Технический контроль и диагностика в испытаниях изделий ракетно-космической техники

Электрические проверки изделий ракетно-космической техники являются основной частью контрольных испытаний. Объём и виды проводимых контрольных испытаний должны обеспечить гарантированную работоспособность изделия в процессе его применения по назначению.

Одним из основных источников информации для проведения технического контроля и диагностики функционирования систем изделия в процессе испытаний является телеметрия, формируемая системой бортовых измерений (СБИ).

Технический контроль в испытаниях заключается в проверке соответствия характеристик контролируемого объекта нормативно-технической и эксплуатационной документации и включает в себя два этапа:

• •    получение данных параметрических измерений и иной информации о состоянии контролируемого объекта;

• •    анализ информации и принятие решения о соответствии или несоответствии функционирования объекта нормативно-технической и эксплуатационной документации, а также определение дальнейших действий.

Задача программного комплекса автоматизированной обработки телеметрической информации (ТМИ) в обеспечение технического контроля заключается в получении информации с объекта контроля, её обработке и представлении операторам в виде, удобном для оценки функционирования объекта.

Техническая диагностика заключается в автоматизации процесса технического контроля в части оценки состояния контролируемого объекта. В телеметрии чаще используют термин «автоматизированная оценка результатов телеизмерений» [1, 2].

В процессе испытаний техническая диагностика должна обеспечить решение следующих задач:

• •    в реальном времени: анализ функционирования систем контролируемого объекта и определение возможности продолжения или прекращения процесса испытаний по данным параметрических измерений;

• •    по окончании раздела испытаний: анализ информации и автоматическое формирование заключения о соответствии функционирования контролируемого объекта установленным нормативным критериям или несоответствии с указанием обнаруженных отклонений.

Содержание данной статьи в основном посвящено решению методических и практических проблем, связанных с созданием программных средств диагностики контролируемого объекта.

История вопроса

В нашей стране активное развитие систем телеметрии связано с созданием первых ракетных комплексов, начиная с Р-1 (аналога немецкой Фау-2)

Первые отечественные телеметрические системы, устанавливаемые на ракетах, имели возможность передать 8–40 сигналов от датчиков, применяя частотное разделение каналов. На Земле имелся приёмник, который разделял эти каналы и преобразовывал сигналы в световой луч, записывая их на киноленту. Отсюда и произошел термин «протяжка», часто используемый в телеметрии для обозначения записи информации на какой-либо носитель. «Включить протяжку» означало записать на движущуюся киноленту преобразованный в оптическую форму электрический сигнал.

В последующем появились бортовые телеметрические системы с временным разделением каналов на сотни и тысячи контролируемых параметров и записью сигнала на магнитную ленту. На ракете Р-7 такая система уже была установлена [3, 4].

И если в части создания бортовых телеметрических систем и наземных средств регистрации информации в первые 15 лет ракетно-космической эры был существенный прогресс как со стороны качества, так и количества передаваемой с изделия информации, то в части её обработки основным методом дешифровки была так называемая ручная обработка, пример которой представлен на рис. 1.

На график выводились калибровочные уровни сигналов, соответствующие 0 и 100%. Линейкой замерялся исходный уровень сигнала, и далее, по тарировочной характеристике датчика, полученное значение пересчитывалось в физическую величину измеряемого параметра.

Рис. 1. Пример ручной обработки сигнала (рисунок создан авторами)

Даже для небольших объектов, содержащих несколько сотен контролируемых параметров, процесс обработки и оценки телеметрии ручным способом был трудоёмким и длительным.

Автоматизация процесса обработки телеметрии тесно связана с развитием цифровых технологий. Появление вычислительной техники позволило существенно ускорить процесс обработки телеметрии.

Естественно, что в первую очередь усилия разработчиков программного обеспечения в основном были направ- лены на решение задач раскоммута-ции телеметрических потоков, преобразования кодовых значений параметров в физические и вывода информации на экраны телемониторов, цифропечать или графические устройства.

В РКК «Энергия» автоматизированная обработка телеметрии получила существенное развитие в процессе реализации проекта «Энергия–Буран» и создания орбитальной станции «Мир». Десятки тысяч измерений, сотни гигабайт информации невозможно было обработать без применения вычислительной техники.

Новое качество и развитие средства обработки и оценки ТМИ получили в 1990-е гг. с появлением персональных компьютеров, сетевых технологий, новых инструментальных средств разработки программного обеспечения.

Использование современных компьютерных технологий позволило разработать и внедрить эффективные программные средства обработки и автоматизированной оценки ТМИ в испытания модулей, созданных по проекту МКС, разгонных блоков, модернизированных грузовых и пилотируемых транспортных кораблей, автоматических космических аппаратов.

Примером реализации новых технологий может служить разработка наземного технологического комплекса системы измерений (НТК СИ).

Структурная схема комплекса представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема наземного технологического комплекса системы измерений (НТК СИ): АИС — автоматизированная испытательная система; ТМИ — телеметрическая информация (рисунок создан авторами)

В программном обеспечении комплекса, во взаимодействии с автоматизированной испытательной системой, реализована практически полная автоматизация процесса приёма, обработки и оценки поступающей с изделия ТМИ.

В реальном времени испытаний НТК СИ проводит обработку поступающей с изделия телеметрии и отображение информации на экранах мониторов в виде специальных форматов. По заданиям, получаемым из автоматизированной испытательной системы (АИС), НТК СИ обеспечивает выдачу физических значений параметров в АИС на момент запроса. Дальнейший анализ информации проводится в АИС по алгоритмам, реализуемым в специальном программном обеспечении испытаний.

По окончании раздела испытаний НТК СИ проводит полную обработку ТМИ на заданных временных интервалах и обеспечивает сравнение полученных измерений на соответствие электронной модели функционирования параметров, описанной в базе данных ТМИ.

При подготовке космических кораблей комплекс обеспечивает автоматический контроль и диагностику по нескольким сотням разделов испытаний как на заводе-изготовителе, так и при подготовке к пуску на техническом и стартовом комплексах.

Эффективность программных решений, реализованных в разработке комплекса, доказаны десятилетним сроком его эксплуатации.

Анализ информационной структуры объекта контроля

Как правило, для сложных технических объектов задачи контроля и диагностики решаются через совокупный набор специальных требований, реализуемых в разработке бортовой аппаратуры и средств комплекса управления испытаниями [5].

Контролируемый объект может быть представлен двухуровневой информационно-логической моделью (рис. 3).

К нижнему уровню относятся контролируемые системы объекта.

К верхнему уровню можно отнести бортовой комплекс управления (БКУ) и СБИ. Особенность этих систем состоит в том, что кроме обеспечения контроля и управления системами нижнего уровня они и сами являются такими же объектами контроля и управления со стороны комплекса управления испытаниями.

БКУ обеспечивает управление системами контролируемого объекта и одновременно формирует достаточно большой объём цифровой информации о состоянии объекта, передаваемый по штатным и технологическим каналам связи на средства комплекса управления испытаниями.

СБИ обеспечивает получение физических измерений с использованием различной датчиковой аппаратуры, установленной в системах контролируемого объекта, сбор информации в цифровой поток и передачу его на средства комплекса управления испытаниями.

Наземная часть информационнологической модели включает в себя АИС, комплекс автоматизированной обработки ТМИ, а также контрольнопроверочную аппаратуру контролируемых систем.

Часть систем нижнего уровня, в зависимости от требований к испытаниям, может иметь не только бортовые интерфейсы, но и связь со своей контрольно-проверочной аппаратурой, в задачи которой входит имитация внешних управляющих и иных воздействий, определённых методиками испытаний, а также обеспечение дополнительного параметрического контроля.

В задачи АИС входит обеспечение управления объектом испытаний и его контроля в соответствии с требованиями эксплуатационной документации.

Комплекс автоматизированной обработки обеспечивает приём, автоматизированную обработку и оценку ТМИ, получаемой с объекта, для решения задач технического контроля и диагностики.

Рис. 3. Информационная структура объекта контроля: КПА — контрольно-проверочная аппаратура (рисунок создан авторами)

Структура испытаний

При проведении электрических испытаний по сложившейся методике каждая система проходит автономную проверку в составе объекта, в процессе которой проверяется её работа, взаимодействие с БКУ, СБИ и смежными системами (этап проверочных включений).

В процессе комплексных испытаний изделия обеспечивается проверка взаимодействия систем объекта с имитацией различных этапов полётных операций (выведение, коррекция орбиты, спуск).

Любая автономная или комплексная проверка представляет собой самостоятельный раздел испытаний.

Технология испытаний и эксплуатационная документация для каждого раздела определяет перечень заданий по обработке ТМИ в части оперативного контроля и оценки технического состояния систем объекта.

Приём, предварительная обработка и оценка телеметрии

В программных средствах автоматизированной обработки и оценки ТМИ можно выделить четыре компонента:

• 1)    базу данных ТМИ и программные средства подготовки исходных данных;

• 2)    программы приёма и предварительной обработки ТМИ;

• 3)    программные средства оперативного контроля;

• 4)    программные средства автоматизированной оценки и формирования выходных документов.

База данных ТМИ содержит все сведения, необходимые для проведения испытаний контролируемого объекта, включая электронную модель функционирования параметров на разделах испытаний. Фактически сведения в базе данных являются совокупным отражением в электронном формате всех требований к обработке и оценке телеметрии, содержащейся в эксплуатационной и нормативной документации по всему этапу испытаний изделия, включая подготовку на стартовом комплексе.

Базы данных формируются программными средствами подготовки исходных данных. Ввод данных осуществляется автоматически из файлов, содержащих сведения о составе и алгоритмах обработки параметров, или с помощью экранных интерфейсов, формат которых позволяет оператору достаточно просто вносить сведения из эксплуатационной документации в базу данных ТМИ.

Программные средства приёма и предварительной обработки обеспечивают приём и дешифровку цифровых массивов СБИ. В части решения задач технического контроля и диагностики эти программы обеспечивают получение достоверной информации по параметрам, контролируемым СБИ, а также по командам от АИС — формирование и запись интервалов (протяжек) на текущем разделе испытаний для проведения автоматической оценки после его окончания.

Программные средства оперативного контроля обеспечивают отображение на экранах мониторов требуемого состава параметров и взаимодействие с АИС в части оперативной оценки информации СБИ.

Таким образом программа оперативного контроля ТМИ совместно с АИС реализует первую задачу технической диагностики — анализ функционирования систем контролируемого объекта и определение возможности продолжения или прекращения процесса испытаний по данным параметрических измерений.

Программные средства автоматизированной оценки и формирования выходных документов обеспечивают обработку выделенных интервалов с записью параметров на проведённом разделе испытаний и сравнение полученных результатов с электронной моделью их функционирования из базы данных ТМИ, решая вторую задачу технической диагностики — анализ информации и автоматическое формирование заключения о соответствии функционирования контролируемого объекта установленным нормативным критериям или его несоответствии (с указанием обнаруженных отклонений) [6–8].

Разработка электронной модели функционирования параметров

Разработка электронной модели производится с использованием инструментальных средств программы формирования базы данных ТМИ, и должна адекватно отражать требования к функционированию параметров систем изделия, изложенных в эксплуатационных и нормативных документах.

Разработка электронной модели базируется на следующих положениях:

• •    объём контролируемых параметров и иной информации, получаемой от изделия, достаточен для оценки его функционирования;

• •    обработанная измерительная и иная информация априори считается достоверной;

• •    исходные данные для разработки электронной модели функционирования параметров объекта не содержат неоднозначностей, неопределённостей и поддаются алгоритмизации;

• •    если процесс испытаний продолжительный, он разбивается на отдельные разделы;

• •    если раздел достаточно длителен и диагностику объекта нецелесообразно проводить по всему разделу, в нём выделяются временные интервалы, на которых проводится оценка функционирования объекта;

• •    модель функционирования параметров описывается для каждого временного интервала (протяжки);

• •    на интервале протяжки можно определить конечное количество состояний объекта, которые характеризуются конкретными значениями контролируемых параметров;

• •    переход объекта из одного состояния в другое обозначается как событие, которое характеризуется соответствующими изменениями некоторого множества параметров;

• •    результатом работы программы может быть норма или не норма оценки функционирования параметров на интервале протяжки.

Как правило, в документации по оценке функционирования параметров приводятся следующие данные:

• •    интервалы, на которых необходимо оценить функционирование параметров объекта;

• •    состав оцениваемых параметров;

• •    команды или события, приводящие к изменению состояния параметров объекта;

• •    текущее состояние или изменение значений параметров на контролируемом интервале.

Совокупность всех данных представляет собой модель функционирования параметров изделия, представленную в текстовом формате. Задача разработчика электронной модели состоит в систематизации исходных данных и создании модели функционирования параметров объекта контроля, изложенной в программном коде. Инструментальные средства подготовки исходных данных позволяют достаточно эффективно решать эту задачу.

Логическая схема построения электронной модели функционирования параметров представлена на рис. 4 в виде графа.

Каждый раздел испытаний может содержать один или несколько интервалов оценки (протяжек). Электронная модель, описывающая изменение состояния контролируемых параметров, разрабатывается для каждой протяжки.

Протяжка может состоять из одного или нескольких подразделов.

Подраздел оценки — это совокупность логически связанных событий, которые при описании модели можно выстроить в правильной временной последовательности.

Каждое событие подраздела связано с изменением состояния одного или группы параметров, функционирование которых необходимо оценить по заданным алгоритмам.

Рис. 4. Граф электронной модели раздела испытаний (рисунок создан авторами)

Работа над созданием электронной модели включает анализ последовательности событий, формирование подразделов для цепей взаимосвязанных событий, описание изменения состояния контролируемых параметров в привязке к конкретным событиям.

Программные средства оперативного контроля телеметрической информации

Основные задачи разработанного программного обеспечения — максимальная автоматизация процесса оценки функционирования систем объекта в реальном времени и отображение результатов параметрического контроля для специалистов, задействованных в работе.

Программное обеспечение включает в себя:

• •    программу приёма и предварительной обработки ТМИ;

• •    программу обработки обращений и связи с АИС;

• •    программу отображения ТМИ.

Программа приёма и предварительной обработки ТМИ обеспечивает приём, дешифровку параметров, переданных с изделия в телеметрическом потоке, и формирует таблицу текущих значений контролируемых параметров.

Программа обработки обращений и связи с АИС обеспечивает автоматический контроль состояния систем объекта путём выполнения следующих процедур по инициативе АИС:

• •    выдача в АИС текущего состояния конкретного параметра;

• •    контроль изменения состояния параметра на заданном временном интервале;

• •    постановка группы параметров на слежение с указанием допусков, в которых должны находиться значения контролируемых параметров. В АИС передаются сообщения только при выходе значений параметров за установленный допуск. Режим слежения продолжается до получения команды о снятии параметров с контроля.

Программа отображения ТМИ параллельно с автоматическим контролем проводит обработку параметров по заданным алгоритмам с отображением информации на экране монитора в виде специальных форматов, позволяющих оператору оценить состояние систем изделия в процессе проведения определённого раздела испытаний. Пример одного из таких форматов приведён на рис. 5.

Рис. 5. Мнемосхема контроля параметров командно-телеметрической системы (рисунок создан авторами)

Программные средства автоматизированной оценки телеметрической информации

Разработанный пакет программ позволяет создавать электронные модели функционирования параметров и сравнивать их с реальными значениями, полученными в процессе проведения раздела испытаний.

Программное обеспечение включает в себя :

• •    базу данных (БД) ТМИ;

• •    программу подготовки исходных данных для БД ТМИ;

• •    программу управления процессом анализа;

• •    программы анализа и оценки ТМИ;

• •    программы формирования выходных документов.

База данных ТМИ представляет собой массив данных, содержащий информацию, необходимую для проведения автоматизированной обработки и оценки ТМИ в процессе испытаний объекта.

Состав информации, хранящейся в БД ТМИ, следующий:

• •    данные из программы измерений объекта;

• •    градуировочные характеристики параметров и алгоритмы их обработки;

• •    данные по программе испытаний (разделы, протяжки, задания на обработку);

• •    данные для проведения автоматизированной оценки ТМИ в виде формализованного описания событий.

Программа подготовки исходных данных БД ТМИ содержит набор инструментальных средств, позволяющих сформировать базу данных ТМИ контролируемого объекта и вносить изменения в процессе её эксплуатации.

Программа содержит различные экранные интерфейсы, обеспечивающие отображение содержания массива данных, средства ввода и их корректировки в виде активных окон или меню с перечнем команд и алгоритмов. Головное окно программы подготовки исходных данных ТМИ изображено на рис. 6.

Инструментальные средства разработки электронной модели являются составной частью программы подготовки исходных данных и содержат процедуры описания последовательности событий и их типов.

Типы событий

Формализация типов событий (методов определения границ, алгоритмов оценки изменения контролируемых параметров) позволяет разработчику модели с минимальными затратами сил переносить исходные данные из инструкций на оценку параметров в базу данных ТМИ.

События, соответствующие смене состояния контролируемого объекта, могут быть представлены следующими типами:

• •    граница — событие, характеризующееся чётко определяемым моментом изменения значений ряда параметров, соответствующим смене состояния контролируемого объекта. Время наступления событий типа «граница» определяет временные рамки для событий типа «интервал»;

• •    интервал — событие, которое обязательно имеет временную протяжённость, указанную либо в исходных данных, либо определяемую по времени наступления соседних событий типа «граница».

Признаком начала события может служить:

• •    характерное изменение какого-либо параметра или группы параметров;

• •    временной отсчёт от начала/ окончания какого-либо события или начала/окончания протяжки.

Для описания функционирования параметров на этапе «события» разработан перечень алгоритмов, позволяющих осуществить поиск границ и оценку изменения параметров на заданном интервале.

Определение событий типа «граница»

Основная задача — определить время наступления событий по изменению состояния параметров, привязанных к данному событию. Для этого был разработан ряд алгоритмов, позволяющих практически полностью отразить в электронной модели данные, содержащиеся в инструкциях на оценку ТМИ.

Комплекс программ позволяет описать и осуществить поиск границ по следующим критериям:

• •    определение границы по началу и окончанию протяжки;

• •    поиск границы по входу в ожидаемый диапазон значения параметра или группы параметров;

• •    поиск границы по изменению значения параметра или группы параметров;

• •    установление границы с определённым смещением относительно базового события;

• •    установление фиксированного времени события.

Оценка событий типа «интервал»

Основная задача обработки события типа «интервал» заключается в описании и оценке изменения или отсутствия изменений состояния параметров, привязанных к данному событию.

Комплекс программ позволяет оценить функционирование параметров по следующим алгоритмам:

• •    проверка вычисленного достоверного значения аналогового параметра на попадание в заданный диапазон;

• •    проверка фиксированного состояния сигнального параметра;

• •    оценка параметров, которые могут принимать значения в одном из двух диапазонов;

• •    контроль изменения значения сигнального параметра;

• •    подсчёт количества переключений сигнального параметра;

• •    проверка на монотонное увеличение или уменьшение значений аналогового параметра;

• •    оценка параметров, принимающих последовательные целочисленные значения со сбросом с максимального значения в минимальное;

• •    оценка значений группы параметров и их разброса на заданном интервале;

• •    поиск минимального или максимального значения параметра на интервале;

• •    оценка длительности временных интервалов между различными событиями.

При появлении событий, описание которых невозможно осуществить имеющимся набором алгоритмов, проводится доработка существующих или разработка новых алгоритмов.

Рис. 6. Фрагмент головного окна программы ведения базы данных телеметрической информации (рисунок создан авторами)

Программа управления процессом анализа и оценки ТМИ обеспечивает согласованное взаимодействие независимых программных модулей системы в рамках определённого интерфейса и управляет последовательностью их исполнения в соответствии с настройкой программы.

Комплекс программ оценки ТМИ включает в себя:

• •    программу определения границ;

• •    программу оценки параметров на интервале событий.

В процессе работы запуск программ проводится последовательно управляющей программой.

Программа определения границ при запуске считывает из базы данных информацию описания границ, представленных в формализованном виде. В процессе обработки файла с телеметрией программа инициирует в соответствии с полученным заданием необходимые алгоритмы и проводит поиск границ. В результате работы программы формируется файл с последовательностью событий и их временной привязкой.

Программа оценки параметров на интервале событий при запуске считывает из базы данных информацию о последовательности событий, обозначении границ, изменении параметров на интервале событий. В процессе совместной обработки файла телеметрии и файла с границами программа оценивает последовательность событий. Затем проводится оценка соответствия заданных в электронной модели критериев оценки параметров и полученных в процессе обработки телеметрии.

В результате формируется промежуточный выходной документ текстового формата. Документ содержит сведения о соответствии или несоответствии (с указанием причины несоответствия) полученных результатов описанной в базе данных ТМИ электронной модели, а также отчёт о функционировании параметров на всём участке оценки ТМИ.

Программы формирования выходных документов позволяют выводить на печать результаты обработки и оценки ТМИ в виде, удобном для работы специалиста по анализу результатов испытаний. Данные представляются в виде различных сводных таблиц и графиков.

Для примера приведена форма двух документов:

• 1)    общее заключение по оценке ТМИ (рис. 7). В заключении приводится информация об изделии, разделе, дате и времени испытания, результаты оценки ТМИ с указанием отсутствия или наличия замечаний;

• 2)    таблица событий (рис. 8).

Таблица событий позволяет при большом их количестве быстро локализовать причину полученного несоответствия (красный цвет квадрата).

Если таблица вся окрашена зелёным, это означает, что на проведённом разделе замечаний не обнаружено. Белые квадраты означают, что оценка значений параметров на данном интервале не требуется. Жёлтый цвет требует проведения дополнительного анализа значения параметра по прилагаемым графическим материалам обработки.

J	А     В С D Е	F G Н 1 J KLM	NOPQRSTUVW	X Y Z AAABACADAEAFA(
1		Заключение системы оценки "ГРАНИТ"
2	Индекс изделия :	Пр	Номер изделия :	4	1 1
3	Раздел :	Проверка герметичности магистралей СД
4	Дата приёма :	13.04.24 14ч36м	Протяжка :	6
5	Время начала :	51850      сек	Время окончания:	52651,27	сек
6	Дата обработки :	30.05.2024	Время обработки:	14:59:42
7	Имя компьютера :	РСМ-007-909
8	Имя файла :	Z:\rPAHHT\bitsl_0147L_C/LrEPM_MAr_a.usi

10 ЗАКЛЮЧЕНИЕ : ЗАМЕЧАНИЙ НЕТ __________________________

Рис. 7. Общее заключение по оценке телеметрической информации (рисунок создан авторами)

Рис. 8. Таблица событий (рисунок создан авторами)

Выводы

Разработанный программный комплекс автоматизированной обработки и оценки телеметрической ин- формации позволяет эффективностью решать с высокой задачи тех-

нического контроля и диагностики изделий ракетно-космической техники при проведении наземного цикла испытаний.

Внедрение автоматической оценки существенно сокращает ручные операции по обработке информации, исключая субъективный фактор.

Двойной контроль параметров в реальном и отложенном времени повышает надёжность оценки их функционирования.

Модульность и технологичность структуры программного обеспечения автоматизированной обработки и оценки ТМИ позволяет успешно адаптировать его к испытаниям разработанных и эксплуатируемых изделий корпорации, а также предлагать его к использованию в перспективных разработках.