CC BY
11Труды МАИ. Выпуск № 111 УДК 629.7.05
http://trudymai.ru/ DOI: 10.34759/trd-2020-111-12
Автоматизация анализа отработки циклограмм бортовых вычислителей космических аппаратов
Табаков Е.В.1*, Зинина А.И.2**, Красавин Е.Э.2***
Московское опытно-конструкторское бюро «Марс», 1-й Щемиловский пер., 16, стр. 2, Москва, 127473, Россия 2Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), МАИ, Волоколамское шоссе, 4, Москва, ГСП-3, 125993, Россия
*e-mail: e-tab@rambler. ru **e-mail: zinina0818@mail.ru ***e-mail: krasavin.ieghor@mail.ru
Аннотация
В работе рассматривается задача автоматизации анализа использования ресурсов вычислителей космических аппаратов. Рассмотрен существующий подход, выявлены его недостатки. Предложен алгоритм автоматического проведения подобного анализа. На основании алгоритма разработано программное средство, для обработки сведений о степени использования программными модулями ресурсов бортового вычислителя по данным телеметрической информации и нормативной документации. Разработанное программное средство позволяет автоматически сформировать данные для отчётной документации, что уменьшает количество времени, затрачиваемого на её составление.
Ключевые слова: система управления, бортовой вычислитель, телеметрическая
информация, анализ, космический аппарат.
Статья поступила 26.03.2020
Введение
Создание космического аппарата и поддержание его работоспособности является весьма сложной задачей [1, 2, 3, 4]. Одной из частей космического аппарата является его система управления [5]. В процессе разработки и эксплуатации системы возникает вопрос об обеспечении её безотказной работы [6]. Крайне важным, при решении данного вопроса является анализ телеметрической информации. В ней содержатся сведения об общем состоянии аппарата и работе всех его компонентов, в том числе и бортового вычислителя [7, 8].
Бортовой вычислитель является частью системы управления космическим аппаратом [9, 10, 11] и содержит в своём составе несколько идентичных вычислительных устройств («граней»). Исполняемые в нём модули бортового программного обеспечения (ПО) решают основные задачи системы управления и обеспечивают информационное взаимодействие с другими подсистемами аппарата. [12, 13].
Система управления космическим аппаратом является, по своей сути, системой «жёсткого» реального времени. Время выполнения каждого программного модуля чётко регламентируется [14, 15]. Этот регламент представляет собой циклограмму работы бортового вычислителя. Циклограмма работы вычислителя содержится в файле. Выдвигается требование, чтобы времена работы модулей на бортовом вычислителе строго укладывались в отведённые рамки. Поэтому является весьма важным получение информации об этих временах работы.
Классический метод анализа длительности исполнения ПО заключается в
составлении таблиц, где содержатся сведения о временах работы программных
2
модулей на гранях бортового вычислителя. Такие таблицы позволяют точно
идентифицировать те модули, которые выходят за рамки установленного времени.
Однако составление этих таблиц требует большого количества времени, т.к.
массивы с телеметрической информацией содержат большое количество различных
данных, представленных в неудобном для человеческого восприятия виде. Кроме
того, при производстве подобного рода документов существует большая
вероятность совершения ошибок в силу невнимательности человека-составителя.
Вследствие этого возникает задача автоматизации процесса составления таких
таблиц и анализа нормативности длительностей исполнения программных модулей.
В рамках работы для решения поставленной выше задачи рассматривается
разработка программного средства, которое в автоматическом режиме бы находило
сведения в телеметрической информации о времени работы модулей бортового ПО
в гранях вычислителя и составляло бы отчёт в виде таблицы с суждениями о
нормативности функционирования.
Предлагаемый алгоритм Исходными данными для разработки является информация о времени выполнения программных модулей бортового ПО. Эта информация содержится в файлах телеметрической информации, которые подаются на вход алгоритма. В процессе обработки происходит вычисление параметров таймирования и сравнение полученных значений с выделенным временем
Результатами обработки являются времена завершения работы программных модулей на гранях бортового вычислителя в миллисекундах согласно
Труды МАИ. Выпуск № 111 http://trudymai.ru/
телеметрической информации и согласно циклограмме, а также информация о
запасе времени их работы, как в абсолютном значении, так и в процентах.
На следующем шаге полученные результаты записываются в файл таким образом, чтобы формировать таблицу, из которой удобно извлекать нужную информацию.
Исходные данные
Исходя из того, что программе для работы требуется файл с телеметрической информацией, файл с информацией циклограмм и имя используемой циклограммы необходимо, чтобы программа обеспечивала механизм приёма данных сведений от пользователя.
Телеметрическая информация о времени завершения работы программных модулей на гранях бортового вычислителя имеет строго определённый формат, который включает в себя:
• Время формирования данной информации;
• Идентификатор;
• Значение.
Количество работающих граней бортового вычислителя определяется специальной переменной, где каждый разряд определяет включённое/выключенное состояние соответствующей грани бортового вычислителя.
Циклограмма работы вычислителя формируется разработчиками бортового ПО и документируется. С целью обеспечения возможности автоматической обработки информации циклограммы, на основе документации разрабатывается
Труды МАИ. Выпуск № 111 http://trudymai.ru/
файл циклограммы. Формат представления сведений в данном файле представляет
собой имя циклограммы, времена завершения работы программных модулей и их
имена.
Описание представления результатов
Таблица с результатами должна представлять собой файл OpenOffice Calc (формат .ods). Данный формат был выбран в связи с тем, что он является свободно распространяемым, и существуют простые методы по его автоматизации [16]. Для улучшения восприятия информации из формируемой программой таблицы её соседние строки должны иметь разные цвета — как вариант, могут быть использованы два чередующихся цвета. Также необходимо обеспечить возможность быстрой идентификации строк таблицы, которые соответствуют программным модулям, для которых запас времени работы в процентах по отношению к значению, заданному по циклограмме, меньше некоторого порогового значения.
Для предотвращения ошибок работы бортового вычислителя из-за превышений времени выполнения команд необходимо отслеживать тенденцию изменений параметров таймирования в процессе работы КА. Исследования показали, что со временем показатели времени выполнения команд увеличиваются. Поэтому, необходимо выделять значения близкие к номинальным (значениям из документации). В настоящее время, критерием «опасной близости» параметра к номиналу является значение запаса (разность номинала и реального значения) менее 30%.
В результате автоматизированного анализа на нормативность времени
исполнения программных модулей должно формироваться следующее
информационное сообщение:
1. Имя файла протокола (в окне программы обозначен как выходной файл);
2. Имя циклограммы;
3. Количество вызова программных модулей в циклограмме;
4. Количество точек в телеметрической информации;
5. Количество точек с запасом <30%.
Графический интерфейс С целью упрощения использования программа должна иметь простой и удобный для пользователя графический интерфейс. Также в соответствии с пожеланиями к разработчикам требуется, чтобы программа запоминала положение своего окна и открывала своё окно в том положении, в котором оно было закрыто прошлый раз.
Программная реализация
Предложенный алгоритм был реализован в виде программного приложения «Ziklogramma».
Как правило, программное обеспечение, используемое на предприятии для разработки и проверки систем управления, написано на языке C/C++ [17]. Поэтому, чтобы обеспечить совместимость разрабатываемого программного средства с уже существующим программным обеспечением, языком разработки выбран C++.
Разработка программы велась в среде QtCreator, позволяющей создавать
программное обеспечение с графическим интерфейсом. Выбор данной среды обусловлен её широкой распространённостью на предприятии.
Для создания *.ods файла был применён способ, при котором с помощью программы архиватора создаётся архив данного формата.
Все полезные данные в документе формата *. ods содержатся в файле content.xml. Это позволяет создавать этот xml-файл с данными, которые должны содержаться в готовом документе и затем записывать его в нужный архив с помощью архиватора.
Для корректного открытия файла *.ods, как электронной таблицы, средствами программы OpenOffice, данный архив должен также содержать папку META-INF с файлом manifest.xml. Содержимое этого файла является стандартным и не зависит от данных, хранящихся в документе *.ods.
Выбранный способ работы с подобными документами исключает необходимость покупки каких-либо библиотек. Созданная программа для создания архива формата *.ods и записи в него необходимых файлов и папок использует бесплатный архиватор 7zip для командной строки — приложение 7za.exe.
Для создания и работы с xml файлами используется популярная библиотека TinyXml.
Современные тенденции разработки прикладного программного обеспечения предполагают использование системы контроля версий, которая позволяет облегчить работу с разными версиями программного продукта, что упрощает
процесс разработки [18, 19, 20]. В процессе разработки данной программы
использована типовая система контроля версий Git.
Описание работы программы
Вид главного окна программы показан на рисунке 1.
Рисунок 1 Главное окно программы В соответствии с описаниями полей пользователь должен выбрать или указать
следующие данные:
• Имя файла с исходной телеметрической информацией (или полный путь к данному файлу);
• Имя файла с информацией циклограммы (или полный путь к данному файлу);
• Имя циклограммы.
После заполнения всех полей пользователь должен нажать кнопку «ОК» (см.
рисунок 1).
Если введённые данные верны, и программа отработала успешно, то по
завершении формирования файла отчёта отрывается окно, вид которого показан на
рисунке 2.
Рисунок 2 Окно со справочной информацией На рисунке 2 показано, что после успешного выполнения программа выводит указанную в требованиях справочную информацию:
Результатом работы является файл формата *. ods, который представляет собой электронную таблицу. Пример такой таблицы представлен на рисунке 3.
Number of goint Name of module First side Second side Max value Actual time of the work of the side Endjng t[me jn CG Time in CG Stock Stock. %
1 SyncEtuk_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 disg_skd x 5500 5480 5500 800.000000 6000 1300 500 38.461540
5 MkoRecv zp2 6340 6490 6490 490000000 7250 1250 760 60.799999
6 MkoSend zp3 8130 7340 8130 880.000000 8600 1350 470 34.814816
7 disjLskd 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 d|sp_5kd_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 d|sE_5kd_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 d|s|2_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 disg_skd x 24290 24290 24290 1340.000000 25000 2050 710 34.634148
19 MkoSend zp5 25650 25090 25650 650000000 27000 2000 1350 67.500000
20 dis£L,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 Emjjty 0 0 0 0.000000 37400 1500 1500 100.000000
26 d|sE_5kd_x 37680 37680 37680 280 000000 38900 1500 1220 81.333336
27 MkoRecv zp6 39710 40000 40000 1100.000000 41000 2100 1000 47 619049
28 d|sp_skd_x 141590 41590 Д1590 590.000000 42000 1000 410 41.000000
29 SendPw x 42410 42110 42410 410.000000 42800 800 390 48750000
30 RecvPw x 42930 43230 43230 430.000000 43600 800 370 46.250000
31 dis|3_5kd 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 d¡SE_5kd_x 46610 46610 46610 810.000000 49000 3200 2390 74.687500
Рисунок 3 Таблица протокола На этом рисунке показано, что строки таблицы обладают чередующимися цветами. Данная форма представления информации призвана облегчить восприятие. А в случае, если значение запаса в процентах в крайне правом столбце таблицы, для какого-то из программных модулей принимает значение меньшее порогового, то соответствующая строка получает окраску красного цвета. На рисунке 4 показан пример таблицы для случая, когда пороговое значение установлено на уровне 30%. Оно может быть легко изменено правкой в коде программы.
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 SYDSBilt_x 1080 470 1080 780.000000 2000 2000 1220 61.000000
2 MkoExRecv 2880 2730 2880 880.000000 3400 1400 520 37.142857
3 M ko Send 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 MJ®Send_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
g 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 MkoRecv_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 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 djsp_skd x 24290 24290 24290 1340.000000 25000 2050 710 34.634148
19 MkoSend_zp5 25650 25090 25650 650.000000 26800 1800 1150 63.888889
20 rijsp_skd_JS 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 psM el3 x 33670 33670 33670 1670.000000 32300 300 -1370 -456.666656
24 MkoSend zp20 34620 33990 34620 2320.000000 32900 600 -1720 -286.666656
25 Empty 0 0 0 0.000000 33500 600 600 100.000000
26 MkoRecv zp20 37680 37680 37680 4180.000000 34250 750 -3430 -457.333344
27 psl1_e!3_x 39710 40000 40000 5750.000000 34450 200 -5550 -2775.000000
28 41590 41590 41590 7140 000000 35050 600 -6540 -1090.000000
Рисунок 4 Вид таблицы при наличии строк с недостаточным запасом времени
Заключение
В процессе работы решена задача по автоматизации анализа использования ресурсов бортовых вычислителей космических аппаратов и разработан инструмент, позволяющий легко и быстро создавать электронные таблицы с информацией о времени исполнения программных модулей в гранях бортового вычислителя, его запасе, как в абсолютном значении, так и в процентах, а также формировать суждения о нормативности данных показателей. Это позволяет оперативно получать информацию о соответствии фактических времён работы программных модулей максимально допустимым и тем самым увеличить надёжность работы ПО в вычислителе.
Направлением дальнейшей работы является обеспечение взаимодействия со средствами автоматизации испытаний бортового ПО, с целью автоматизации получения телеметрической информации, запуска обработки, записи результатов в
базу данных предприятия и генерации отчётных документов.
11
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. СА 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
7. Бровкин А.Г., Бурдыгов Б.Г., Гордийко С.В. и др. Бортовые системы управления космическими аппаратами. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. - 304 с.
8. Пейсахович Д.Г. Некоторые особенности построения систем передачи
телеметрической информации // Молодой ученый. 2010. Т.1. № 8. С. 109 - 112.
9. 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. D01:10.1109/SRDS.2016.051
10. Eickhoff J. Onboard computers, onboard software and satellite operations: an introduction, Springer Science & Business Media, 2011. DOI 10.1007/978-3-642-251702.
11. 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
12. Nancy G. Leveson. Role of software in spacecraft accidents // Journal of spacecraft and Rockets, 2004, vol. 41 (4), pp. 564 - 575.
13. 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.
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
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
Труды МАИ. Выпуск № 111 http://trudymai.ru/
16. Benson, Calum, Matthias Muller-Prove, Jiri Mzourek. Professional usability in open
source projects: GNOME, OpenOffice. org, NetBeans // CHI'04 extended abstracts on Human factors in computing systems, 2004, Vienna, Austria.
17. Синицын С.В., Орлов Д.В. Системное бортовое программное обеспечение. Операционная среда разработки. - М.: МОКБ «МАРС», 2018. - Ч. 1. - 148 с.
18. John D. Blischak, Emily R. Davenport, and Greg Wilson. A quick introduction to, version control with Git and GitHub // PLoS computational biology, 2016, vol. 12 (1). DOI: 10.1371/journal.pcbi.1004668
19. Loeliger Jon, Matthew McCullough. Version Control with Git: Powerful tools and techniques for collaborative software development, O'Reilly Medvia, Inc., USA, 2012, 400 p.
20. Pilato C.M., Collins-Sussman B., Fitzpatrick B.W. Version control with subversion: next generation open source version control, O'Reilly Media, Inc., 2008, 432 p.
