Infographic method to support testing of spacecraft onboard systems based on knowledge base.pdf В современном цифровом мире технологии имитационного моделирования обеспечили переход от традиционного проектирования и итерационной доработки технических систем на основе дорогостоящих многократных натурных испытаний к анализу критических состояний изделий на цифровых моделях. Модели позволяют исследовать разрабатываемые устройства, имитируя нештатные ситуации, определяя временные интервалы наблюдений, задавая контрольные точки, допустимые границы параметров, и решают проблемы, связанные с необходимостью рассматривать процессы, которые сложно многократно повторять в реальных условиях [1]. В случае, когда речь идет о создании сложной высокотехнологичной несерийной продукции, к какой относится, например, бортовая аппаратура космических аппаратов, применение существующих инструментов моделирования осложняется слабой структурированностью предметной области и неполнотой формализованных знаний о решаемых задачах. Особенностью бортовых систем является наличие в них внутренних программ, обеспечивающих сложную логику информационного взаимодействия бортовых и наземных сегментов на основе собственных протоколов и специализированных структур данных. Требуется проводить не только измерительный контроль, но и функциональное исследование бортовых систем, от качества которого во многом зависят срок службы космических аппаратов и их эксплуатационные характеристики [2]. Интуитивные, неструктурированные и формально не обоснованные последовательности действий при исследовании бортовых систем приводят к увеличению стоимости, времени и трудозатрат производства. Указанные проблемы решаются созданием программных инструментов, обеспечивающих построение и применение имитационных моделей, интегрированных с технологиями анализа и верификации устройств [3], для анализа функционирования бортовых систем, которые позволят снизить трудоемкость и повысить автоматизацию испытательных процессов. 22 Инфографический метод поддержки испытаний бортовых систем космических аппаратов В российских и зарубежных исследованиях накоплен широкий опыт применения готовых инструментов моделирования, а также создания программных систем для анализа функционирования технических объектов. Имитационные модели позволили выполнять контроль оперативности бортовых комплексов управления космическими аппаратами дистанционного зондирования Земли [4], интеллектуальные модели на основе правил, представляющих матрицы векторов состояний и последовательности управляющих действий, применяются для обнаружения и парирования возникающих на их борту отказов оборудования [5], модели служат основой для оценки пространственной доступности радиоизлучений в космической командно-ретрансляционной системе при решении задач планирования мониторинга радиолинии [6] и пр. На основе баз знаний и моделей предметной области решаются задачи автоматизированной поддержки проектирования космических аппаратов [7], а также выработки новых решений для улучшения эксплуатационных характеристик технических систем [8]. Для анализа и контроля бортовых систем создаются специализированные языки или программные комплексы [9, 10]. Применение программных имитаторов для испытания блоков управления системы наведения антенн позволило выявлять сбои выдачи команд управления, связанные с попаданием прихода команды на момент обработки прибором информации о местоположении антенны [11], исследование нечетких границ работоспособных состояний бортовой аппаратуры, функции принадлежности которых построены на основе экспертных знаний, обеспечило прогнозирование показателей качества бортовых систем и учет влияния факторов внешних воздействий [12]. Применение экспертных знаний позволяет имитировать динамическое поведение анализируемых объектов и используется на всех этапах жизненного цикла бортовых систем для их проектирования, проверки работоспособности, при эксплуатационном контроле и диагностике отказов оборудования [13]. Проведенный обзор показал, что, несмотря на актуальность и востребованность темы исследований, существующие в настоящее время решения не обеспечивают тесной интеграции имитационных моделей и инструментов поддержки испытаний. Авторами данной работы предложен комплекс методов интеллектуального имитационного моделирования и анализа функционирования бортовых систем космических аппаратов, позволяющий строить модели, описывающие логику работы систем и их технические характеристики, и применять их для автоматизации формирования испытательных процедур, проведения испытаний бортовой аппаратуры и анализа их результатов по прецедентам имитационного моделирования [14]. Построенные модели выполняют роль имитаторов окружения объекта контроля при автономных испытаниях бортовых систем. Методы позволяют проводить исследование отдельных функций бортовых систем, выполнение последовательных или параллельных действий, но не обеспечивают контроль режимов работы устройств в целом. Для решения этой задачи авторами предложен инфографический метод, позволяющий из испытательных процедур и данных, полученных в результате испытаний объекта контроля, создавать правила функционирования имитационных моделей и графические представления, показывающие полноту испытательных процедур и корректность режимов работы исследуемых систем. Апробация метода выполнена для бортовой аппаратуры командно-измерительной системы космического аппарата. Схема командно-телеметрического взаимодействия бортовых и наземных систем для управления космическим аппаратом приведена на рис. 1. Ключевую роль в управлении играет командно-измерительная система (КИС), которая представляет собой радиотехнические средства наземного автоматизированного комплекса управления в совокупности с бортовой аппаратурой космического аппарата, предназначенные для приема и передачи различных видов информации, формирования и передачи на космические аппараты команд и программ управления, стандартных частот и сигналов времени для синхронизации работы бортового комплекса управления [15]. В ее состав входят устройства приема данных, их передачи и интерфейсный модуль, предназначенный для анализа и выполнения команд. Команды на изменение конфигурации или настроек командно-измерительной системой выполняются ею самой, команды для осуществления внешнего командно-программного управления передаются в бортовые системы (БЦВК - бортовой цифровой вычислительный комплекс, или БУ БКУ - блок управления бортового комплекса управления). В соответствии с заданным временем ожидания квитанции интерфейсный 23 О.С. Исаева, Н.В. Кулясов, С.В. Исаев модуль формирует квитанцию о выполнении команды либо на основе собственной информации о прохождении команды, либо по данным, полученным от бортовых систем. За формирование телеметрической информации отвечает бортовая аппаратура телесигнализации (БАТС). Результаты отработки команд отражаются в телеметрии и в квитанции, передаваемой командно-измерительной системой в наземный сегмент. Рис. 1 Схема командно-телеметрического взаимодействия систем Fig. 1. Scheme of command-telemetric interaction of systems Разработка способов организации взаимодействия бортовых подсистем и вариантов реализации их функционирования характеризуется большой вариативностью. Командно-телеметрическое взаимодействие выполняется на основе разных подходов, протоколов связи и структур данных. Современные требования к космическим аппаратам, сокращение сроков их разработки и увеличение периода активного существования обусловливают необходимость поиска новых подходов к проведению испытаний бортовых систем. 1. Постановка задачи испытаний бортовых систем Задача испытаний заключается в формировании и передаче последовательности управляющих воздействий на объект контроля и обеспечении сбора, мониторинга и анализа данных, возникающих в результате его функционирования [16]. В процессе испытаний участвуют контрольно-проверочная аппаратура (КПА) и программное обеспечение (ПО КПА). Объект контроля формально представляется как функционал преобразования входных переменных в выходные с заданными граничными условиями и допустимыми изменениями параметров и измеряемых величин: O = , где O - объект испытаний; G° - структура объекта; F° - функционал, устанавливающий соответствие между входными переменными Xи выходными Y в моменты времени T; T = (ti, fe, ..., t°} - моменты измерений; X = (xi(ti), X2(ti), • ••, xm(tt), wi(ti), ... , ws(tl), ki(ti), fe(ti), • ••, k(ti)} - множество входных воздействий; xi(ti), X2(ti) , ..., Xm(ti) - входные параметры (параметры влияния); wi(ti), ..., ws(tt) - параметры функционирования измерительного оборудования; k1 (ti), fe(t;), ..., kr(ti) - команды управления из базы команд K, m - число входных параметров, s - параметров функционирования, r - команд; Y = (yi(tj), y2(tj), ., yn(t), di(tj), ., dp(tj)} - выходные параметры; yi(t) y2(tj), ., yn(tj) - n контролируемых измерений; di(tj), ..., dp(tj) -p неконтролируемых параметров; ti, tj e T, tj = ti + At, At - таймаут ожидания данных. Входные параметры испытаний X описывают настройки приемо-передающего тракта, характеристики измерительного оборудования, команды управления и массивы контрольно-проверочной информации (КПИ). Выходные параметры Y: телеметрические данные (ТМ), квитанции, физические характеристики объекта контроля и параметры системы испытаний, описывающие ее состояние. 24 Инфографический метод поддержки испытаний бортовых систем космических аппаратов Задача испытаний объекта контроля ставится следующим образом: показать, что V Хі 3 yk(tj) е {yj = F(Xi)}. Причемyk(tj) е [yk* - Ay, yk + Ay], k = [1, ..., n], n - количество наблюдаемых параметров, yk е Y - эталонное значение из технической документации, Ay - допуск измерений. Для некоторых параметров граница задается только с одной стороны (определяется физическими свойствами параметра). Еслиyk(tj) £ [yf - Ay, yk* + Ay], то yk(tj) - недопустимое значение результатов испытаний. Схема организации испытаний бортовой аппаратуры командно-измерительной системы приведена на рис. 2. В процессе испытаний программное обеспечение контрольно-проверочной аппаратуры выполняет преобразование сценариев испытаний в управляющие воздействия на объект контроля посредством контрольно-проверочной аппаратуры. Выполняется проверка и конструкционных деталей, и логики работы как самих устройств, так и комплексов, образующихся при взаимодействии объекта контроля со смежными системами и периферией. Такие испытания выполняются на основе интеллектуальной имитационной модели S = , которая имитирует поведение объекта контроля и сопряженных устройств. Описание модели и методов испытаний на ее основе приведено в [17]. ПО КПА Сценарий ^ ^ I КПА L Испыта тельные процедуры Библиотека виртуальных приборов Y 4 _ Имитаторы * бортовых систем . Результаты измерений Управление Воздействие Объект контроля * Испытатель ное оборудование Возвращаемые параметры БА КИС • Команды, массивы КПП- ■ -Квитанции, ТМ- Рис. 2. Схема организации испытаний Fig. 2. Scheme of test organization Структура объекта контроля Go отображается в множество G, содержащее структурнопараметрическое представление модели S. В модели заданы методы функционирования F, которые позволяют на основе начальных данных X0 и входных параметров X получать выходные результаты Ym. Структура модели: G = , где B =

Скачать электронную версию публикации