Развитие и совершенствование методики стендовых испытаний бортового комплекса управления космического аппарата

Создание системы управления современного космического аппарата требует решения большого комплекса вопросов, основным из которых является верификация и отработка системы. С этой целью одновременно с разработкой аппаратуры, алгоритмов и программного обеспечения разрабатываются средства и методики испытаний, позволяющие достаточно полно и тщательно испытать и отработать комплекс управления космических аппаратов (КА).

В космических аппаратах, создаваемых в ОАО «ИСС», основой системы управления является бортовой комплекс управления (БКУ), для отработки которого созданы стендовые средства испытаний – стенд БКУ, позволяющий обеспечить качественную отработку аппаратуры и алгоритмов функционирования БКУ.

Тенденции развития БКУ перспективных КА требуют совершенствования имеющихся средств испытаний.

Для перспективных КА разрабатывается новое поколение БКУ, имеющих ряд особенностей по сравнению с существующими в настоящее время БКУ:

• -    в составе БЦВМ будут использоваться процессоры нового типа PowerPC и LEON (Sparc V8) [1; 2];

• -    в качестве магистрали обмена используется мультиплексный канал нового типа SpaceWire, позволяющий организовывать разветвленные сети передачи данных [3];

• -    в архитектуре БКУ будут использоваться принципы сетевой организации;

• -    бортовое программное обеспечение разрабатывается с учетом необходимости поддержки новых вычислительных платформ и новой архитектуры БКУ.

Обеспечение испытаний и отработки перспективного БКУ является исключительно актуальной задачей, без решения которой невозможно создание систем управления КА с необходимыми характеристиками. В связи с этим необходимо проведение исследовательских работ по совершенствованию средств и методик испытаний БКУ перспективных КА.

БКУ современных космических аппаратов является сложной многофункциональной системой, объединяющей в себя приборы с высокой степенью интеграции. БКУ обеспечивает выполнение алгоритмов автономного управления системами КА, информационного взаимодействия с наземным комплексом управления (НКУ), выполнение программ управления и контроля. При наземной экспериментальной отработке БКУ автономно от КА и в составе КА ставятся задачи: с одной стороны, наиболее полно и глубоко исследо- вать свойства и характеристики БКУ, подтвердить правильность заложенных алгоритмов, а с другой стороны, из-за программного выполнения функций этим комплексом, требуется проведение отладки программного обеспечения совместно с аппаратурой БКУ.

Для выполнения указанных задач требуется создание высокоинтеллектуальных средств отработки систем БКУ, включающих в себя как аппаратные средства, позволяющие имитировать среду, в которой БКУ функционирует на КА, так и программные средства, позволяющие обеспечивать интерфейс с оператором, вмешательство в выполнение бортовых программ для их тонкого исследования, а также воспроизведения информационных потоков, существующих на КА.

Для реализации задач экспериментальной отработки и испытаний БКУ в 1970-х годах в НПО ПМ был создан стенд БКУ, содержащий необходимые аппаратно-программные средства испытаний БКУ. Основные составные части БКУ показаны на рис. 1.

Как видно из показанной структурной схемы, в состав средств экспериментальной отработки и испытаний БКУ входят:

• 1)    средства имитации каналов связи с наземным комплексом управления;

• 2)    средства имитации взаимодействий с бортовой аппаратурой (БА);

• 3)    средства отладки программ;

• 4)    средства управления БКУ;

• 5)    автоматизированный испытательный комплекс (АИК);

• 6)    база данных испытаний;

• 7)    архив программ.

Построение средств отработки и испытаний БКУ в виде указанного набора отдельных подсистем позволяет модифицировать отдельные части испытательных средств применительно к конкретному КА и развивать и совершенствовать независимо отдельные элементы средств испытаний. По мере развития и совершенствования БКУ претерпели изменения и средства его испытаний – от простейших релейных блоков и пультов индикации до сложных комплексов на базе микропроцессорных устройств и сетей ПЭВМ.

Кратко остановимся на основных составных частях испытательного комплекса стенда БКУ.

Имитатор канала связи с НКУ строится на базе контрольно-проверочной аппаратуры бортовой связной системы и обеспечивает взаимодействие БКУ с НКУ аналогично происходящему в космосе, но по низкой частоте.

Рис. 1. Основные составные части стенда БКУ

Средства имитации взаимодействия с БА представляют из себя набор интерфейсов, аналогичных интерфейсам бортовых систем в виде релейных, аналоговых и температурных сигналов – они реализуются в виде специальных модулей различного уровня организации – от управления с панели оператором до программно управляемых устройств. В некоторых случаях для этой цели используются макеты бортовых приборов.

Средства управления БКУ представляют из себя набор устройств, обеспечивающих включение, выключение аппаратуры БКУ и задание необходимых режимов ее работы в виде специальных пультов с панелями управления оператором или с дистанционным управлением.

Средства отладки программ основываются на встроенных в процессор бортового компьютера системах отладки. Они представляют из себя, как правило, ПЭВМ с дополнительными портами и устройствами сопряжения по технологическим каналам бортового процессора.

Автоматизированный испытательный комплекс (АИК) стенда БКУ выполняет функции ввода и вывода информации по радиоканалу через имитатор канала связи с НКУ, обмен информацией между бортовой и инструментальной ЦВМ по технологическому каналу. Он также связывает между собой наземные средства испытаний БКУ и обеспечивает управление и обмен информацией с ними. В результате становится возможным организовывать процесс испытаний как по командам оператора, так и автоматически с помощью заложенных в инструментальную ЦВМ АИК программ. Для создания фрагментов испытательных программ используется разработанный в НПО ПМ язык создания циклограмм испытаний «Диполь».

База данных испытаний и архив программ служат для хранения и использования программ и результатов испытаний с соответствующими сервисными средствами и хранения отлаживаемых бортовых программ .

Описанный выше комплекс средств экспериментальной отработки БКУ для перспективных КА вы- полнен на базе единого комплекса АПС ИК08, разрабатываемом ОАО «Информтест» (Зеленоград, Москва).

Укрупненная структурная схема стенда с использованием комплекса АПС ИК08 показана на рис. 2.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема перспективного стенда БКУ

Комплекс АПС ИК08 строится на базе VXI технологии и реализует все вышеперечисленные функции средств испытаний БКУ, кроме функции контрольнопроверочной аппаратуры КИС (КПА КИС).

Для отработки БКУ нового поколения требуется создание новых средств испытаний, учитывающих особенности БКУ, а именно:

• -    для отработки процессоров нового типа PowerPC и LEON (Sparc V8) в составе БЦВМ необходимо создание новых аппаратно-программных средств, обеспечивающих исследование работы процессора и отладку программ;

• -    для отработки и контроля магистрали обмена на основе мультиплексного канала SpaceWire необходимо создание средств контроля магистрали SpaceWire, позволяющих также исследовать и отрабатывать разветвленные сети передачи данных [4];

• -    отработка сетевой организации БКУ является новой задачей, которая ранее не решалась при отработке систем управления КА и требует проведения специальных исследований и создания специализированных аппаратно-программных средств;

• -    отработка бортового программного обеспечения, разрабатываемого с учетом необходимости под-

• держки новых вычислительных платформ и новой архитектуры БКУ, требует проведения исследования и разработки новых средств и методик.

Для обеспечения испытаний БКУ наиболее актуальным вопросом является разработка аппаратнопрограммных средств и методик испытаний, позволяющих обеспечить отработку и верификацию БКУ с модульно-сетевой архитектурой на базе магистралей SpaceWire.

В результате проводимых исследований выполняется разработка следующих методик и средств испытаний:

• 1)    разработка методики параллельного контроля процессов в разветвленной сети SpaceWire с помощью предлагаемых средств стендовых испытаний;

• 2)    разработка методики диагностического контроля аномальных ситуаций вычислительного модуля в бортовой вычислительной сети SpaceWire на унифицированном стенде БКУ;

• 3)    разработка методики отработки реконфигурации бортовой вычислительной системы в разветвленной сети SpaceWire средствами унифицированного стенда БКУ;

• 4)    создание аппаратно-программных средств стендовой отработки для их включения в состав средств испытаний БКУ с модульно-сетевой архитектурой.

В результате проведенной работы проводится создание унифицированных рабочих мест (стенд СБКУ-У) для отработки аппаратно-программных средств перспективных БКУ с распределенной модульно-сетевой архитектурой. Структурная схема экспериментального стенда показана на рис. 3.

В состав аппаратно-программный средств экспериментального стенда входят:

– рабочее место контроля и отработки сети SpaceWire, имеющее в составе: ПЭВМ, тестер магистрали, специализированное ПО и другое оборудование для работы в составе стенда БКУ. Рабочее место предназначено для обеспечения отработки и аттестации магистрали SpaceWire и проведение исследовательских работ БКУ с сетевой организацией. Проведен первый этап совместных исследовательских работ ОАО «ИСС» и ОАО «ИРЗ» с аппаратурой перспек- тивного бортового вычислительного комплекса на базе процессора AT967F, позволяющий определить основные аппаратные принципы реализации и апробацию алгоритмов поддержки архитектуры сетевого канала SpaceWire;

• –    рабочее место лабораторного отладочного комплекса для отладки ПО БЦВМ с процессором Power PC или LEON. Указанное рабочее место обеспечивает упреждающую предварительную отработку программного обеспечения совместно с макетом реальной бортовой ЦВМ. Рабочее место строится на базе ПЭВМ, средств сопряжения с бортовой ЦВМ и специализированного ПО и позволяет проводить отладку бортового ПО, так и обеспечивать контроль и управление БЦВМ при проведении работ на стенде БКУ, загрузку программ, взаимодействие с испытательным комплексом и проведение исследовательских работ. Экспериментальные работы по исследованию архитектуры процессоров Power PC и LEON ведутся на прототипах лабораторных отладочных комплексов в рамках разработки бортовых вычислительных комплексов нового поколения;

  – рабочее место для контроля и отработки распределенной сети на базе ПЭВМ и средств комплексного сопряжения с узлами сети. Рабочее место предназначено для контроля сети и проведения исследования архитектуры БКУ с сетевой организацией.

Методические принципы организации отработки приборов системы управления, соединенных в распределенную сеть, основываются на разработанной в ОАО «ИСС» системе автоматизированных испытаний на основе циклограмм испытаний, написанных на языке ДИПОЛЬ [5]. Такая система позволяет организовать автоматизированный контроль и регистрацию процессов и событий.

Для случая разветвленной сети, имеющиеся средства испытаний не могут обеспечить контроль информации одновременно в различных узлах сети. Авторами проведено исследование структуры разветвленной системы обмена данными и построена модель такой системы с использованием методов построения и анализа алгоритмов и методов моделирования в UML.

Рис. 3. Экспериментальный стенд для отработки сетевой архитектуры с каналом SpaceWire

Полученная модель позволяет описать взаимодействие приборов системы управления КА, объединенных в сеть посредством канала SpaceWire и получить алгоритм контроля процессов в системе управления, который можно реализовать в дополнительных устройствах контроля, включаемых в автоматизированный испытательный комплекс.

Такие дополнительные средства мониторинга обмена информации в информационных каналах в виде тестеров канала в ряде случаев уже используются при испытаниях КА, но не включаются в основную систему испытаний. При реализации в них вновь разработанных алгоритмов контроля сети SpaceWire такие автоматизированные средства испытаний могут сопрягаться с основным испытательным комплексом и включаться в состав автоматизированных средств отработки и испытаний БКУ. На основе разработанных алгоритмов испытаний проведен предварительный этап отработки разветвленной сети SpaceWire.

Совершенствование методики контроля и верификации вычислительной системы на базе разветвленной сети SpaceWire позволяет качественно и эффек- тивно провести наземную экспериментальную отработку БКУ перспективных КА. Разработанные принципы и методики испытаний проходят апробацию при разработке стенда испытаний БКУ перспективных КА и могут быть использованы при отработке и верификации систем управления на основе разветвленных сетей обмена информацией.