CC BY
137
РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ РАСПОЗНАВАНИЯ СЛОЖНЫХ ВИДОВ НЕИСПРАВНОСТЕЙ И ОТКАЗОВ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА ОСНОВЕ ВСТРОЕННЫХ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Савкин Леонид Васильевич
аспирант, ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», РФ, г. Химки
E-mail: android4.1 @mail.ru
Клочко Ольга Сергеевна
аспирант, Филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,
РФ, г. Калуга E-mail: klochkoolgakaluga@gmail.com
Макаров Антон Сергеевич
инженер-программист, Филиал ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина»,
РФ, г. Калуга E-mail: makarov.bas@gmail.com
THE IMPLEMENTATION OF ALGORITHMS FOR RECOGNITION DIFFICULT TYPES OF FAILURES IN THE ONBOARD EQUIPMENT OF SPACECRAFTS ON THE BASIS OF BUILT-IN RECONFIGURABLE
DIAGNOSTIC SYSTEMS
Savkin Leonid
post-graduate student, Federal Enterprise «Lavochkin Association»,
Russia, Khimki
Klochko Olga
post-graduate student,
Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University, Russia, Kaluga
Makarov Anton
software engineer, The Branch of Federal Enterprise «Lavochkin Association»,
Russia, Kaluga
Савкин Л.В., Клочко О.С., Макаров А.С. Реализация алгоритмов распознавания сложных видов неисправностей и отказов бортовой аппаратуры космических аппаратов на основе встроенных реконфигурируемых диагностических систем // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2014. № 11 (12) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/1756
АННОТАЦИЯ
Предложен способ построения диагностического обеспечения бортовой аппаратуры космических аппаратов (КА) на основе встроенных реконфигурируемых диагностических систем. Рассмотрены свойства реконфигурируемых вычислительных структур для диагностического обеспечения КА. Приведена структурная схема встроенной реконфигурируемой диагностической системы КА.
ABSTRACT
The method of creation diagnostic support for onboard equipment of the spacecrafts on the basis of built-in reconfigurable diagnostic systems is offered. Properties of reconfigurable computing structures for diagnostic support of spacecrafts are considered. The skeleton diagram of the built-in reconfigurable diagnostic system of spacecrafts is provided.
Ключевые слова: бортовая аппаратура, диагностика, контроль,
реконфигурация, реконфигурируемые вычислительные структуры.
Keywords: onboard equipment, diagnostics, monitoring, reconfiguration, reconfigurable computing structures.
Задачи бортового диагностирования современных космических аппаратов (КА) реализуются сегодня, как правило, программными средствами, так называемыми системами контроля и диагностики (СКД), которые, совместно с базовой операционной системой (БОС), входят в состав системного программного обеспечения (ПО) бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВС).
С помощью СКД осуществляется контроль работоспособности бортового комплекса управления (БКУ), формируются признаки аппаратной и функциональной исправности контролируемой бортовой аппаратуры, распределяются массивы входной и выходной контрольно-измерительной
информации, осуществляется реконфигурация БЦВС в случае обнаружения неисправностей вычислительных подсистем.
Несмотря на то, что вычислительные ресурсы БЦВС обеспечивают решение большого числа функциональных задач, стоящих перед современными КА с определенными технологическими запасами по производительности, некоторые сбои и неисправности, возникающие в высокоинтегрированной бортовой аппаратуре КА, не всегда удается идентифицировать с высокой степенью достоверности и точности.
Данную проблему можно связать как с недостаточным уровнем контролепригодности диагностируемых аппаратных средств,
так и с недостаточной эффективностью бортового диагностического обеспечения, в особенности, когда речь идет о сложных типах неисправностей и отказов бортовой аппаратуры, возникающих в условиях внешних воздействующих факторов (ВВФ), характерных для условий эксплуатации КА.
Необходимость в высокой степени идентификации технического состояния бортовой аппаратуры может потребовать глубокого перестроения диагностической модели СКД, что, как показывает многочисленная практика, не всегда удается реализовать, используя штатные алгоритмы диагностики. Поэтому нередко для выяснения причин, приведших к отказу того или иного блока на борту КА, создаются целые экспертные комиссии, которые, используя средства наземных комплексов управления (НКУ), производят оценку состояния бортовых систем методами прямого и косвенного анализа реакций исполнительных органов и оконечных устройств КА.
Исследуя различные подходы по построению эффективной бортовой диагностической системы, предлагается рассмотреть возможность аппаратного выделения СКД из состава системного ПО БЦВС и использования ее в качестве самостоятельной бортовой подсистемы. С этой целью предлагается использовать бортовую диагностическую систему, построенную по принципу встроенного контроля (рисунок 1).
Рисунок 1. Принцип организации встроенного контроля
Здесь показано, что для формирования вектора ошибок Z в процессе анализа функционирования бортовой аппаратуры КА, диагностическая система, помимо программно-алгоритмических средств диагностики и контроля, должна будет иметь внешнюю аппаратную часть, на которой будет построена схема встроенного контроля (СВК).
Кроме контроля параметров n -мерного вектора входных воздействий X = (x, xxn) и параметров выходных сигналов диагностируемой бортовой аппаратуры, задаваемых m -мерным вектором Y = (у,у,...,ут), СВК совместно с контролем промежуточных данных wt, i = 1, d, где d — номер этапа обработки (преобразований) данных, осуществляемых подсистемой St, i = 1, d, должна будет обеспечивать возможность проведения диагностики элементов аппаратуры КА методом аппаратного дублирования. Для этого, в свою очередь, предлагается использовать реконфигурируемую СВК, построенную на базе реконфигурируемых вычислительных структур (РВС).
РВС являются сегодня одним из стремительно развивающихся направлений в области построения суперкомпьютеров (суперЭВМ) и позволяют решать широкий набор трудоемких вычислительных задач с высокой производительностью, которая значительно превышает производительность ЭВМ с традиционной (постоянной) архитектурой.
При этом, в отличие от известных архитектур, достигается высокая реальная производительность вычислительной системы на широком классе задач, а также почти линейный рост производительности при увеличении числа процессоров [7, с. 4]. Помимо многопроцессорных РВС, существует еще целый ряд способов организации реконфигурируемых вычислений, включающий аппаратные методы, которые строятся на базе коммутируемых логических элементов (вентилей). О них далее и пойдет речь.
Здесь следует отметить работы таких наших соотечественников, как А.В. Каляев [6], Э.В. Евреинов [4], И.В. Прангишвили [8]
и В.Г. Хорошевский [5], которые заложили многие теоретические основы для формирования концепции РВС и благодаря которым многие идеи сегодня можно достаточно просто реализовать, используя широкую номенклатуру современной электронной компонентной базы (ЭКБ), в том числе и для бортовой аппаратуры КА.
Наиболее популярные РВС строятся, как правило, на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), внутренняя архитектура которых представляет собой матричные наборы коммутируемых логических блоков (КЛБ), связи между которыми описываются и могут перепрограммироваться многократно с помощью низкоуровневых языков описания аппаратуры (Hardware Description Language, HDL).
Уникальной особенностью РВС, получившей широкое распространение в решении вычислительных задач, является возможность адаптации ее аппаратной архитектуры к графоаналитической структуре решаемой задачи. Таким образом, основной идеей использования РВС в диагностическом обеспечении КА является возможность унифицированного представления всех алгоритмов диагностики и контроля бортовых систем в виде ориентированного графа, топология которого может адаптироваться под тот или иной тип неисправности в процессе ее локализации диагностической системой с высокой
степенью точности.
Так, в реконфигурируемой диагностической системе любая диагностическая модель (диагностический алгоритм) может рассматриваться в виде графа G(F, X) (рисунок 2), вершинами которого будут являться коммутируемые логические блоки F™, где m — порядковый номер КЛБ-вершины, а k — базовая арифметико-логическая функция с возможностью многократного перестраивания (изменения арифметико-логической функции) за счет управляющей программы.
Рисунок 2. Представление алгоритмов диагностики в виде графа
Дуга x(m, mM) е X определяет направление и последовательность вычислительных операций внутри графа диагностической модели, или, другими словами, определяет алгоритм диагностики на основе базовых арифметико-логических функций КЛБ.
Исходя из рисунка 1 и указанных свойств РВС, можно составить приблизительную структурную схему построения реконфигурируемой диагностической системы КА. Она представлена на рисунке 3.
Рисунок 3. Структурная схема реконфигурируемой диагностической системы со встроенным контролем
Здесь показано, что аппаратная часть реконфигурируемой
диагностической системы (СВК) реализована полностью
на реконфигурируемом вычислительном поле, вычислительные ресурсы которого распределены на три основные части:
1. реконфигурируемые измерительные каналы (РИК);
2. реконфигурируемые тестовые каналы (РТК);
3. реконфигурируемое дублирующее поле (РДП).
РИК РВС отведены для измерительных каналов, каждый из которых требует самостоятельного алгоритма опроса контрольных точек контролируемой бортовой аппаратуры КА. С помощью РИК осуществляется встроенный контроль промежуточных данных wt, о которых говорилось выше.
В РТК РВС формируются независимые тестовые сигналы, посредством которых осуществляется тестирование и проверка функционирования бортовой аппаратуры КА на необходимых (выделенных для контроля) этапах обработки данных.
РДП РВС предназначено для формирования необходимых аппаратных устройств при проведении диагностики методом дублирования, а также для тестирования ПО. Реконфигурационный и вычислительный ресурсы РДП должны быть рассчитаны таким образом, чтобы можно было осуществлять формирование сложных элементов бортовой аппаратуры КА, включая процессорные ядра БЦВС, цифровые сигнальные процессоры (DSP) и устройства памяти, пополняя, при необходимости, наборы эталонных функций в модулях памяти вычислительного поля, чтобы сократить общее время формирования тестовых и проверочных сигналов диагностической системы.
На рисунке 3 показано также, что в состав диагностической системы входят модули памяти, хранящие информацию о штатных (известных) аппаратных конфигурациях диагностических моделей для каждого из реконфигурируемых участков вычислительного поля.
В модулях памяти может содержаться библиотека сигнатур, необходимая для проведения диагностики бортовой аппаратуры КА методом сигнатурного анализа. Помимо этого, данная память обеспечивает хранение признаков аппаратных и программных неисправностей, а также классификатора аппаратно-программных неисправностей, которые в процессе работы диагностической системы могут пополняться как новыми признаками неисправностей, так и соответствующими им категориями и классами неисправностей и отказов.
Обмен данными между элементами контролируемой системы и СВК осуществляется через два независимых мультиплексных канала: тестовый и информационно-измерительный.
Таким образом, каждая часть реконфигурируемого вычислительного поля может кардинальным образом менять свою конфигурацию в процессе адаптации диагностической системы к сложным видам неисправностей бортовой аппаратуры КА.
Нельзя не отметить еще одно достоинство использования РВС в диагностическом обеспечении КА. Возможность создания дублирующих аппаратных элементов контролируемой бортовой аппаратуры может позволить восстанавливать вышедшие из строя отдельные аппаратные составляющие бортовых подсистем, не используя при этом резервную аппаратуру более высокого порядка.
Выводы:
1. Предложенный вариант построения диагностической системы для бортовой аппаратуры КА позволит повысить эффективность диагностического обеспечения СКД, поскольку способен менять диагностические модели на низких аппаратных уровнях, обеспечивая тем самым высокую гибкость диагностических алгоритмов в процессе их адаптации к сложным видам неисправностей и отказов.
2. РВС, используемые в диагностическом обеспечении, позволяют перестраивать и создавать новые диагностические модели на базе единого аппаратно-вычислительного ресурса.
3. Реконфигурируемая диагностическая система дает возможность осуществлять диагностику сложных элементов бортовых систем методом дублирования, создавая эквивалентную вычислительную аппаратуру дублирования непосредственно на борту КА.
4. Свойства реконфигурируемого диагностического обеспечения можно применять для восстановления отдельных элементов бортовой аппаратуры КА, если это заранее предусмотреть в аппаратно-программном построении бортовых систем.
Список литературы:
1. Алексеев А.А., Кораблев Ю.А., Шестопалов М.Ю. Идентификация и диагностика систем. — М.: Издательский центр «Академия», 2009. — 352 с.
2. Бровкин А.Г., Бурдыгов Б.Г., Гордийко С.В. и др. Бортовые системы управления космическими аппаратами / под ред. проф. А.С. Сырова. — М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. — 304 с.
3. Глущенко П.В. Техническая диагностика: Моделирование
в диагностировании и прогнозировании состояния технических объектов. — М.: Вузовская книга, 2004. — 248 с.
4. Евреинов Э.В. Однородные вычислительные системы, структуры и среды. — М.: Радио и связь, 1981. — 208 с.
5. Евреинов Э.В., Хорошевский В.Г. Однородные вычислительные системы. — Новосибирск: Наука, 1978. —319 с.
6. Каляев А.В. Многопроцессорные системы с программируемой архитектурой. — М.: Радио и связь, 1984. — 240 с.
7. Каляев И.А., Левин И.И., Семерников Е.А. и др. Реконфигурируемые мультиконвейерные вычислительные структуры. — Ростов-на-Дону: ЮНЦ РАН, 2008. — 397 с.
8. Прангишвили И.В., Абрамова Н.А., Бабичева Б.В. и др. Микроэлектроника и однородные структуры для построения логических и вычислительных устройств. — М.: Наука, 1967. — 228 с.
