CC BY
84
Дихотомический анализ и идентификация аппаратно-программных неисправностей бортового комплекса управления космического
аппарата и их реализация на базе реконфигурируемой системы функционального контроля и диагностики
Савкин Л.В.
ФГУП«НПО им. С. А. Лавочкина», Калужский Филиал ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» апс1го1с14.1 (сртаИ. ги
Аннотация. Предложен подход по проведению дихотомического анализа и идентификации аппаратно-программных неисправностей бортового комплекса управления космического аппарата, основанный на реализации многоуровневой диагностики в реконфигурируемой системе функционального контроля и диагностики. Рассмотрен пример построения дихотомического анализатора на базе фрагмента реконфигурируемого вычислительного поля системы функционального контроля и диагностики.
Ключевые слова: бортовой комплекс управления, аппаратный, программный, многоуровневый, дихотомический анализ, многоуровневый, реконфигурация, диагностическая модель.
1 Введение
Современные методы бортового диагностирования космических аппаратов (КА) направлены, как правило, на реализацию таких алгоритмов диагностики целевой и служебной аппаратуры, эффективность которых в совокупности определяется как достоверностью регистрируемых неисправностей и отказов, так и их степенью локализации (или «глубиной») на уровне всей диагностируемой системы КА.
Данный подход требует от диагностической системы возможности многоуровневого диагностирования аппаратно-программных средств КА, что, в первую очередь, подразумевает под собой анализ тех информативных признаков технического состояния бортовых систем КА, которые смогут обеспечить распознавание неисправного элемента в составе одного из уровней структурной или функциональной иерархии диагностируемой бортовой системы.
При таком подходе каждому уровню диагностирования соответствует определенная совокупность диагностических признаков, необходимых для
Дихотомический анализ и идентификация аппаратно-программных неисправностей
бортового комплекса управления космического аппарата и ..._
определения состояния диагностируемого объекта с заданной точностью [Алексеев и др., 2009].
С этой целью на примере системы функционального контроля и диагностики (СФКД) бортового комплекса управления (БКУ) КА, реализовать которую предлагалось [Савкин, 2014а; Савкин, 2015] на базе встроенного реконфигурируемого вычислительного поля (РВП), рассматривается способ проведения дихотомического анализа и идентификации технического состояния БКУ КА, заключающийся в сопоставлении регистрируемых и эталонных сигнатур на предварительно установленных аппаратных и программных уровнях БКУ непосредственно в РВП СФКД.
2 Особенности построения классификатора аппаратно-программных неисправностей БКУ КА в реконфигурируемой СФКД
Для эффективной оценки технического состояния БКУ КА, все его аппаратные и программные составляющие еще на начальных этапах проектирования диагностического обеспечения должны быть представлены в виде иерархической системы, элементы которой размещаются на условных аппаратных уровнях, соответствующих особенностям функционального или структурного аппаратно-программного построения БКУ.
На рис. 1 приведен пример построения таблиц аппаратных 0/ и программных Р/ элементов в классификаторе признаков аппаратно-программных неисправностей БКУ КА.
Диагностируемый верхний аппаратный уровень БКУ КА О'
ог1 çr' or1 Qr1
; ; : :
а3 Ql Ql Ql
QÎ Ql ê Qi
Q\ Ql Ql Q\
Диагностируемый верхний программный уровень БКУ КА Рт
пт-\ 1 рт-1 рт-1 1 3 pr
p:
Pl ... РГ
Pl P\ Pl p:
а) б)
Рис. 6. Условные аппаратные (а) и программные (б) уровни БКУ КА
Здесь j = \,т - условный порядковый номер аппаратного (программного) уровня системы, i = \,d - условный порядковый номер аппаратного (программного) элемента в пределах иерархического уровня диагностируемой системы (БКУ КА).
Для многоуровневого диагностирования БКУ КА каждому из элементов данных таблиц необходимо присвоить сигнатуры с
контрольных точек исправных аппаратных подсистем БКУ, включая бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ). При этом сам процесс многоуровневого диагностирования будет заключаться в сопоставлении эталонных сигнатур Дб/), хранящихся в классификаторе признаков аппаратно-программных неисправностей БКУ, и регистрируемых сигнатур 5(2/), получаемых путем многоканальной обработки диагностической информации в РВП СФКД (рис. 2).
РВП СФКД
Замеры с КТ БКУ КА
В{<Г)
щп_ ЖЯ!± в{<21)
База эталонных сигнатур классификатора аппаратных
неисправностей БКУ КА
А(0я)
А(дг') ■шг]) ЛОГ1)
мф АФ А(ф
А(Ф жа2) АО);)
А(ф А(ф дф АФ
Рис. 2. Сопоставление эталонных и регистрируемых сигнатур в РВП СФКД
Ввиду того, что речь идет о сопоставлении и анализе данных цифрового формата в РВП СФКД, то одним из наиболее эффективных способов сопоставления эталонных и регистрируемых сигнатур БКУ КА будет являться дихотомический анализ.
3 Дихотомический анализ и идентификация неисправностей БКУ КА
Идентификация технического состояния БКУ КА путем аппаратной реализации в РВП СФКД дихотомических деревьев исправного/неисправного состояния аппаратных и программных уровней диагностируемых подсистем исключает необходимость проведения прямого корреляционного анализа эталонного и регистрируемого векторов состояний аппаратно-программных уровней БКУ.
Дихотомический анализ совместно с многоуровневой диагностикой упрощает также часто используемые в диагностировании технических средств оценки попаданий множества значений контролируемых параметров в интервалы допустимых значений, на основе которых регистрируют событие о наличии либо отсутствии неисправности в контролируемом (диагностируемом) объекте.
Дихотомический анализ и идентификация аппаратно-программных неисправностей
бортового комплекса управления космического аппарата и ..._
Это событие можно выявить, контролируя сигналы Z на выходе объекта и оценивая попадание множества значений z, каждого i-го сигнала в интервалы [Глущенко, 2004]
Zih<Zi<Zib, (1)
где Zih , Zib - множества нижних и верхних допустимых значений Z, сигналов объекта.
На рис. 3 представлен пример графа переходных процессов в диагностировании состояний верхних аппаратных уровней БКУ КА.
„А r(QJ . .
Qm
( © 0
Рис. 3. Дихотомический анализ состояния верхних аппаратных уровней БКУ
Условие перехода СФКД с верхнего аппаратного уровня ()т системы (БКУ) на диагностирование подсистемы, соответствующей аппаратному уровню Qm-l, можно представить в виде условного выражения
гШ^г(в^)\л=в, (2)
где у - событие, свидетельствующее об исправном состоянии аппаратного уровня (), которое подтверждает эффективность диагностической модели в РВП для проведения диагностики данного аппаратного уровня БКУ; А - эталонная сигнатура диагностируемого элемента, представляющая собой слово из п разрядов; В -зарегистрированная сигнатура диагностируемого элемента, представляющая собой из п разрядов.
Необходимость корректировки диагностической модели в РВП СФКД, связанную с неэффективностью выбранного алгоритма диагностики для данного аппаратного уровня, можно представить в виде выражения
(3)
указывающего на «возврат» процедуры диагностирования на верхний уровень системы, что на рис. 3 обозначено штрихпунктирными стрелками.
На рис. 4 представлено общее дихотомическое дерево, описывающее процедуру поэтапного диагностирования всех аппаратных уровней Q БКУ КА начиная с верхнего.
а, / f i ________ h > /7 / 1 "Ч y(Q,„),A = S «1»
а,- А> В, А <В 1 \ r(.Q„,M=B \...................ЛХ........................
а,. _2 / : / ' 1 ' 1 1 1 1 / * s /"Л Г^\А = В А>ВЫ <(0й \ y(Qm 2) ( «1» ) А < в //~у\
; / v * \ \ 4 ^ ; : 14.....;Ч = ; : . : :
а ч -ч. Ч •s Ч ~~ — "-Ч«о») («1») а>в,а<вкУ = В
а А>В,иЛ ( А < В \а=в э
Рис. 4. Дихотомическое дерево анализа состояний аппаратных уровней БКУ КА
Для многоуровневого поэтапного диагностирования аппаратных уровней БКУ условие понижения уровня диагностики можно записать
т)АхгиА:в-КЛ<к (4)
[О,если ,А>В,А<В,
где 1 = 1, т - условные аппаратные уровни диагностики БКУ КА. На данном рисунке пггрихпунктирными стрелками также обозначены случаи «возврата» на верхний аппаратный уровень диагностики БКУ при недостаточной эффективности диагностической модели в РВП СФКД на одном из промежуточных аппаратных уровней.
Здесь необходимо отметить, что во избежание периодической реконфигурации всех аппаратных уровней диагностической модели в РВП, и учитывая ограниченное число конфигурационных наборов аппаратных архитектур в РВП СФКД, из данных наборов удобно выделять диагностические кластеры [Савкин, 2014с], которые позволят максимально упростить процесс корректировки диагностической модели при дихотомическом анализе и идентификации более «глубоких» аппаратно-программных уровней БКУ КА.
Дихотомический анализ и идентификация аппаратно-программных неисправностей бортового комплекса управления космического аппарата и ..._
4 Построение анализатора аппаратно-программных неисправностей БКУ в РВП СФКД
Реализовать сопоставление эталонных и регистрируемых сигнатур, соответствующих строго заданным признакам аппаратных и программных неисправностей БКУ КА, предлагается непосредственно в РВП СФКД (рис. 5).
Рис. 5. Построение дихотомического анализатора в РВП СФКД
С этой целью в РВП необходимо выделить фрагмент, на базе которого посредством ячеек с цифровыми компараторами может быть реализован дихотомический анализ, выполняющий задачи идентификации неисправностей БКУ путем многоуровневой аппаратно-программной диагностики БКУ КА.
Посредством каждой ячейки осуществляется поразрядное сравнение эталонных и регистрируемых сигнатур, что можно представить в виде выражения
вт т)=40.1)« 4(0/) (5)
вп(в/)<> 4,(00
где (В0,В1,В2,...,Вп)]' и - наборы разрядов слов,
регистрируемых СФКД, и наборы разрядов слов эталонных сигнатур.
5 Заключение
В случае формирования диагностических моделей в РВП СФКД по принципу вложенных матричных наборов, рассмотренному в [Новичков и др., 2014], для описания их функционально-топологических особенностей удобно использовать метод конфигурационных функций, предложенный в [Савкин, 2014Ь].
Основным достоинством реализации дихотомического анализатора в РВП СФКД является возможность конфигурационной корректировки ячеек сравнений эталонных и регистрируемых сигнатур не только с точки зрения особенностей функциональной обработки диагностических данных, но и с точки зрения их многоканального построения.
Список литературы
[Алексеев и др., 2009] Алексеев A.A., Кораблев Ю.А., Шестопалов М.Ю. Идентификация и диагностика систем.-М.: Издательский центр «Академия», 2009.-352
[Глущенко, 2004] Глущенко П.В. Техническая диагностика: Моделирование в диагностировании и прогнозировании состояния технических объектов. - М.: Вузовская книга, 2004.-248 с.
[Новичков и др., 2014] Новичков В.М., Ширшаков А.Е., Савкин JT.B. Многоуровневая реконфигурация в аппаратном диагностическом обеспечении бортовых комплексов управления современных космических аппаратов / Системные проблемы надёжности, качества, компьютерного моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (ИННОВАТИКА - 2014). / Материалы Международной конференции, Российской научной школы и Форума. - М.: 2014. С. 65-66.
[Савкин, 2014а] Савкин JI.B. 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.79-88.
[Савкин, 2014b] Савкин Л.В. Метод конфигурационных функций в описании процессов формирования аппаратных уровней реконфигурируемой системы контроля и диагностики космического аппарата. Технические науки — от теории к практике / Сб. ст. по материалам XL междунар. науч.-практ. конф. № 12(37). Новосибирск: Изд. «СибАК», 2014. С. 47-53.
[Савкин, 2014с] Савкин JL В. Кластеризация диагностических моделей и их выделение из конфигурационных наборов аппаратных архитектур реконфигурируемой системы функционального контроля и диагностики космического аппарата // Технические науки в России и за рубежом: материалы IV междунар. науч. конф. (г. Москва, январь 2015 г.). — М.: Буки-Веди, 2015. — С. 26-28.
[Савкин, 2015] Савкин JI.B. Разработка реконфигурируемой системы функционального контроля и диагностики космического аппарата. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов НИУ ВШЭ им. Е.В. Армейского. Материалы конференции.-М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2015.-С. 201-202.
