Модульное программное обеспечение наземного комплекса управления малыми космическими аппаратами Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Малые космические аппараты: производство, эксплуатация и управление

УДК 629.7

МОДУЛЬНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАЗЕМНОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ

МАЛЫМИ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ*

С. В. Ефремова1, В. В. Храпунова1, Л. М. Скопинцева2

1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 222 НИО 2 НИУ НИЦ ВА РВСН им. Петра Великого Российская Федерация, 143900, Московская область, г. Балашиха, ул. Карбышева, 8

E-mail: efremova_svet@sibsau.ru

Проведен анализ базовых моделей формирования мультиверсионного программного обеспечения наземного комплекса управления малыми космическими аппаратами (НКУ МКА).

Ключевые слова: наземный пункт управления малым космическим аппаратом (НКУ МКА), программное обеспечение, мультиверсионное программирование.

MODULAR SOFTWARE OF THE GROUND-BASED CONTROL COMPLEX OF SMALL SPACE VEHICELS

S. V. Efremova1, V. V. Hrapunova1, L. M. Skopintseva2

1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 222 NIO 2 NIU NIC VA Peter The Great 8, Karbysheva Str., Balashikha, Moscow region, 143900, Russian Federation E-mail: efremova_svet@sibsau.ru

The analysis of the basic models of the formation of multi-version software of ground-based control complex of small space vehicles has been performed.

Keywords: ground control station for a small space vehicle, software, multi-version programming.

Мультиверсионная методология проектирования программного обеспечения наземного комплекса управления малым космическим аппаратом (ПО НКУ МКА) предполагает его модульную композицию. В общем случае при проектировании ПО НКУ МКА необходимо создать в соответствии с принятым критерием эффективности оптимальную программную систему при ограничениях двух типов [1].

Первый тип ограничений характеризует уровень современных знаний теории и методов решения поставленных задач, принципов построения основных функциональных алгоритмов, методов структурного построения сложных систем и технологии их проектирования.

Второй тип ограничений относится в основном к техническим параметрам средств, на которых предполагается реализовать сложную систему, и к ресурсам, которые могут быть выделены на разработку и эксплуатацию системы.

С точки зрения пользователей модульного ПО НКУ МКА одним из наиболее важных атрибутов оценки их качества является информационная производительность. Она определяется как отношение:

1) объема полезных пересылок данных при получении заданных выходных результатов к общему времени их получения (либо к общему времени обращения к внешней памяти при решении задачи);

2) среднего количества информации в элементах выходного потока данных системы управления и обработки информации к среднему времени их получения.

Необходимым уровнем эффективности функционирования НКУ МКА является достоверность информации, получаемой ее пользователями.

В качестве ограничений при решении задач синтеза оптимального модульного ПО НКУ МКА могут использоваться, кроме перечисленных выше атрибутов, такие характеристики, как состав процедур и объем каждого модуля, состав и объем информационных массивов, сложность и состав интерфейса между модулями, степень дублирования процедур и информационных элементов.

Естественными являются также технологические ограничения на объем оперативной памяти ЭВМ, число каналов, возможности передачи управления между внутри и между модулями, допустимые затраты и время разработки и внедрения модульного программного обеспечения НКУ МКА и т. д.

Работа выполнена при финансовой поддержки Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение от «26».09.2017 № 14.577.21.0246, уникальный идентификатор проекта КРМЕИ57717Х0246).

Решетневскуе чтения. 201S

Проведенные исследования выявили основные базовые модели формирования мультиверсионного ПО НКУ МКА, каждая из которых применима к различным структурам мультиверсионного ПО НКУ МКА (от очень простой структуры к более сложной) [2].

Проведен анализ базовых моделей для различных структур мультиверсионного ПО систем НКУ МКА, позволяющих определить оптимальный метод муль-тиверсионного программного обеспечения при максимизации надежности ПО с ограничениями на затраты.

Модель формирует оптимальный состав модулей однофункционального мультиверсионного ПО НКУ МКА без введения программной избыточности. Мультиверсионное ПО состоит из единственной программы, выполняющей одну «главную» функцию. Программа составлена из набора модулей последовательного исполнения. Доступны более чем одна версия каждого модуля, но из-за жестких ограничений по стоимости (а такой случай не должен исключаться из рассмотрения) и/или некритического характера части или всей программной системы сохранение многократных версий модулей нежелательно или невозможно. Модель, разработанная для этой ситуации, позволяет сформировать оптимальный состав набора модулей для одиночной программы, максимизируя надежность, при существующих стоимостных ограничениях, благодаря которым полная стоимость разработки остается приемлемой.

Модель 8Я формирует оптимальный состав модулей однофункционального мультиверсионного ПО НКУ МКА с избыточностью, когда мультиверси-онное ПО НКУ МКА выполняет одну, но наиболее важную (критическую по отказоустойчивости) функцию. Отказ ПО и, следовательно, данной функции НКУ может привести к очень серьезным негативным последствиям. В такой модели отказоустойчивость программного обеспечения достигается путем введения в систему избыточных версий каждого модуля. Соответственно, ограничения на стоимость ПО, выполняющего такие функции, должны быть достаточными, чтобы позволить избыточность модулей. Цель модели 8Я - определить оптимальный состав модулей с учетом избыточности версий, максимизируя надежность мультиверсионного ПО НКУ МКА, не нарушая рамки стоимостных ограничений.

Модель ММЯ формирует оптимальный состав модулей многофункционального (К функций) мульти-версионного ПО НКУ МКА без избыточности. Программная система состоит из нескольких программ, каждая из которых выполняет свою функцию. Каждая программа содержит ряд модулей. Программы могут вызываться соответствующими функциями программной системы, а модули - любой программой [3]. Цель этой модели состоит в определении оптимального набора модулей для программ без использования избыточности таким образом, чтобы надежность мультиверсионной программной системы была максимальна при заданных ограничениях по стоимости.

Модель МЯ формирует оптимальный состав модулей многофункционального (К функций) мультиверсионного ПО НКУ МКА с введением избыточности. Ввиду того, что избыточность в структуре разрешена,

возможен выбор более чем одной версии для каждого модуля программной системы [3].

Для задач практического применения (большая размерность постановок, алгоритмически заданные ограничения т. д.), когда применение традиционных методов не позволяет получить приемлемый результат за реальное время, предлагается применять новые модификации алгоритмов случайного поиска (направленного случайного поиска), которые позволяют избежать указанные недостатки первоначально рассмотренных схем решения.

Отметим, что необходимость контроля корректного выполнения функции ПО требует дополнительного использования компонентов СОТS-сопровождения. Однако в настоящее время это является неотъемлемой частью создаваемых высоко надежных программных систем. А для мультиверсионного ПО НКУ МКА, кроме того, гарантируется статистическая независимость различных версий модулей программного обеспечения.

Предложенные базовые модели формирования мультиверсионного ПО систем управления и обработки информации позволяют реализовать различные принципиально возможные структуры мультиверси-онного одно- и многофункционального ПО с избыточностью и без избыточности с учетом его надежности и стоимости.

Библиографические ссылки

1. Котенок А. В. Мультиверсионная среда исполнения для отказоустойчивых программных комплексов систем управления : дис. ... канд. техн. наук : 05.13.01, 05.13.11 ; [Место защиты : Сиб. аэрокосмич. акад.]. Красноярск, 2009. 119 с.

2. Царев Р. Ю. Оптимизационные модели формирования мультиверсионного программного обеспечения отказоустойчивых систем управления // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007. № 9. С. 18-20.

3. Царев Р. Ю., Семенько Т. И. Формирование оптимального состава многофункциональной мульти-версионной программной системы с избыточностью // Успехи современного естествознания. 2005. № 6. С. 33-34.

References

1. Kotenok A. V. Multi-version execution environment for fault-tolerant program complexes of control systems: dissertation ... candidate of technical sciences: 05.13.01, 05.13.11 ; [Place of protection: Sib. aerospace. Acad. them. Acad. M. F. Reshetnev]. Krasnoyarsk, 2009. 119 p.

2. Tsarev R. Yu. Optimization models of the formation of multi-version software of fault-tolerant control systems // Devices and systems. Management, monitoring, diagnostics. 2007. № 9. P. 18-20.

3. Tsarev R. Yu., Semenko T. I. Formation of the optimal composition of a multifunctional multi-version software system with redundancy / Successes of modern natural science. 2005. № 6. P. 33-34.

© Ефремова С. В., Храпунова В. В., Скопинцева Л. М., 2018