Проблемы обработки телеметрической информации в контуре автоматизированной системы управления космическими аппаратами

Структура автоматизированной системы управления космическим аппаратом . Автоматизированная система управления космического аппарата (АСУ КА), рассматриваемая в [1; 2], предназначена для обеспечения работы бортовых систем космического аппарата в течение всего времени его активного существования, представляет собой совокупность бортовых и наземных средств управления с необходимым математическим обеспечением, и состоит:

• -    из бортового комплекса управления (БКУ);

• -    наземного комплекса управления (НКУ).

Вышеприведенные составляющие АСУ КА представляют собой самостоятельные функциональные звенья с решением определенных задач управления в контуре АСУ. В задачи бортового комплекса управления, описываемого в [1; 5], входит следующее:

• -    обеспечение приведения элементов конструкции и бортовых систем КА в рабочее состояние;

• -    управление работой бортовой аппаратуры КА в автономном и оперативном режимах;

• -    контроль и диагностика технического состояния бортовых систем;

• -    организация работы бортового программного обеспечения.

Необходимо отметить, что одной из важнейших задач БКУ является сбор, обработка, сжатие, хранение и выдача по требованию наземного комплекса управления телеметрической информации (ТМИ) о текущем состоянии бортовых систем.

Наземный комплекс управления рассматривается в [2; 4; 5] и предназначен для непрерывного выполнения задач управления, контроля и поддержания заданных технических и баллистических характеристик КА и орбитальной группировки (ОГ) в целом. Обеспечение решения этих задач диктует состав НКУ Как правило, в состав НКУ включены следующие элементы:

• -    центр управления полетом;

• -    наземные командно-измерительные станции (КИС);

• -    станции приема телеметрической информации;

• -    корелляционно-фазовые пеленгаторы (КФП);

• -    система связи и передачи данных (ССПД).

Телеметрическая информация в контуре автоматизированной системы управления космическим аппаратом . Обеспечение задач планирования и управления КА осуществляется аппаратно-программными средствами

НКУ КА, являющимся составной частью НКУ единой системы спутниковой связи. В [5] рассматриваются различные виды информации, циркулирующие структуре НКУ, основными из которых являются: разовые команды, программные команды, командно-программная информация, информация функционального контроля, баллистическая и телеметрическая информация. В сложной автоматизированной системе управления, какой является АСУ КА, особую роль играет реакция управляемого КА на управляющие воздействия, а именно телеметрическая информация. Телеметрическая информация, поступающая с передающих устройств КА по радиолинии, содержит сведения о работе и состоянии бортовой аппаратуры КА, выполнении программ работы и управляющих воздействий [1-5].

Процесс сбора телеметрической информации о состоянии КА, передачи и представления ее конечному пользователю (оператору управления, системному специалисту) представляет собой многоступенчатую процедуру, включающую в себя следующие этапы.

Этап сбора и передачи телеметрической информации , рассматриваемый в [3], выполняется бортовой аппаратурой телесигнализации (БАТС) на средствах БКУ и обеспечивает решение следующих задач:

• -    сбор, обработка информации от датчиков аппарат -ными средствами БАТС (контроллерами датчиков);

• -    аналогово-цифровое преобразование данных с дат-чичков;

• -    размещение данных в оперативной памяти БАТС;

• -    взаимодействие с бортовым цифровым вычислительным комплексом;

• -    формирование и выдача в бортовую командно-измерительную систему (бортовую КИС) телеметрического сообщения в виде псевдокадров.

Этап предварительной обработки телеметрической информации , рассматриваемый в [4; 5], осуществляется средствами наземной КИС в составе НКУ и обеспечивает решение следующих задач:

• -    прием телеметрической информации наземной КИС и осуществление идентификации, нормализации, усиления ТМ-сигнала;

• -    аналогово-цифровое преобразования информации средствами КИС;

• -    выделение синхропосылки, анализ служебной части кадра, нарезка потока ТМИ на псевдокадры;

• -    привязка псевдокадров к московскому декретному времени;

• -    формирование блоков информации для передачи в каналы связи;

• -    передача сформированных блоков телеметрической информации в комплекс обработки информации (КОИ) Рымник или систему автоматизированной обработки пункта (САО-П), в зависимости от этапа проведения работ.

Этап первичной обработки телеметрической информации , рассматриваемый в [4; 5], осуществляется распределенной системой обработки Рымник или системой САО-П и обеспечивает решение следующих задач:

• 1)    в случае проведения работ через Рымник:

• -    обработка ТМИ средствами КОИ, выделение существенных значений, проверка на достоверность, учет калибровочных уровней, тарирование для представления параметров в физических величинах, редактирование состояния сигнальных параметров и нахождения аналоговых параметров в заданном диапазоне, обработка определяющих «ключевых» параметров, обработка различных типов параметров (сигнальных, функциональных, управляющих, разовых команд, цифровых, кодовых, временных);

• -    передача ТМИ по каналам связи в сектор сбора данных (ССД), осуществляющий коммутацию информационных потоков между наземными измерительными пунктами и центрами управления полетами различных ОГ КА;

• -    передача ТМИ в сектор обработки телеметрической информации (СОТИ);

• 2)    в случае проведения работ через САО-П производится передача телеметрической информации по соответствующему протоколу информационного взаимодействия в систему автоматизированной обработки центра (САО-Ц).

Окончательный этап - этап вторичной обработки, анализа и представления информации , рассматриваемый в [4], проводится по результатам первичной обработки и позволяет путем заданных расчетов определить необходимые характеристики работы бортовых систем. Этап осуществляется аппаратно-программными средствами ЦУП, входящими в состав НКУ и обеспечивает решение следующих задач:

• -    прием информационных потоков от СОТИ или САО-Ц;

• -    распределение потоков телеметрии по рабочим станциям ЦУП;

• -    расчет первичных, вторичных параметров и параметров алгоритма обобщенного контроля;

• -    анализ результатов обработки телеметрической информации;

• -    представление результатов операторам управления и системным специалистам.

Общая схема приема-передачи ТМИ представлена на рис. 1.

Структурно-функциональная схема центра управления полетом космического аппарата и циркуляция телеметрической информации в контуре ЦУП КА . В настоящее время ЦУПы КА организуются на базе аппаратнопрограммного комплекса [4; 5], включающего следующие функциональные сектора (рис. 2).

Сектор управления , основными задачами которого являются:

• -    проведение оперативного сеанса управления с КА, включая отработку как заранее подготовленных программ управления, так и программ управления или команд, вводимых оператором в реальном масштабе времени;

• -    регистрация и обработка квитанций, поступающих от средств НКУ и бортовой аппаратуры КА, автоматизированный контроль выполнения программы управления по поступающей ТМИ и квитанциям;

• -    прием, обработка, отображение и анализ информации о результатах работы и состоянии наземных средств НКУ;

• -    выдача рекомендаций по управлению КА, в том числе в нештатных (аварийных) режимах с выдачей алгоритмов по их устранению;

• -    дистанционное управление и контроль станциями приема КИС, КФП;

• -    сбор и накопление статистической информации по проведенным сеансам управления, по выданным управляющим воздействиям (с учетом их классификации по видам), о состоянии орбитальной группировки по результатам обработки ТМИ и отчетов БЦВМ.

Рис. 1. Потоки телеметрической информации в контуре АСУ КА

Сектор планирования , основными задачами которого являются:

• -    автоматизированные работы по реализации планов развертывания, восполнения и поддержания орбитальной группировки КА;

• -    формирование, отображение и корректировка долгосрочных и оперативных планов работы КА и НКУ для обеспечения реализации штатного технологического цик-

• ла управления на разных этапах функционирования всех КА ОГ, в том числе и при возникновении нештатных ситуаций;

• -    формирование технологических данных для проведения сеансов связи с КА (ТДСС) и перекачка их на средства управления;

• -    расчет программ управления и массивов командно-программной информации для КА.

Баллистический сектор , основными задачами которого являются:

• -    прием и обработка измерений текущих навигационных параметров с КИС и КФП;

• -    расчет баллистических характеристик КА из состава ОГ, определение орбитальных параметров КА, разработка планов коррекции орбит КА, расчет интерференции (влияния солнечного излучения на работу антенных систем наземных станций) и обеспечение операторов управления необходимой баллистической информацией (тени Луны и Земли, зоны радиовидимости, целеуказания для наведения антенн наземных станций, зоны обслуживания);

• -    подготовка массивов командно-программной информации для их закладки на борт КА в сеансах управления (в части обеспечения работы бортового баллистического программного обеспечения);

• -    подготовка исходных технологических данных на запуск ракетоносителя с КА и обеспечение ими подразделений и служб НКУ

Сектор обработки телеметрической информации , основными задачами которого являются:

• -    получение и обработка телеметрической информации в режиме непосредственного приема;

• -    прием и обработка отчетов БЦВМ;

• -    автоматизированный обобщенный контроль и диагностика состояния КА по ТМИ в течение всего срока активного существования;

• -    дистанционное управление и контроль станциями приема ТМИ;

• -    обмен различными видами информации с элементами НКУ, внешними организациями и комплексами;

• -    представление результатов обработки телеметрической информации системным специалистам и операторам управления.

Для решения общей целевой задачи управления КА и поддержания его активного существования между секторами ЦУП осуществляется информационно-логическое взаимодействие. Частью этого взаимодействия является и обмен телеметрической информацией (рис. 2). Информационное взаимодействие между секторами осу-

Рис. 2. Циркуляция ТМИ внутри СПО ЦУП КА

ществляется на программном уровне с использованием локально-вычислительной сети ЦУП.

Основными потребителями ТМИ в ЦУП КА являются операторы управления (анализаторы) и системные специалисты. В их задачи, в частности, входит анализ состояния всех КА ОГ и выбор на его основе стратегии по управлению космическими аппаратами.

Специальное программное обеспечение обработки телеметрической информации . Специальное программное обеспечение обработки телеметрической информации (СПО ОТИ) является частью специального программного обеспечения управления ЦУП КА и представляет собой комплекс программ, обеспечивающий решение перечня задач телеметрического сектора программноаппаратного комплекса ЦУП [4]. Для удобства функционирования и эксплуатации СПО ОТИ разбито на несколько программных комплексов:

• -    проведения сеанса обработки (КП ПСО);

• -    рабочего места телеметриста (КП РМТМ);

• -    проведения внесеансных работ (КП ПВРТМ).

Для более эффективного решения локальных задач телеметрического сектора используется клиент-серверная архитектура распределенных вычислений.

Комплекс программ проведения сеанса обработки (КП ПСО), представляющий собой серверную часть в терминах архитектуры клиент-сервер, обеспечивает:

• -    взаимодействие с внешними программными комплексами (СОТИ, САО-Ц), обеспечивающими взаимодействие с наземными измерительным пунктами в части управления проведением телеметрических сеансов;

• -    настройку на работу по конкретному изделию, в зависимости от плана работ;

• -    получение по локальной вычислительной сети и обработку полных (сокращенных) потоков всех видов телеметрической информации;

• -    оперативное отображение значений ТМ-парамет-ров на экран оператора сектора управления;

• -    организацию файлов-архивов телеметрической информации на локальном диске.

Комплекс программ рабочего места телеметриста (КП РМТМ). Данный комплекс представляет собой клиентскую часть в структуре клиент-сервер. КП РМТМ обеспечивает:

• -    получение ТМИ с сервера КП ПСО;

• -    обработку, анализ полученной информации и представление результатов обработки системным специалистам и операторам управления.

Комплекс программ проведения внесеансных работ с телеметрической информацией (КП ПВРТМ) предназначен для проведения работ, связанных с просмотром и документированием результатов обработки ТМИ, находящихся в архиве ЦУПа; а также для просмотра и печати файлов с результатами документирования всех видов телеметрической информации.

Существующая схема взаимодействия СПО ОТИ представлена на рис. 3.

Предложения по усовершенствованию специального программного обеспечения обработки телеметрической информации. В настоящее время программные средства обработки, анализа и представления телеметричес- кой информации в центрах управления космическими аппаратами морально устарели и не соответствуют современным требованиям и возможностям. В то же время с развитием самой платформы космического аппарата растет потребность в обработке все большего потока информации с максимально удобным представлением ее результатов оператору управления или системному специалисту. Данная потребность может быть удовлетворена за счет разработки новых особых алгоритмов, позволяющих осуществлять наиболее эффективную обработку и анализ телеметрических данных и представле- ние их результатов.

Рис. 3. Существующая схема взаимодействия СПО ОТИ

В существующей схеме обработки ТМИ сервер проведения сеанса обработки (КП ПСО) обеспечивает однопоточный режим работы. То есть проведение сеанса возможно только с одним аппаратом. В режиме проведения параллельных сеансов связи с КА для обеспечения нескольких потоков телеметрии необходима организация соответствующего количества телеметрических серверов на различных ПЭВМ. Данная ситуация ухудшает оперативность работы телеметрического сектора, поскольку увеличивается время настройки клиентов на телеметрический сеанс и возникает проблема размещения телеметрических архивов, создаваемых серверами для послесе-ансного анализа.

Система приема ТМИ требует модернизации. Основная суть модернизации в части приема телеметрической информации в ЦУП КА изложена в [6] и заключается в переходе от однопоточной системы приема ТМИ к многопоточный. Этот переход предполагает проведение тщательного исследования существующей телеметрической системы, а также ряда серьезных мероприятий по доработке существующих и, возможно, разработке новых программных комплексов обработки ТМИ. По результатом предварительного исследования недостатков системы приема телеметрии предлагаются следующие направления деятельности:

• 1)    свести к минимуму функции представления результатов обработки информации на сервере обработки ТМИ и максимально сосредоточиться на возможностях одновременной организации сеансов приема ТМИ по нескольким направлениям, т. е. по нескольким КА, нескольким НИП, от различных источников СОТИ или САО-Ц;

• 2)    пересмотреть концепцию организации сеансов в связи с внедрением многопоточной системы обработки телеметрии. Это неизбежно приведет к доработке протокола сетевого взаимодействия между КП ПСО и абонентами КП РМТМ, а также необходимости разработки отдельного протокола, поддерживающего многопоточную передачу информации между КП ПСО и удаленными центрами анализа и обработки информации, территориально расположенными вне ЦУП;

• 3)    спроектировать и организовать централизованное хранение телеметрических архивов во избежание избыточности, дублирования данных, что также позволит решить вопросы обеспечения безопасности засекреченной информации;

• 4)    в связи с чрезмерным ростом объемов телеметрической информации предложить «приемлемый» алгоритм сжатия, адаптируемый для использования в реальном масштабе времени.

В работе [7] рассматриваются предложения по усовершенствованию способов представления результатов обработки телеметрической информации.

На данном этапе в СПО ОТИ реализована упрощенная логика обработки телеметрической информации с точки зрения обобщенного контроля, однако не реализована необходимая для полноценной оценки многоуровневая логика расчета параметров обобщенного контроля. В связи с этим предлагается следующее:

• 1)    разработать и внедрить алгоритмы, позволяющие проводить многоуровневый обобщенный контроль телеметрической информации, получаемой с КА;

• 2)    разработать и внедрить алгоритмы, позволяющие работать со структурами исходных данных на обработку ТМИ с целью дальнейшего проведения обобщенного контроля информации.

В существующей системе обработки телеметрической информации реализовано только текстово-табличное представление результатов обработки ТМИ. Это, безусловно, снижает оперативность и качество оценки параметров в момент проведения сеанса связи с КА, когда принятие правильного решения по сложившейся ситуации должно происходить максимально быстро и быть эффективным. В связи с этим предлагается провести следующую работу:

• 1 ) разработать программное обеспечение мнемонического представления телеметрической модели космического аппарата, решающее следующие задачи:

• –    обеспечение обработки первичных телеметрических параметров;

• –    реализацию алгоритмов обобщенного контроля телеметрических параметров;

• –    оценку результатов полученных в результате обработки ТМИ;

• –    формирование и представление оператору мнемонической схемы для заданной системы КА с учетом полученных результатов оценки ТМИ;

• –    реализацию редактора мнемонических схем с возможностью создания оптимального схематичного представления систем КА и задания параметров оценки их состояния;

• –    реализацию графического представления динамики изменения телеметрических параметров.

• 2 ) разработать и реализовать протокол сопряжения СПО мнемонического представления и СПО приема-передачи ТМИ.

Кроме того, предлагаемые решения должны обеспечивать максимальную независимость от платформы КА.

Модернизированная схема обработки телеметрической информации средствами СПО ОТИ с учетом выработанных предложений представлена на рис. 4.

Рис. 4. Модернизированная схема взаимодействия СПО ОТИ

Таким образом, предложенные решения по усовершенствованию программного обеспечения СПО ЦУП КА в области обработки телеметрии нашли первое частное применение в центре управления полетами орбитальной группировкой космических аппаратов «Экспресс-АМ». На практике было доказано повышение качества и оперативности управления КА. На данный момент программное обеспечение разрабатывается в области универсальности и независимости общей структуры СПО ОТИ от платформы КА, создаваемых ОАО «ИСС», и средств, предоставляемых наземным комплексом управления.