечивает высокую степень унификации и переносимости БПО на различные вычислительные платформы и существенно снижает риски, возникающие при этом. Однако в ситуации, когда распространение функционально одинаковых программ осуществляется на платформы с разными характеристиками бортовых компьютеров и КА с разной целевой аппаратурой, требуются новые решения в управлении конфигурацией и системном тестировании БПО, особенно при сопровождении функционирующих КА и особенно в аспекте распространения доработок БПО в процессе штатной эксплуатации КА.

Сводная информация по внедренным вычислительным платформам приведена в таблице.

В основу принципов построения и развития технологии создания БПО для этих платформ была положена концепция, базирующаяся на сле-

Том 9

дующем определении: «Технология разработки программного обеспечения – это совокупность методов и средств, реализуемых в процессе производства программного обеспечения, с целью изготовления программного продукта определенного класса (1) с требуемым уровнем качества (2), в установленные сроки (3) и с использованием заданного количества ресурсов (4)» [4].

Технологии разработки и сопровождения БПО спутников, как и всякая технология, базируются на трех «китах» – создаваемых объектах, выполняемых работах и используемых инструментальных средствах [5].

1.    Объекты 1.1.    БПО спутника разрабатывается как совокупность ПО систем спутника, рассматриваемых как программное обеспечение, встроенное в эти системы, которое проектируется, программируется, тестируется и подтверждается в рамках соответствующей системы спутника. 1.2.    ПО одной из систем (в случае АО «РЕШЕТНЁВ» эта система называется – бортовой комплекс управления (БКУ) спутника) решает все интегральные вопросы БПО и предоставляет другим системам среду программного функционирования и среду программного управления с постоянными программными интерфейсами. 1.3.    ПО систем спутника функционируют в единой аппаратно-программной среде, предоставляемой системой БКУ, и разрабатываются по единой технологии с использованием единых инструментальных средств. 2.    Работы 2.1.    Проектирование и системное тестирование ПО систем спутника, выполняемые проектантами систем спутника, и системное тестирование Таблица Платформа Период Проекты Язык программирования - Ассемблер (24КА) С-4 (IBM-360) КСП CAMV 198220002015 Поток, Луч, Галс, Экспресс, Экспресс-А и др. СЕСАТ Язык программирования - Модула-2 (106 КА) OBC-1750(MIL-STD-1750) КСП M2–1750/C-1750 2003- Экспресс-АМ (11, 22, 1, 2, 3, 33, 44) С-32 (VAX-11/750) КСП M2-VAX 2003- Глонасс-М, Ямал-300К (401), Экспресс-АМ (5, 6, 8, АТ1/АТ2), KazSat-3 и др. БИВК (MIPS-III) КСП M2-MIPS 2011- Глонасс-К, Луч-5 (А, Б, В) и др. С-32М1 (SPARC) КСП M2-SPARC 2020- Экспресс-80/103, Экспресс-АМУ3/АМУ7, AngoSat-M и др. БИВК-М (PowerPC) КСП M2-PPC 2023- Глонасс-К2

БПО в целом, выполняемое проектантами, создающими ПО БКУ.

• 2.2.    Детальное проектирование, программирование и автономное тестирование программ ПО систем спутника, выполняемые программистами систем спутника.

• 2.3.    Управление конфигурацией БПО, включая его интеграцию и изготовление, выполняемое специалистами, создающими ПО БКУ.

3.    Средства 3.1.    Автоматизированная система поддержки проектирования, системного тестирования и сопровождения БПО на основе информационной модели БПО спутников, системы архивов объектов разработки, включая наборы их тестов, и средств системного тестирования, использующих программные модели спутников. 3.2.    Интегрированная среда разработки, автономного тестирования и верификации программ ПО систем на основе многоплатформенной кросссистемы программирования на языке Модула-2. 3.3.    Автоматизированная система сопровождения программ, изделий и документов БПО со средствами электронного распорядительного документооборота, имеющая в своем составе средства изготовления БПО.

Ключевыми составляющими этой концепции в аспекте создания и сопровождения БПО спутников являются управление качеством, базирующееся на качестве компонент БПО, качестве управления конфигурацией БПО и качестве верификации и подтверждения БПО, и управление объектами и работами, при котором выделяется три уровня конфигурационных единиц – компонента ПО подсистемы КА, сборка ПО подсистемы и выпуск БПО, и три распорядительных документа, управляющие их созданием – Задание-Заключение на разработку компоненты или сборку ПО подсистемы, Запрос-Отчет на создание или доработку ПО подсистемы и Отчет о проблеме в программном обеспечении.

Важную роль также играют: подход к определению БПО, существенно упрощающий его разработку и сопровождение; использование для верификации и подтверждения БПО методов и средств программного (имитационного) моделирования, а также методы и средства подготовки технологии разработки БПО КА к освоению новых вычислительных платформ.

В АО «РЕШЕТНЁВ» накоплен большой опыт подготовки технологии разработки БПО к использованию в составе бортовых комплексов управления КА новых бортовых компьютеров.

Эффективная переносимость функционального БПО на новую вычислительную платформу обеспечивается постоянством и свойствами используемого языка программирования и средств разработки БПО и постоянством программного интерфейса, предоставляемого бортовой ОС.

Подход АО «РЕШЕТНЁВ» в решении вопроса адаптации унифицированной бортовой ОС при переходе на новую вычислительную платформу состоит в определении и минимизации зависимого от архитектуры процессора микроядра ОС, предоставляющего оптимальный и уже архитектурнонезависимый программный интерфейс для реализации архитектурно-независимым образом максимального числа функции и компонент ОС. Эти функции и образуют тот самый постоянный программный интерфейс для функционального программного обеспечения, который и обеспечивает полную переносимость функциональной части БПО.

Разработанный в АО «РЕШЕТНЁВ» архитектурно-независимый интерфейс микроядра бортовой ОС был успешно реализован при внедрении четвертой вычислительной платформы и всех последующих.

В технологии разработки бортового программного обеспечения спутников, создаваемых АО «РЕШЕТНЁВ», на этапах автономного и системного тестирования используются программные модели бортовых компьютеров спутников.

На этапе автономного тестирования программ БПО используется имитатор команд бортового компьютера (ИКБК), создаваемый для каждой вычислительной платформы. Этот имитатор входит в состав системы тестирования и отладки кросссистемы программирования на языке Модула-2 для соответствующего БК и обеспечивает возможность выполнения получаемого для БК исполнимого кода на обычном ПК. Его программный интерфейс не только позволяет выполнять средствами кросс-системы тестирование и отладку отдельных программ БПО в диалоговом и пакетном режиме, но и позволяет осуществлять автоматическую оценку полноты автономного тестирования этих программ, обеспечивая высокое качество этапа автономного тестирования программ БПО [6].

Для этапа системного тестирования ПО систем спутника и БПО спутника в целом на основе ИКБК создаётся полная программная модель БК. Эта модель является ядром программной модели спутника, входящей в состав средств системного тестирования БПО, и также обеспечивает возможность проведения системного тестирования БПО на обычном ПК. В состав модели БК входит ИКБК из соответствующей кросс-системы программирования и модели устройств БК, такие как модель системы прерывания, модель системы времени, модели ОЗУ и ВЗУ, модели контроллеров внешних и внутренних каналов обмена и прочее [7].

Модель БК создается для каждой вычислительной платформы и без изменения используется в программных моделях спутников, создаваемых на основе одной вычислительной платформы.

Полнота модели БК позволяет не только в полном объеме исследовать функционирование БПО при системном тестировании, но и проводить исследование ситуаций, возникающих при функционировании БПО спутников, на заводских испытаниях и в процессе эксплуатации.

ИКБК и программная модель БК не только обеспечивают покомандное выполнение бортовых программ, но позволяют еще при автономном тестировании с высокой точностью оценить реальное время выполнения этих программ на бортовом компьютере, а при системном тестировании позволяют организовать на средствах системного тестирования БПО в модельном времени реальное временное отражение процессов функционирования БПО и аппаратуры спутника.

АО «РЕШЕТНЁВ» обладает эффективной технологией создания программных моделей спутников как для целей системного тестирования БПО, так и для его сопровождения при эксплуатации [8, 9].

Программная модель спутника строится на базе унифицированного общесистемного ядра средств системного тестирования и включает в свой состав программные модели бортового компьютера, модели аппаратуры бортового комплекса управления спутников, модели поведения систем спутника, модель его орбитального движения и реальное БПО. Уровень детальности программного моделирования аппаратуры и поведения систем определяется необходимым уровнем детальности системного тестирования БПО.

Программная модель спутника создается для каждого спутника и сопровождается в течение всего времени его существования, обеспечивая возможность верификации доработок БПО в процессе его сопровождения.

Использование средств программного моделирования в технологии разработки БПО не только существенно сокращает сроки и трудоемкость разработки и сопровождения БПО спутников, но и существенно сокращает сроки и трудоемкость создания имитаторов спутников для Центров управления полетами. Дело в том, что программная модель спутника для системного тестирования БПО после незначительной доработки может использоваться в качестве программной модели космического аппарата для имитатора спутника, необходимой для обеспечения возможности обучения персонала Центров управления и для верификации процедур управления спутником перед их применением.

Внедрение на спутнике бортового компьютера c новой архитектурой требует создания новой вычислительной платформы, сохраняющей традиционные пользовательские и программные интерфейсы БПО и средств разработки БПО.

Том 9

В 2017 году в АО «РЕШЕТНЁВ» была завершена подготовка средств разработки БПО для внедрения на КА АО «РЕШЕТНЁВ» двух новых компьютеров – С-32М1 (архитектура SPARCv8) и БИВК-М (архитектура PowerPC).

Для каждой вычислительной платформы были созданы:

• -    унифицированное ядро ПО БКУ КА, включая операционную систему бортового компьютера, создающее типовую среду программного функционирования и программного управления для ПО систем КА;

• -    средство разработки и автономного тестирования программ БПО – кросс-систему программирования на языке программирования Модула-2 (КСП М2), включая программный имитатор команд бортового компьютера;

• -    средство системного тестирования ПО систем КА и БПО в целом (НОК БПО), включая программную модель КА (ПМКА), содержащую модель бортового компьютера, модели аппаратуры БКУ КА и модели поведения систем КА.

Работы по созданию средств для двух компьютеров разной архитектуры впервые в истории АО «РЕШЕТНЁВ» проходили практически параллельно. Это обстоятельство заставило для снижения трудоемкости работ провести перепроектирование средств в направлении максимальной унификации их компонент.

В результате таких работ при создании ОС для этих компьютеров в их структуре удалось выделить и минимизировать архитектурно зависимое микроядро, предоставляющее для компонент следующего уровня уже унифицированный архитектурно-независимый программный интерфейс. Найденное решение позволило унифицировать исходные тексты компонентов ОС [10–12].

При создании КСП М2-SPARC и КСП М2-PPC унификация структуры ИКБК позволила не только сократить общий срок и трудоемкость их создания, но и использовать один и тот же ИКБК в КСП М2 и в средствах системного тестирования.

В свою очередь, унификация структуры ПМКА позволила в обеих созданных моделях КА использовать одну и ту же среду программного моделирования.

Заключение

Проведенные мероприятия позволили не только своевременно подготовить технологию разработки БПО к созданию программ для новых КА, но и обеспечили возможность АО «РЕШЕТНЁВ» при создании новых КА в большом объеме использовать имеющийся задел компонент ПО систем КА, процедур тестирования и программной документации БПО КА.