О  ВОЗМОЖНОСТИ  ВОССТАНОВЛЕНИЯ  ВЫШЕДШИХ  ИЗ  СТРОЯ  ДИСКРЕТНЫХ  ЭЛЕМЕНТОВ  БОРТОВЫХ  СИСТЕМ  УПРАВЛЕНИЯ  КОСМИЧЕСКИХ  АППАРАТОВ,  КОНТРОЛИРУЕМЫХ  С  ПОМОЩЬЮ  ВНЕШНИХ  РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ  ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ  СТРУКТУР

Савкин  Леонид  Васильевич

аспирант,  Федеральное  государственное  унитарное  предприятие  «НПО  им.  С.А.  Лавочкина»,  РФ,  г.  Химки

E -mail:  android4.1@mail.ru

Клочко  Ольга  Сергеевна

аспирант,  Филиал  Московского  Государственного  технического  университета  им.  Н.Э.  Баумана,  РФ,  г.  Калуга

E -mail:  klochkoolgakaluga@gmail.com

Макаров  Антон  Сергеевич

инженер-программист,  Филиал  Федерального  государственного  унитарного  предприятия  «НПО  им.  С.А.  Лавочкина»,  РФ,  г.  Калуга

E -mail:  makarov.bas@gmail.com

ABOUT  POSSIBILITY  OF  RESTORATION  THE  FAILED  DISCRETE  ELEMENTS  OF  ONBOARD  CONTROL  SYSTEMS  OF  THE  SPACECRAFTS  CONTROLLED  BY  MEANS  OF  EXTERNAL  RECONFIGURABLE  COMPUTING  STRUCTURES

Leonid  Savkin

post-graduate  student,  Federal  Enterprise  “Lavochkin  Association”,  Russia,  Khimki

Olga  Klochko

post-graduate  student,  Kaluga  Branch  of  Bauman  Moscow  State  Technical  University,  Russia,  Kaluga

Anton  Makarov

software  engineer,  The  Branch  of  Federal  Enterprise  “Lavochkin  Association”,  Russia,  Kaluga

АННОТАЦИЯ

Рассматривается  возможность  восстановления  неисправных  дискретных  элементов  бортовой  системы  управления  (БСУ)  космического  аппарата  (КА)  за  счет  свойств  системы  контроля  и  диагностики,  построенной  на  базе  реконфигурируемых  вычислительных  структур.  Приводится  формальная  модель  процесса  восстановления  подсистемы  БСУ  КА.  Предложен  вариант  распределения  ресурсов  реконфигурируемого  вычислительного  поля  для  решения  задач  контроля,  диагностики  и  восстановления.

ABSTRACT

Possibility  of  restoration  the  faulty  discrete  elements  of  the  onboard  control  system  for  spacecraft  due  to  properties  of  the  monitoring  system  on  the  basis  of  reconfigurable  computing  structures  is  considered.  The  formal  model  of  process  restoration  a  subsystem  is  given.  The  option  for  distribution  of  resources  a  reconfigurable  computing  field  for  the  solution  tasks  of  monitoring,  diagnostics  and  restoration  is  offered.

Ключевые  слова:  бортовая  система  управления;  контроль;  диагностика;  реконфигурация;  восстановление.

Keywords:  onboard  control  system;  monitoring;  diagnostics;  reconfiguration;  restoration.

Неотъемлемой  частью  процесса  проектирования  бортовых  систем  управления  (БСУ)  современных  космических  аппаратов  (КА)  является  реализация  так  называемых  требований  FDIR  (fault  detection,  isolation  and  recovery,  т.  е.  определение  ошибки,  ее  изоляция  и  восстановление  работоспособности),  которые  были  сформулированы  отечественными  разработчиками  космических  систем  совместно  с  НАСА  и  ЕКА  в  ходе  проектирования  систем  управления  МКС  и  предъявляются  сегодня  к  любой  аппаратной  и  программной  составляющей  бортовых  систем. 

В  [5]  было  предложено  использовать  возможности  реконфигурируемых  вычислительных  систем  в  задачах  бортового  диагностирования  КА.  В  [6]  приводилась  структурная  схема  возможного  варианта  построения  встроенной  системы  функционального  контроля  и  диагностики  бортового  комплекса  управления  КА  на  базе  реконфигурируемых  вычислительных  структур  (РВС).  Там  же  было  отмечено,  что  способность  системы  контроля  и  диагностики  (СКД),  построенной  на  базе  РВС,  выполнять  диагностику  элементов  БСУ  методом  дублирования  можно  использовать  для  восстановления  контролируемых  элементов.

Основным  свойством  СКД,  построенных  на  базе  РВС,  которое  предлагается  использовать  для  реализации  требований  FDIR,  является  способность  адаптации  аппаратной  архитектуры  СКД  под  алгоритмическую  структуру  решаемых  задач,  т.  е.  задач  контроля  и  диагностики. 

Продолжая  исследование  функциональных  возможностей  реконфигурируемых  СКД,  в  данной  статье  будет  рассмотрена  возможность  восстановления  вышедших  из  строя  дискретных  элементов  цифровых  устройств  БСУ  путем  их  эквивалентного  замещения  элементами,  образованными  с  помощью  необходимых  конфигураций  вычислительных  структур  в  СКД.

Рассмотрим  формальную  модель  операции  восстановления  дискретных  элементов  цифровых  устройств  БСУ  КА,  представленную  на  рисунке  1.

Рисунок  1.  Операция  восстановления  путем  эквивалентного  замещения

Пусть  дана  некоторая  контролируемая  подсистема  БСУ  КА    (рисунок  1,  а),  где    —  порядковый  номер  подсистемы.  Подсистема    описывается  передаточной  функцией  ,  вычисляемой  по  формуле 

  ,  (1)

где    и    —  преобразования  Лапласа  для  входного    и  выходного    сигналов  соответственно:

,  (2)

.  (3)

В  виду  того,  что  БСУ  современных  КА  строятся  преимущественно  на  базе  цифровых  устройств,  из-за  дискретного  характера  процессов  их  функционирования,  корректнее  будет  рассматривать  подсистемы  БСУ  в  виде  дискретных  и  дискретно-непрерывных  систем.  Тогда  подсистема    будет  описываться  дискретной  передаточной  функцией  ,  для  которой  выражение  (1)  примет  следующий  вид:

,

где    и  ,  в  отличие  от  (2)  и  (3),  являются  —  преобразованиями  для  входного  дискретного  сигнала    и  выходного  дискретного  сигнала  ,  при  заданных  дискретных  моментах  времени  ,  и  равны  соответственно

,

.

Основной  задачей  СКД  будет  являться  контроль  значения  .  При  этом  под  возможностью  восстановления  подсистемы    в  случае  ее  выхода  из  строя  будет  подразумеваться  возможность  конфигурации  (функционального  воспроизведения)  контролируемого  элемента  (подсистемы)  ,  дискретная  передаточная  функция  которого  будет  эквивалентна  контролируемой,  т.  е.  .  Таким  образом,  вычислительный  ресурс  реконфигурируемой  СКД  при  необходимости  должен  позволять  воспроизводить  контролируемые  элементы  за  счет  свойств  РВС.

Аппаратно-программными  средствами  БСУ  должна  быть  предусмотрена  возможность  изолирования  неисправного  элемента    (рисунок  1,  б),  что  может  быть  достигнуто  с  помощью  коммутационных  схем,  заложенных  предварительно  в  функциональном  и  контрольно-диагностическом  обеспечении  БСУ  КА. 

После  изолирования  (отключения)  вышедшего  из  строя  элемента,  СКД  посредством  реконфигурации  создает  эквивалентный  элемент    с  требуемой  передаточной  функцией  ,  замещая  при  этом  полностью  вышедший  из  строя  дискретный  элемент  БСУ,  как  это  показано  на  рисунке  1,  в.

Здесь  следует  отметить  еще  одно  достоинство  реконфигурируемых  СКД  перед  СКД,  реализованными  программными  средствами  в  БСУ  КА.  Вышеописанная  возможность  восстановления  дискретных  элементов  БСУ  при  ее  практической  реализации  позволит  использовать  резервные  подсистемы  БСУ  более  высокого  аппаратного  уровня  лишь  в  крайних  случаях,  когда  ресурсы  реконфигурируемого  вычислительного  поля  (РВП)  СКД  будут  израсходованы  практически  полностью.  Это  означает,  что  при  едином  унифицированном  подходе  к  аппаратно-программному  построению  БСУ  можно  будет  отказаться  от  использования  резервных  подсистем  высоких  аппаратных  уровней  и  применять  для  восстановления  работоспособности  БСУ  только  эффективным  образом  рассчитанный  вычислительный  ресурс  РВП  СКД  на  низких  (или  базовых)  аппаратных  уровнях.

Для  рассматриваемого  случая  распределение  ресурсов  РВП  СКД  БСУ  КА  можно  представить  в  виде,  изображенном  на  рисунке  2.

Рисунок  2.  Распределение  ресурсов  реконфигурируемого  вычислительного  поля  СКД  БСУ  КА

Здесь  показано,  что  все  ресурсы  РВП  распределены  на  четыре  основные  части:

·     каналы  тестирования,  представляющие  собой    реконфигурируемых  участков  РВП,  в  каждом  из  которых  могут  формироваться  независимые  тестовые  сигналы  БСУ;

·     каналы  контроля,  включающие  в  себя    реконфигурируемых  участков  РВП,  каждый  из  которых  независимо  друг  от  друга  может  осуществлять  аппаратное  формирование  систем  оценок  технического  состояния  БСУ  с  возможностью  корректировки  параметров  в  алгоритмах  идентификации  неисправностей  и  отказов;

·     блок  дублирований,  предназначенный  для  проведения  диагностики  дискретных  элементов  БСУ  методом  дублирования;

·     блок  восстановления,  отведенный  в  СКД  для  восстановления  вышедших  из  строя  дискретных  элементов  цифровых  устройств  БСУ  путем  их  эквивалентного  замещения  воспроизведенными  элементами  (устройствами)  в  структуре  РВП.

Таким  образом,  способность  к  адаптации  аппаратной  архитектуры  реконфигурируемой  СКД  к  контролируемым  подсистемам  может  быть  использована  и  для  восстановления  дискретных  элементов,  образующих  данные  подсистемы.

Выводы:

1.  Рассмотрена  возможность  восстановления  вышедших  из  строя  дискретных  элементов  цифровых  устройств  БСУ  КА  путем  их  эквивалентного  замещения  элементами,  образованными  посредством  реконфигурации  РВП  СКД.

2.  Единый  унифицированный  подход  в  аппаратно-программном  построении  БСУ  КА  и  использование  реконфигурируемых  СКД  могут  позволить  снизить  потребность  в  резервировании  целых  подсистем  БСУ  высокого  аппаратного  уровня. 

3.  Для  обеспечения  возможности  восстановления  элементов  БСУ  должна  быть  предусмотрена  возможность  их  изолирования  из  состава  функциональной  аппаратуры,  что  не  может  быть  реализовано  посредством  одной  лишь  СКД  и  должно  предусматриваться  в  процессе  разработки,  как  функциональной  аппаратуры  БСУ,  так  и  контролирующей.

4.  Вычислительный  ресурс  РВП  реконфигурируемых  СКД  по  восстановлению  дискретных  элементов  БСУ  должен  учитывать  как  уровень  сложности  контролируемых  элементов,  так  и  уровень  их  контролепригодности.

Список  литературы:

1.Алексеев  А.А.,  Кораблев  Ю.А.,  Шестопалов  М.Ю.  Идентификация  и  диагностика  систем.  М.:  Издательский  центр  «Академия»,  2009.  —  352  с.

2.Бровкин  А.Г.,  Бурдыгов  Б.Г.,  Гордийко  С.В.  и  др.  Бортовые  системы  управления  космическими  аппаратами.  /Под  ред.  проф.  А.С.  Сырова  М.:  Изд-во  МАИ-ПРИНТ,  2010.  —  304  с.

3.Глущенко  П.В.  Техническая  диагностика:  Моделирование  в  диагностировании  и  прогнозировании  состояния  технических  объектов.  М.:  Вузовская  книга,  2004.  —  248  с.

4.Каляев  И.А.,  Левин  И.И.,  Семерников  Е.А.,  Шмойлов  В.И.  Реконфигурируемые  мультиконвейерные  вычислительные  структуры  /Изд.  2-е,  перераб.  и  доп.  /  Под  общ.  Ред.  И.А.  Каляева.  Ростов-н/Д.:  Изд-во  ЮНЦ  РАН,  2009.  —  344  с.

5.Савкин  Л.В.  О  решении  задач  бортового  диагностирования  космических  аппаратов  с  помощью  реконфигурируемых  вычислительных  систем.  Технические  науки  –  от  теории  к  практике  /  Сб.  ст.  по  материалам  XXXIX  Междунар.  науч.-практ.  конф.  №  10  (35).  Новосибирск:  Изд.  «СибАК»,  2014.  —  с.  79—87.

6.Савкин  Л.В.  Построение  встроенной  системы  функционального  контроля  и  диагностики  бортового  комплекса  управления  космического  аппарата  на  базе  реконфигурируемых  вычислительных  структур.  Инновации  в  науке/  Сб.  ст.  по  материалам  XХXVIII  междунар.  науч.-практ.  конф.  №  10  (35).  Новосибирск:  Изд.  «СибАК»,  2014.  —  с.  83—89.

7.Wander  A.,  Förstner  R.  Innovative  fault  detection,  isolation  and  recovery  strategies  on-board  spacecraft:  state  of  the  art  and  research  challenges/Deutscher  Luft-und  Raumfahrtkongress,  2012.