CC BY
112
us
RESEARCH
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Бистерфельд О.А., к.т.н., Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина, [email protected]
Ключевые слова:
территориально распределенные автоматизированные информационные системы, интеграция данных, спутниковые каналы связи, транспортные протоколы, моделирование.
АННОТАЦИЯ
В статье проанализированы особенности обмена и интеграции данных в территориально распределенных автоматизированных системах испытаний ракетно-космической техники, а также проблемы передачи данных по каналам связи со спутниковым сегментом. Из соображений безопасности на случай возможной аварии ракеты стартовые позиции, районы падения компонентов ракетно-космической техники, выделенные полигонам и космодромам, размещают в малонаселенной местности, где отсутствует телекоммуникационная инфраструктура. Для оптимизации затрат на развитие и эксплуатацию комплексов полигонов и космодромов требуется повысить уровень автоматизации процессов измерительного обеспечения пусков ракетно-космической техники.
Предложено снизить интенсивность обменов между базами данных системы при выполнении целевых задач путем выполнения централизованной заблаговременной рассылки массивов централизованных идентификаторов экземпляров. Приведена структурная схема системы для осуществления предлагаемого метода обмена данных, описаны конструкции входящих в ее состав устройств, пояснен алгоритм работы. Предложенный подход позволяет уменьшить затраты на эксплуатацию информационной системы путем автоматизации процессов формирования логически связанных информационных массивов по данным от нескольких источников. В автоматизированных системах испытаний ракетно-космической техники данные передаются на большие расстояния по радиоканалам, для которых характерна низкая вероятность передачи данных без искажений. Расстояние, на которое передается сигнал, 80 тыс. километров и более. Надежность передачи данных по радиоканалу низкая (вероятность искажения символа более 10-6). Эти особенности при известных протоколах передач позволяют использовать менее половины пропускной способности радиоканала. Основные объемы данных передаются в монопольном режиме. Для транспортировки данных по каналу связи со спутниковым сегментом неэффективны протоколы, созданные в свое время для компьютерных сетей. Предложено парировать зависимость надежностных характеристик спутникового канала от интенсивности передач путем оптимизации параметров управления транспортным протоколом; применять протокол с непрерывной выдачей блоков в канал связи и с повторами только искаженных блоков; анализировать время поступления сообщений обратной связи. Приведена математическая модель эффективной пропускной способности транспортного протокола. Описанные подходы позволят повысить достоверность передачи в режиме реального времени и снизить время доставки в режиме отложенной транспортировки. Разработанные модели транспортных протоколов адаптированы к применению в малообслуживаемых компонентах полигонов и космодромов.
US
RESEARCH
Введение
В жизненном цикле ракетно-космической техники (РКТ) важную роль играют длительные и всесторонние испытания. Испытания проводят при проектных работах, при отработке опытных образцов РКТ на заводах-изготовителях, на специальных полигонах со сложными распределенными полигонными измерительными комплексами. При подготовке к пуску ракет космического назначения на технических комплексах и стартовых позициях космодромов продолжаются проверки с применением большого числа специализированных автоматизированных информационных систем (АИС), входящих в измерительные комплексы космодромов. Тщательно контролируется поведение изделий на активном участке полета с помощью сети измерительных пунктов со средствами оптических, радиолокационных, телеметрических и других измерений. Для управления космическими объектами, для мониторинга их состояния в наземных автоматизированных комплексах управления функционируют отдельные командно-измерительные комплексы. Из соображений безопасности на случай возможной аварии ракеты стартовые позиции, районы падения компонентов РКТ, выделенные полигонам и космодромам, размещают в малонаселенной местности, где отсутствует телекоммуникационная инфраструктура. Необходимы также измерительные пункты морского базирования, где принципиально невозможны проводные и оптоволоконные линии связи. С появлением систем спутниковых каналов связи их используют в измерительных комплексах космодромов и полигонов для сбора измерительной информации (рис. 1).
За время смены формации страны развитию и совершенствованию систем ракетно-космической отрасли не уделялось достаточного внимания. В настоящее время выполняется ряд проектов по определению направлений развития измерительных комплексов космодромов и полигонов. Рыночные условия диктуют жесткие ограничения на сроки, финансовые и производственные ресурсы, которые могут быть выделены в государственном оборонном заказе. Требуется изначальное создание комплекса моделей, детализирующего облик нового состояния и позволяющего оптимизировать и сократить затраты на развитие и эксплуатацию комплексов полигонов и космодромов. Новые подходы должны обеспечить повышение уровня автоматизации процессов измерительного обеспечения пусков РКТ и снизить потребность в ресурсах, в том числе в высококвалифицированном обслуживающем персонале. Модели должны быть адаптированы к применению в малообслуживае-мых компонентах полигонов и космодромов. В ряду
Рис. 1. Обмен и доставка данных в распределенных автоматизированных системах испытаний ракетно-космической техники
проблем и крупная проблема эффективной организации информационных структур, интеграции данных, доставки измерительных данных от удаленных компонентов комплексов полигонов и космодромов в центры обработки и анализа.
Методы обменаиинтеграции в БД
распределенных систем
Наиболее распространенные известные способы интеграции данных в системе взаимодействующих баз данных (БД) не позволяют организовывать в БД корректные массивы данных: допускается многократное повторение одних и тех же по смысловому содержанию записей данных в тех случаях, когда данные поступают от различных источников данных. Заблаговременное формирование централизованных идентификаторов экземпляров (ЦИДЭ) для классификаторов и систем кодирования не предусмотрено, следствием является выполнение излишних процедур при обменах между БД.
Отсутствие в известных способах упреждающей рассылки из службы идентификации данных (СИД) измененных массивов ЦИДЭ может приводить к задержкам готовности БД к выдаче обменных данных. Такие задержки могут быть неприемлемы в информационных системах, работающих в реальном времени.
В известных способах не предусматривается заблаговременная централизованная подготовка новых массивов ЦИДЭ. Преимущества такой возможности, в случаях, если такие массивы могут быть заранее подго
HiS
RESEARCH
Рис. 2. Структура системы для осуществления способа обмена
лены и разосланы, заключается в повышении оперативности предстоящих обменов между БД системы.
Обобщенное структурное решение АИС для реализации нового способа интеграции данных [1, 7] представлено на рис. 2. Структура устройства службы централизованной идентификации данных АИС (СИД) приведена на рис. 3, устройства метаданных БД АИС - на рис. 4, устройства формирования массива записей для обмена - на рис. 5, устройства приема записей при обмене - на рис. 6 [4].
Способ интеграции информационных ресурсов [1] использует информационные обмены между БД. Предусматривается генерация новых ключей для записей, чем обеспечивается уникальность записей в БД. В то же время централизованно (в рамках АИС) генерируются уникальные ключи для типов записей и для отдельных экземпляров записей - ЦИДЭ. В специальной структуре метаданных в каждой БД формируются соответствия между централизованно сгенерированными ключами и ключами, сгенерированными в БД при занесении записей.
Централизованная генерация ЦИДЭ обеспечивает возможность при приеме записей в БД от любой другой БД системы выполнение процедур:
- генерации собственных (для приемника) уникальных ключей для принимаемых записей (чем обеспечить уникальность записей в БД);
Рис. 3. Структура устройства службы централизованной идентификации данных АИС
Устройство метаданных БД
Елок хранения ИТО и признаков необходимости сопровождения
а
Блок хранения соответствия УК записей БД и ЦИДЭ
В
Блок обслуживания запросов к устройству метаданнвк
Блок управления ) бр аб откой в хо дного мае сива ЦИДЭ
Рис. 4. Структура устройства метаданных баз данных АИС
Рис. 5. Структура устройства формирования массива записей для обмена
us
RESEARCH
Рис. 6. Структура устройства приема записей при обмене
- выявления в принимаемых записях информационных объектов, уже имеющихся в БД, и предотвращения повторной записи таких объектов;
- объединения данных от нескольких БД источников в БД приемнике в единый логически связанный информационный массив.
Блоки формирования и хранения идентификаторов типов объектов (ИТО) и признаков необходимости сопровождения, формирования и хранения ЦИДЭ (рис. 3), хранения ИТО и признаков необходимости сопровождения, хранения соответствия уникальных ключей записей БД и ЦИДЭ (рис. 4) могут быть выполнены в виде реляционных БД.
Блок хранения массива записей, подготовленного для обмена, из состава устройства формирования массива записей для обмена (рис. 5) и блоки хранения массива записей, принятого при обмене, хранения результатов анализа и преобразования массива записей из состава устройства приема записей при обмене (рис. 6) предназначены для временного хранения данных и могут быть выполнены в виде запоминающих устройств (или в виде массивов при реализации программным способом).
Заблаговременное корректное формирование интегрируемых структурированных информационных ресурсов, повышающее оперативность представляемых ими данных, может быть обеспечено:
- централизованной заблаговременной генерацией массивов ЦИДЭ и их рассылкой по БД в части классификаторов и систем кодирования данных;
- централизованной заблаговременной рассылкой массивов ЦИДЭ в случаях их изменений;
- централизованной заблаговременной генерацией дополнительных массивов ЦИДЭ и их рассылкой по БД при плановых расширениях интегрируемых ин-
формационных ресурсов АИС.
Ускорение обменов данными между БД происходит за счет исключения «постепенности» идентификации в БД системы объектов классификаторов и систем кодирования, а также и уменьшения интенсивности обменов между службой СИД и БД при выполнении информационной системой целевых задач и новых целевых задач.
Выше представленный подход позволит получить значительный экономический эффект за счет:
- уменьшения затрат на эксплуатацию АИС из-за исключения необходимости систематического решения вопросов, связанных с некорректным размещением в БД системы классификаторов и систем кодирования;
- уменьшения затрат на эксплуатацию АИС путем автоматизации процессов формирования логически связанных информационных массивов по данным от нескольких БД-источников при расширении интегрируемых информационных ресурсов;
- уменьшения затрат на эксплуатацию АИС за счет автоматизации и корректности переноса пополнения интегрируемых информационных ресурсов в БД по любой, в том числе сетевой и двусторонней, топологии обменов.
Доставка измерительных данных в центры
обработки и анализа
В АИС испытаний ракетно-космической техники данные передаются на большие расстояния (сотни тысяч км) по радиоканалам, для которых характерна низкая вероятность передачи данных без искажений. Основные объемы данных передаются в монопольном режиме. Для транспортировки данных практически используют протоколы, созданные в свое время для компьютерных сетей: UDP - при необходимости доставки данных потребителям в реальном времени, и TCP - для гарантированной полноты доставки данных. Применение их в космических системах нельзя признать эффективным. Выражение для оценки результирующей пропускной способности, и конкретные оценки из рекомендаций Международного союза электросвязи (International Telecommunication Union [6]) подтверждают это (рис. 7).
При Loss = 1.E - 3 протокол TCP снижает результирующую пропускную способность в десять раз только за счет избыточных передач данных, необходимых для парирования искажений в канале связи. Еще более значительно снижается результирующая пропускная способность при передаче данных на большие расстояния. При передаче данных по спутниковому каналу связи с RTT > 500 ms , даже при Loss = 1 .E - 6, результирующая
HiS
RESEARCH
пропускная способность снижается в сотню раз (в TCP тратится время на ожидание подтверждающих сообщений по каналу обратной связи).
В [2] разработаны новые, более эффективные процедуры доставки данных на большие расстояния и при значительных вероятностях искажения данных в канале связи. В режиме реального времени (при репортаже) передается только часть данных, парируется зависимость надежностных характеристик канала от интенсивности передач путем изменения параметров транспортного протокола [5]. Оптимальные значения параметров определяют с помощью программы [3]; исходные данные для моделирования получают при предварительном тестировании канала связи (передаче в режиме без подтверждения блоков тестовых данных при различных значениях размера передаваемых блоков и скважности передачи).
При передаче в режиме гарантированной доставки данных повторяется передача только искаженных блоков данных, а выдача данных проводится непрерывно, вне зависимости от результатов передачи предыдущих фрагментов данных.
Математическая модель результирующей пропускной способности S псп такого протокола [3]:
S псп = RsSj R + ГькВТ J (1)
где - размер блока (сегмента, пакета) данных; Sф - пропускная способность канала связи; лбл - размер блока данных;
'zb
размер заголовка блока данных;
к - коэффициент повторов блоков данных.
Для учета среднего значения коэффициента повторов блоков данных:
к = P + 2P P + 3P2 P
пвт прд бд птр бд прд бд птр бд прд бд
4P3 P + =
птр бд прд бд
+
) +
= (1 — P ) + 2 P (1 — P ) -
птр бд птр бд птр бд
3 P2 (1 — p ) + 4 P3 (1 — P ) + =
птр бд птр бд птр бд птр бд
птр бд
э + р2 + р3 + р4 +
птр бд птр бд птр бд птр бд
где Р бд - вероятность правильной передачи блока данных;
Рптр бд - вероятность искажения при передаче блока данных.
Бесконечный ряд является сходящейся бесконечной геометрической прогрессией (Ртр бд < 1):
кпвт 1 (l Рпгр бд ) ,
где Р = 1 - Р = 1 - п"бл л ;
11 птр бд 1 1 прд бд 1 У '
р = 1 - - вероятность правильной передачи символа в канале связи.
Зависимости Бэ псп от и ЯТТ (полученные с
помощью формулы 1) показаны на рис. 8.
В монопольном канале связи отсутствуют передачи каких-либо иных потоков данных. Отрезок времени от
Рис. 7. Результирующая пропускная способность протокола TCP (вероятность искажения символа в канале связи-; времяраспространения сигналавпрямомиобратном канале-; канал связи 10 Мб/с) [6]
Рис. 8. Результирующая пропускная способность протокола с непрерывной выдачей блоков в канал связи и с повторами только искаженных блоков (канал связи 10 Мб/с)
US
RESEARCH
В момента окончания отправки передающей стороной окна данных и до момента поступления квитанции с приемной стороны является детерминированным - длительность его не подвержена существенным флуктуациям. Анализ времени поступления сообщений обратной связи может использоваться для повышения достоверности передачи.
Применение вышеописанных подходов позволяет сократить фактический объем передаваемых данных (новый протокол более экономичен в процедурах повторных передач, компенсирующих потери данных).
В совокупности, при передаче данных по спутниковым каналам связи, результирующая пропускная способность возрастает в десятки раз.
Литература
1. Бистерфельд О.А. Способ информационного обмена между базами данных информационных систем и система для его осуществления. Патент на изобретение РФ № 2447495, приоритет от 6.04.2011.
2. Bisterfeld O.A. Data intégration in the distributed information systems // International Journal of Advanced Studies. 2012. №1. URL: http://ijournal-as.com/issues/2012/1/bis-terfeld.pdf (дата обращения 27.03.2013).
3. Бистерфельд О.А. Способ передачи информации по
каналам связи и система для его осуществления. Патент на изобретение РФ № 2450466, приоритет от 29.04.2011.
4. Бистерфельд О.А. Моделирование передач в монопольном режиме спутникового канала связи // Вестник КИГИТ. - 2012. - №1. - С. 53-61.
5. Бистерфельд О.А. Программа имитационного моделирования передач данных по каналу связи со спутниковым сегментом / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011617030 от 09.09.2011 г. Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
6. Telecommunication standardization sector of International Telecommunication Union. Y/1541, 12.2011. Series Y: Global information infrastructure, Internet protocol aspects and next-generation networks. Internet protocol aspects - Quality of service and network performance. Network performance objectives for-based services. Режим доступа: http://www. itu.int/ru/ITU-T/publications/Pages/default.aspx (дата обращения 27.03.2013).
7. Везенов В.И., Новиков Ю.А., Пресняков А.Н., Светников О.Г., Хлебников Н.Ю. Способ информационного обмена между базами данных информационных систем и система для его осуществления. Патент на изобретение РФ № 2351010, приоритет от 27.03.2007.
INFORMATION SUPPORT OF TESTS OF THE MISSILE AND SPACE EQUIPMENT
Bisterfeld O., Ph.D, Ryazan State University, [email protected] Abstract
In article some problems of data exchange and data integration in geographically distributed automated systems of rocketry tests are analyzed, date transmission problems on communication links with a satellite segment are analyzed also. From security reasons on a case of possible failure of the rocket, launching sites and regions of falling of components of the missile and space equipment which belong to the spaceports, take place in sparsely populated terrain where there is no telecommunication infrastructure. To reduce costs of development and operation of the spaceports, it is necessary to raise automation level in systems of measuring providing at rocketry start-ups. The centralized preliminary mailing the centralized identifiers will allow to reduce intensity of exchanges between system databases when performing target tasks. The skeleton diagram of system for implementation of an offered method of data exchange is provided, constructions of the devices which were its part are described, and the algorithm of operation is explained. The offered approach allows reducing costs of maintenance of an information system by formation automation of logically connected information arrays by data from several sources. In automated systems of rocketry tests data are transferred to long distances on radio channels for which the low probability of data transfer without distortions is characteristic. The signal is transmitted to distance of 80 thousand kilometers and more. Reliability of data transfer on a radio channel is low (probability of character distortion more than 10-6). These features in case of known protocols of transmissions allow using less than a half of carrying capacity of a radio channel. The main data volumes are transferred in an exclusive mode. For transportation of data on a communication channel with a satellite segment the protocols created earlier for computer networks aren't effective. Reliability characteristics of the satellite channel depend on data transfers intensity, the author suggests parrying this dependence by optimization of the transport protocol's control parameters. The author offered the protocol with the continuous output of units in communication link and with repetitions only the distorted units. Also the author suggests analyzing
arrival time of acknowledgement. In article there is a mathematical model of effective carrying capacity of the transport protocol. The described approaches will allow increasing reliability of real-time transport and to lower delivery time in a mode of the postponed transportation. The developed models of transport protocols are adapted for application in low-serviced spaceports components.
Keywords: distributed automated information systems, data integration, satellite communication links, transport protocols, simulation
References
1. Bisterfeld O.A. 2011, Sposob informatsionnogo obmena mezhdu bazami dannykh informatsionnykh sistem i sistema dlia ego osushchestvleniia [Method of information exchange between databases of information systems and system for its implementation]. Patent RF, no. 2447495.
2. Bisterfeld O.A. 2011, Sposob peredachi informatsii po kanalam sviazi i sistema dlia ego osushchestvleniia [Information transfer method on communication links and system for its implementation]. Patent RF, no. 2450466.
3. Bisterfeld O.A. 2011, Programma imitatsionnogo modelirovaniia peredach dannykh po kanalu sviazi so sputnikovym segmentom [The program of simulation modeling of data transfers for communication link with a satellite segment]. Certificate RF, no. 2011617030.
4. Bisterfeld OA 2012, 'Data integration in the distributed information systems', International Journal of Advanced Studies, no. 1, viewed 27 March 2013, http://ijournal-as.com/issues/2012/1/bisterfeld.pdf.
5. Bisterfeld OA 2012, 'Modelirovanie peredach v monopol'nom rezhime sputnikovogo kanala sviazi' [Simulation of transmissions in an exclusive mode of satellite communication link]. Vestnik KIGET, no. 1, pp. 53-61.
6. Quality of service and network performance. Network performance objectives for-based services 2011, Telecommunication standardization sector of International Telecommunication Union, viewed 27 March 2013, http://www.itu.int/ru/ITU-T/publications/Pages/default.aspx.
7. Vezenov VI, Novikov IuA, Presniakov AN, Svetnikov OG & Khlebnikov NIu 2007, Sposob informatsionnogo obmena mezhdu bazami dannykh informatsionnykh sistem i sistema dlia ego osushchestvleniia [Method of information exchange between databases of information systems and system for its implementation], patent RF, no. 2351010.
