CC BY
7Труды МАИ. Выпуск № 113 УДК 629.7.05
http://trudymai. ш/ БОТ: 10.34759/Ы-2020-113-12
Автоматизация анализа нормативности работы бортового вычислительного устройства космического аппарата
Табаков Е.В.1'2*' Зинина А.И.2**
1Московское опытно-конструкторское бюро «Марс», 1-й Щемиловский пер., 16, стр. 2, Москва, 127473, Россия 2Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Волоколамское шоссе, 4, Москва, А-80, ГСП-3, 125993, Россия
Аннотация
Целью работы является дальнейшее развитие автоматизированного анализа нормативности вычислительного процесса бортовых вычислителей космических аппаратов. Ранее предложенный подход обеспечивал лишь возможность анализа нормативности времён работы программных модулей в части их соответствия отведённым временным интервалам. В данной работе предложен новый алгоритм, который позволяет также проверять корректность работы вычислителя путём сравнения значений параметров в телеметрической информации (ТМИ), характеризующих его состояние в момент начального включения, с номинальными. На основе предложенного алгоритма реализовано программное средство. В результате увеличения числа учитываемых при формировании суждения о нормативности вычислительного процесса критериев возрос объём анализа, который может быть осуществлён автоматически.
*е-таИ: е-1аЬ@,гатЬ1ег. ги **е-тай: 2тта0818@таИги
Статья поступила 15.07.2020
Труды МАИ. Выпуск № 113 http://trudymai. щ/
Ключевые слова: космический аппарат, бортовое вычислительное устройство,
телеметрическая информация, контроль нормативности, автоматизация анализа.
Введение
Разработка космического аппарата (КА) и обеспечение его нормативной работы является крайне непростой задачей, так как в его состав входит ряд сложнейших компонентов [1, 2, 3, 4]. Одним из таких компонентов является его система управления (СУ) [5]. Данная система в ходе функционирования КА решает вопросы, связанные с обеспечением условий, которые необходимы для решения его целевой задачи. Поэтому, в ходе разработки и эксплуатации СУ огромное внимание уделяется задаче обеспечения её безотказного функционирования [6]. Очевидно, что нормативная работа всей системы в целом зависит от правильности работы отдельных её компонентов.
Основным блоком системы управления (СУ) космического аппарата является бортовое вычислительное устройство (БВУ), которое представляет собой резервированный вычислитель [7, 8, 9]. В своём составе оно содержит четыре идентичных микроконтроллера («грани» вычислителя). В процессе работы СУ на данном устройстве происходит выполнение модулей бортового программного обеспечения (БПО), которые определяют её поведение [10, 11]. Следовательно, от нормативности работы БВУ зависит корректность функционирования всей СУ. Поэтому является крайне важным тщательно проверить его работу во всех возможных режимах на испытательных стендах. Способом контроля нормативности
Труды МАИ. Выпуск № 113 http://trudymai. ш/
является анализ телеметрической информации КА в части значений тех признаков,
которые характеризуют различные аспекты функционирования БВУ и работы
модулей БПО [12, 13].
Данные признаки можно условно разделить на несколько групп:
• Результаты расширенного теста встроенного контроля (РТВК);
• Времена завершения работы программных модулей;
• Другие признаки.
РТВК всегда выполняется при включении БВУ и включает в себя: проверку команд процессора, регистров специального назначения, таймеров, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), корневого и страничного репрограммируемого запоминающего устройства.
Массивы времён завершения работы ПМ содержат информацию о временах завершения программных модулей (ПМ) БПО на гранях вычислителя. Анализ времён работы данных модулей является крайне важным, т.к. рассматриваемая СУ является системой «жёсткого» реального времени и время работы каждого ПМ чётко регламентируется [14, 15]. Информация об установленных для каждого модуля временных рамках содержится в циклограмме вычислителя. Выход модуля за установленный временной интервал может привести к сбою системы. Поэтому необходимо осуществлять анализ соответствия времён работы ПМ отведённым.
Также существует ряд других признаков, характеризующих работу вычислителя, которые не вошли в предыдущие группы, например: слово
Труды МАИ. Выпуск № 113 http://trudymai. ш/
конфигурации БВУ, номер циклограммы, признаки наличия питания в гранях БВУ и
т.п.
Существующий метод анализа заключается в том, что исходный бинарный файл с ТМИ расшифровывается специальной программой. В результате её работы получается текстовый документ, содержимое которого представлено в понятном человеку виде. Далее сотрудники предприятия извлекают из него нужную информацию и проводят анализ полученных данных. Этот подход является крайне простым, однако имеет ряд существенных недостатков:
• Необходимость больших усилий со стороны сотрудников предприятия;
• Высокая вероятность ошибок из-за «человеческого фактора»;
• Для осуществления ручного анализа требуется определённое время, следовательно, он не позволяет оперативно находить отклонения от нормы.
Поэтому представляет интерес автоматизация проведения подобного анализа путём разработки специального алгоритма и разработки на его основе программного средства. Ранее подобная работа уже проводилась, однако предыдущий алгоритм анализа позволял проводить анализ нормативности работы БВУ лишь в части контроля нормативности времён работы ПМ [16, 17, 18]. Таким образом, целью данной работы является развитие созданного ранее подхода путём добавления анализа в части критериев, характеризующих работу БВУ.
Исходные данные
В качестве исходных данных для анализа выступают бинарные файлы, содержащие ТМИ. Данные фалы формируются в процессе проведения проверок на испытательных стендах. Формат сведений, содержащихся в них, следующий:
• Время формирования информации;
• Идентификатор;
• Значение.
Нормативные времена завершения работы ПМ БПО содержатся в файле циклограммы. В нём содержатся циклограммы работы вычислителя в различных режимах. Формат сведений, содержащихся в циклограмме, следующий:
• Имя циклограммы;
• Нормативные времена завершения ПМ;
• Названия ПМ.
Требования по разработке средства для автоматизированного анализа
Требования на разработку средства автоматизированного анализа разработаны с учётом необходимости обеспечить удобство его использования. Также принято во внимание, что на предприятии к настоящему моменту проведена значительная работа по автоматизации проведения стендовых испытаний. С этой целью создана система автоматизации испытаний (САИ) [19, 20]. Эта система создана с целью автоматизированной фиксации ТМИ, получаемой в результате стендовых испытаний и её записи в общую базу данных предприятия. Кроме того, САИ
позволяет автоматизировано производить загрузку исходных данных, запуск
обработки и запись результатов в базу данных, что может помочь решению
поставленной задачи.
Исходя из вышесказанного, сформулированы следующие требования:
• Возможность запуска и задания параметров работы как в диалоговом режиме с графическим интерфейсом, так и в автоматическом;
• Возможность взаимодействия с существующими средствами автоматизации — средствами системы автоматизации испытаний (САИ), возможность взаимодействия с базами данных;
• Представление результатов анализа в удобном виде.
Предлагаемый алгоритм На рисунке представлена блок-схема предлагаемого алгоритма.
Рис.1. Блок-схема предлагаемого алгоритма
Алгоритм анализа
На первом этапе происходит загрузка входных данных, которые затем расшифровываются. Исходя из объёма сведений, содержащихся в ТМИ, определяются объёмы проводимого анализа. Также по значению специального признака в ТМИ определяется режим работы вычислителя. Исходя из того, какой режим зафиксирован, устанавливаются нормативные значения признаков, соответствующих данному режиму.
Процедура анализа состоит из следующих этапов:
• Сравнение зафиксированных по ТМИ значений признаков с нормативными. Формирование суждения о нормативности выполнения режима БВУ;
• Вычисление фактических времён работы ПМ в гранях вычислителя и сравнение с допустимыми согласно циклограмме. Формирование суждения о нормативности выполнения циклограммы БВУ;
• Формирование общего суждения о нормативности работы БВУ.
В случае если программа вызвана в ручном режиме, то результаты анализа следует отображать в графическом диалоговом окне, а если в автоматическом -записывать в базу данных предприятия.
Программная реализация
Разработка приложения велась на основе предложенного выше алгоритма с использованием среды Qt Creator на языке C++. Номинальные значения признаков, характеризующих нормативность вычислительного процесса, жёстко запомнены в
программе. Для остальных данных, необходимых для проведения анализа
нормативности (файлы с ТМИ и информацией циклограмм), реализованы средства
загрузки.
Предусмотрена возможность работы программы, как в ручном режиме, так и в автоматическом (работа с САИ). С этой целью помимо графического интерфейса добавлена возможность запуска приложения с помощью командной строки. Для записи результатов в САИ добавлена возможность создания *xml файлов с результатами, формат которых соответствует протоколам взаимодействия с данной системой.
Разработанное программное средство получило название «Cyclogram».
Описание работы программы
Вид главного окна графического интерфейса пользователя показан на рисунке 2. Данный интерфейс предоставляет инструменты для задания пути к необходимым файлам и запуска обработки.
| Выберите файл с информ йиклограннь! (необязательно):
Рис. 2. Графический интерфейс программы
Труды МАИ. Выпуск № 113 http://trudymai. щ/
Результатом работы программы при запуске в графическом режиме является
информационное сообщение, содержащее основные результаты анализа. Вид
данного окна для случая, когда выбранный файл с ТМИ не содержит данных для
анализа в части проверки нормативностей времён работы ПМ и значение одного из
признаков в ТМИ не нормативно, показан на рисунке.
Рис. 3. Результаты анализа в части проверки нормативности отработки режима БВУ
В случае наличия данных для проверки нормативности времён работы ПМ, создаётся файл протокола, примерный вид которого представлен на рисунке.
Протокол представляет собой файл формата ods программы OpenOffice Са1с. Выбор формата ods обусловлен тем, что он является свободно распространяемым, а также тем, что существуют методы по его автоматизации, связанные с возможностью работать с файлами данного формата, как с архивами. С целью улучшения восприятия представленной в протоколе информации человеком, строки таблицы окрашены в два чередующихся цвета. Для обеспечения возможности быстрой идентификации тех ПМ, время работы которых не укладывается в
отведённый интервал, соответствующие таким ПМ строки таблицы окрашены в
красный цвет.
Number of point Name of module First side Second side Max value Actual time of the work of the side Ending time in CG Time in CG Stock Stock,%
1 SyncBuk_x 1080 470 1080 780 000000 2000 2000 1220 61.000000
2 MkoExRecv 2880 2730 2880 880 000000 3400 1400 520 37.142857
3 MkoSend zp2 3820 3490 3820 420 000000 4700 1300 880 67.692307
4 djsp skd x 5500 5480 5500 800 000000 6000 1300 500 38.461540
5 MkoRecv zp2 6340 6490 6490 490.000000 7250 1250 760 60.799999
6 MkoSend zp3 8130 7340 8130 880.000000 8600 1350 470 34.814816
7 djsp skd x 8880 8880 8880 280 000000 9900 1300 1020 78.461540
8 MkoRecv zp3 10800 10780 10800 900 000000 11500 1600 700 43.750000
9 MkgSend_zp4 12070 11590 12070 570 000000 13000 1500 930 62.000000
10 disg_skd x 13480 13470 13480 480 000000 14600 1600 1120 70.000000
11 MkoRecv zp4 15130 15380 15380 780 000000 16400 1800 1020 56.666668
12 djsp skd x 16980 16980 16980 580 000000 17650 1250 670 53.599998
13 SendPw x 18230 17750 18230 580 000000 18850 1200 620 51.666668
14 RecvPw x 18980 19450 19450 600.000000 20100 1250 650 52.000000
15 djsp skd x 20910 21240 21240 1140.000000 21750 1650 510 30.909090
16 SendPw x 22000 22000 22000 250 000000 22200 450 200 44.444443
17 RecvPw x 22630 22630 22630 430 000000 22950 750 320 42.666668
18 24290 24290 24290 1340.000000 25000 2050 710 34.634148
19 MkoSend zp5 25650 25090 25650 650 000000 27000 2000 1350 67.500000
20 djsp skd x 27120 27120 27120 120 000000 28800 1800 1680 93.333336
21 SendPw x 28900 28900 28900 100 000000 31000 2200 2100 95.454544
22 MkoRecv zp5 31670 31930 31930 930.000000 33500 2500 1570 62.799999
23 psl1 el3 x 33670 33670 33670 170 000000 33900 400 230 57.500000
24 MkoSend zp6 34620 33990 34620 720 000000 35900 2000 1280 64.000000
25 Empty 0 0 0 0.000000 37400 1500 1500 100.000000
26 disp skd x 37680 37680 37680 280 000000 38900 1500 1220 81.333336
27 MkoRecy_z рб 39710 40000 40000 1100.000000 41000 2100 1000 47.619049
28 djsp skd x 41590 41590 41590 590 000000 42000 1000 410 41.000000
29 SendPw x 42410 42110 42410 410 000000 42800 800 390 48.750000
30 RecvPw x 42930 43230 43230 430 000000 43600 800 370 46.250000
31 disp skd x 44170 44400 44400 800.000000 44800 1200 400 33.333332
32 SendPw x 44970 44970 44970 170 000000 45300 500 330 66.000000
33 RecvPw x 45560 45560 45560 260 000000 45800 500 240 48.000000
34 disp_skd_x 46610 46610 46610 810 000000 49000 3200 2390 74.687500
Рис. 4. Вид протокола анализа отработки циклограммы
На рисунке представлен вид протокола для случая, когда время выполнения ряда ПМ не укладывается в установленные временные рамки. Строки таблицы, соответствующие данным модулям, подсвечены красным.
Number of point Name of module First side Second side Max value Actual time of the work of the side Ending time in CG Time in CG Stock Stock, %
1 SyncBuk_x 1080 470 1080 780.000000 2000 2000 1220 61.000000
2 MkoExRecv 2880 2730 2880 880.000000 3400 1400 520 37.142857
3 MkoSend_zp2 3820 3490 3820 420.000000 4700 1300 880 67.692307
4 disp_skd_x 5500 5480 5500 800.000000 6000 1300 500 38.461540
5 MkoRecv_zp2 6340 6490 6490 490.000000 7250 1250 760 60.799999
6 MkoSend zp3 8130 7340 8130 880.000000 8600 1350 470 34.814816
7 djsp_skd_x 8880 8880 8880 280.000000 9900 1300 1020 78.461540
8 MkoRecv zp3 10800 10780 10800 900.000000 11500 1600 700 43.750000
9 MkoSend_zp4 12070 11590 12070 570.000000 13000 1500 930 62.000000
10 disp_skd x 13480 13470 13480 480.000000 14600 1600 1120 70.000000
11 MkoRecy_zp4 15130 15380 15380 780.000000 16400 1800 1020 56.666668
12 disp skd x 16980 16980 16980 580.000000 17650 1250 670 53.599998
13 SendPvv x 18230 17750 18230 580.000000 18850 1200 620 51.666668
14 RecvPw x 18980 19450 19450 600.000000 20100 1250 650 52.000000
15 disp_s.kd_x 20910 21240 21240 1140.000000 21750 1650 510 30.909090
16 SendPvv x 22000 22000 22000 250.000000 22200 450 200 44.444443
17 RecvPw x 22630 22630 22630 430.000000 22950 750 320 42.666668
18 disp_skd_x 24290 24290 24290 1340.000000 25000 2050 710 34.634148
19 MkpSend_zp5 25650 25090 25650 650.000000 26800 1800 1150 63.888889
20 djsp skd x 27120 27120 27120 320.000000 28600 1800 1480 82.222221
21 SendPvv x 28900 28900 28900 300.000000 30800 2200 1900 86.363640
22 MkoRecv_zp5 31670 31930 31930 1130.000000 32000 1200 70 5.833333
23 psl1 el3 x 33670 33670 33670 1670.000000 32300 300 -1370 456.6666561
24 MkoSend zp20 34620 33990 34620 2320.000000 32900 600 -1720 -286.6666Я
25 Empty 0 0 0 0.000000 33500 600 600 100.000000
26 MkoRecv_zp20 37680 37680 37680 4180.000000 34250 750 -3430 -457.3333441
27 psli e!3 x 39710 40000 40000 5750.000000 34450 200 -5550 -2775.000000
28 MkoSend zd21 41590 41590 41590 7140 000000 35050 600 -6540 -1090 000000
Рис. 5. Вид протокола анализа отработки циклограммы
(обнаружены замечания)
Выводы
В результате работы предложен новый алгоритм автоматизации анализа работы БВУ в части определения соответствия значений признаков, характеризующих работу вычислителя нормативным, а также нормативности времён работы ПМ. На основе предложенного алгоритма проведено создание программного средства: сформулированы требования и осуществлена реализация. Осуществлено внедрение разработанного приложения в существующую на предприятии систему автоматизации испытаний. В результате существенно упростилась автоматизация анализа работы БВУ при проведении стендовых испытаний.
Следующим этапом в развитии автоматизированного анализа является мониторинг нормативности значений параметров не только для момента начального включения, но и в процессе функционирования БВУ. Кроме того, в настоящий момент анализируется работа только БВУ, однако представляет интерес также анализировать и работу блока управления и контроля (БУК), т.е. того устройства, которое управляет смежными системами (поворот солнечных батарей, подрыв пиропатронов и т.д.) через блоки-сателлиты. БУК в своём составе также содержит вычислитель, на котором выполняется ПО. Таким образом, возникает задача проводить анализ хода вычислительного процесса и в данном блоке.
Библиографический список
1. Алифанов О.М., Медведев А.А., Соколов В.П. Подходы к созданию и направления применения малых космических аппаратов в космической деятельности // Труды МАИ. 2011. № 49. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=28039
2. Гусев А.А., Ильина И.Ю., Усачев О.А. Разработка перспективной космической платформы для космических аппаратов океанографического назначения серии «Метеор» // Труды МАИ. 2014. № 74. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=49285
3. Асюшкин В.А., Викуленков В.П., Ишин С.В. Итоги создания и начальных этапов эксплуатации межорбитальных космических буксиров типа «Фрегат» // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2014. № 1. С. 3 - 9.
4. Внуков А.А., Рвачева Е.И. Предпосылки и перспективы создания полностью электрореактивных космических аппаратов для работы на геостационарной орбите // Сибирский журнал науки и технологий. 2014. № 4 (56). С. 140 - 146.
5. Матюшин М.М., Луценко Ю.С., Гершман К.Э. Синтез структуры органа управления космических группировок // Труды МАИ. 2016. № 89. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=72869
6. Заведеев А.И., Ковалев А.Ю. Диагностика состояния и принципы повышения отказоустойчивости бортовой системы управления космического аппарата // Труды МАИ. 2012. № 54. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=29687
Труды МАИ. Выпуск № 113 http://trudymai. ru/
7. Nancy G. Leveson. Role of software in spacecraft accidents // Journal of spacecraft
and Rockets, 2004, vol. 41 (4), pp. 564 - 575.
8. Андреев В.П., Волович Н.В., Глебов В.М. и др. Проектирование и испытания бортовых систем управления. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2011. - 344 с.
9. Бровкин А.Г., Бурдыгов Б.Г., Гордийко С.В. и др. Бортовые системы управления космическими аппаратами. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. - 304 с.
10. Пейсахович Д.Г. Некоторые особенности построения систем передачи телеметрической информации // Молодой ученый. 2010. Т. 1. № 8. С. 109 - 112.
11. T. Peng et al. A Component-Based Middleware for a Reliable Distributed and Reconfigurable Spacecraft Onboard Computer // IEEE 35th Symposium on Reliable Distributed Systems (SRDS), Budapest, 2016, pp. 337 - 342. DOI:10.1109/SRDS.2016.051
12. Eickhoff J. Onboard computers, onboard software and satellite operations: an introduction, Springer Science & Business Media, 2011. DOI 10.1007/978-3-642-251702.
13. Додонов А.Р. Принципы организации бортовых вычислительных комплексов автоматических космических аппаратов // Достижения науки и образования. 2018. № 8 (30). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/printsipy-organizatsii-bortovyh-vychislitelnyh-kompleksov-avtomaticheskih-kosmicheskih-apparatov
14. Salehi Mohammad et al. Two-state checkpointing for energy-efficient fault tolerance in hard real-time systems // IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, 2016, vol. 24 (7), pp. 2426 - 2437. DOI: 10.1109/TVLSI.2015.2512839
Труды МАИ. Выпуск № 113 http://trudymai. ru/
15. Xu J. and Parnas D.L. On satisfying timing constraints in hard-real-time systems //
IEEE transactions on software engineering, 1993, vol. 19 (1), pp. 70 - 84. DOI: 10.1109/32.210308
16. Табаков Е.В., Зинина А.И., Красавин Е.Э. Автоматизация анализа отработки циклограмм бортовых вычислителей космических аппаратов // Труды МАИ. 2020. № 111. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=115153. DOI: 10.34759/trd-2020-111-12
17. Табаков Е.В., Зинина А.И., Косинский М.Ю., Щелыкалин М.Ю. Анализ нормативности отработки циклограмм бортовых вычислителей космических аппаратов с использованием автоматизированных систем // 18-я Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2019» (Москва, 26.ноября 2019): тезисы докладов. - М.: Логотип, 2019. С. 174.
18. Табаков Е.В., Зинина А.И. Автоматизация анализа использования ресурсов бортовых вычислителей космических аппаратов // 11-й Всероссийский межотраслевой молодёжный конкурс научно-технических работ и проектов «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики - 2019» (Москва, 19 ноября 2019): тезисы докладов. - М.: Логотип, 2019. С. 127
19. Щелыкалин М.Ю. Использование информационных технологий для поддержки разработки бортового программного обеспечения // Труды МАИ. 2016. № 88. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=70707
20. Шатский М.А., Щелыкалин М.Ю. Система автоматизации испытаний функционального программного обеспечения систем управления космических
Труды МАИ. Выпуск № 113 Иир://1:шёута1. ги/
аппаратов // II Всероссийская научно-техническая конференция «Системы
управления беспилотными космическими и атмосферными летательными
аппаратами» (Москва, 26 октября 2012): тезисы докладов. - М.: МОКБ МАРС, 2012.
С. 48.
