управление испытаниями систем космических аппаратов
реклама
УПРАВЛЕНИЕ КОМПЛЕКСОМ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Клюев Е.А. (ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева, Красноярский край, г.Железногорск) В статье описана существующая схема Наземной экспериментальной отработки систем космических аппаратов разработки ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева. Показана роль испытаний как одного из важнейших этапов жизненного цикла космических систем. Рассмотрена этапность НЭО, а так же задачи управления комплексом испытаний, котораые сводятся к оптимальному построению последовательности испытаний, выработке критериев перехода по этапам, разработке регламентирующей документации, а так же к обеспечению качества НЭО. Описана структурная схема проведения НЭО Блоков управления бортового комплекса управления, которую необходимо откорректировать в связи с принципиально новым построением прибора – введением в его состав Центрального приборного модуля со встроенными микроконтроллером. Кроме того, показана необходимость добавления в состав НЭО нового этапа – программно отработочных испытаний, основная цель которых – отработка бортового программного обеспечения прибора. Введение. Процессы управления характерны для всех этапов жизненного цикла сложных технических систем, примером которой, безусловно, является космический аппарат (искусственный спутник Земли). Основными этапами этого цикла являются научноисследовательские работы, опытно-конструкторские работы, серийное производство и эксплуатация [1]. Очевидным является стремление решать все управленческие задачи на каждом из указанных этапов оптимальным образом. Но для этого необходимо иметь определенные научно обоснованные рекомендации, методы и методики, учитывающие специфику каждого из этапов жизненного цикла. Последнее означает, что должны быть созданы методологические основы и соответствующий теоретический аппарат, на которых могли бы базироваться конструктивные приемы и решения, принимаемые на этапах жизненного цикла технической системы. Более детальный анализ жизненного цикла сложной технической системы показывает, что среди основных событий цикла занимает комплекс различного вида испытаний. Испытания (ГОСТ 16504-81) – это экспериментальное определение количественных и (или) качественных свойств объекта испытаний как результата воздействия на него при функционировании. Задачи управления комплексом испытаний. По мере повышения требований к характеристикам перспективных космических аппаратов (КА) и связанного с этим их технического усложнения роль испытаний в процессе изготовления объектов становится все более значительной. При разработке современной бортовой аппаратуры изделий ракетнокосмической техники из-за невозможности получения адекватного теоретического описания примерно до 40% всех возникающих проблем решаются при помощи испытаний – наземной экспериментальной отработки (НЭО). При этом большая стоимость испытаний и длительность их проведения становятся определяющими в общих затратах и сроках, необходимых для создания того или иного изделия. Поэтому решение основной проблемы сокращения сроков создания и стоимости разработки изделий ракетно-космической техники сводится в основном к рациональной организации процесса ее наземной экспериментальной отработки. В связи с этим, задача управления комплексом испытаний систем космических аппаратов сводится к оптимальному построению последовательности испытаний, выработке критериев перехода по этапам, разработке регламентирующей документации, а так же к обеспечению качества НЭО. НЭО как этап жизненного цикла. НЭО бортового оборудования, в том числе бортовой аппаратуры, систем, КА в целом помимо одного из важнейших этапов жизненного цикла создания КА, является также одним из основных элементов системы менеджмента качества предприятий космической отрасли. НЭО должна обеспечивать отработку и подтверждение заданных в тактико-технических требованиях (тактико-технических заданиях) требований в условиях, близких к эксплуатационным. В системе менеджмента качества этапность отработки бортового оборудования, систем и КА в целом относится к элементу «Верификация проекта и разработки», предусматриваемой процессом жизненного цикла продукции - «Проектирование и разработка» в соответствии с ГОСТ РВ 15.002. Вся система экспериментальной отработки строится на последовательных испытаниях изделий все более высоких иерархических уровней, реализуя принцип «от простого к сложному», основанный на последовательно – параллельном переходе от испытаний на уровне бортового оборудования к испытаниям на уровне бортовых систем, платформы и космического аппарата в целом. Цели и задачи видов испытаний, этапность их проведения, нормы внешних воздействий при отработке регламентированы нормативной документацией и конкретизируются в Комплексной программе экспериментальной отработки конкретного КА. Положительные результаты НЭО обуславливаются нормативными объемами НЭО и являются необходимым условием успешной квалификации бортового оборудования, систем и КА в целом на соответствие требованиям тактико-технических требований на создание КА. Этапность НЭО. Как было упомянуто выше, одной из задач управления комплексом испытаний является оптимальное построение последовательности НЭО. Полувековой опыт ОАО «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф.Решетнева» - одного из ведущих предприятий российской космической отрасли, позволил выстроить данную процедуру на сегодняшний момент следующим образом: По этапам: автономные испытания; комплексные испытания; межведомственные испытания; предварительные испытания; летные испытания. По уровням: отработка бортового оборудования; отработка систем; отработка КА. На уровне отработки бортового оборудования проводят: автономные испытания БО, которые включают в себя: а) лабораторно-отработочные испытания (стендовые электрические испытания); б) конструкторско-доводочные испытания; в) предварительные испытания; г) специальные испытания. ресурсные испытания (при необходимости); испытания на специальные воздействия (при необходимости); автономную отработку бортового программного обеспечения. На уровне отработки систем проводят отработку бортового программного обеспечения и совместные испытания бортового оборудования, комплектующего соответствующие системы: бортовой комплекс управления (БКУ); система ориентации и стабилизации; система терморегулирования; система электропитания; система коррекции; система наведения антенн (система поворота антенн); антенно-фидерные устройства; механические устройства; силовой конструкции изделия. На уровне отработки КА проводят комплексные испытания систем и конструкции в составе КА. Каждый из описанных видов и типов испытаний обладает рядом специфических особенностей в зависимости от уровня испытаний и системы или узла КА, подвергающегося отработке. НЭО БУ БКУ. Рассмотрим цикл НЭО на примере одной из подсистем КА – Блока управления бортового комплекса управления (БУ БКУ). Выясним, оптимален ли на данный момент существующий комплекс испытаний с точки зрения поставленных задач управления. БУ БКУ, являясь частью системы БКУ, выполняет функции управления и координации работы систем изделия, осуществляет информационное сопряжение бортовых систем, агрегатов и узлов изделия с бортовым интегрированным вычислительным комплексом. Конструктивно БУ БКУ состоит из блоков, выполняемых в виде универсального конструктива (см. рис. 1). Рис. 1 Блок управления Бортового комплекса управления КА «Муссон» Поскольку БУ БКУ является одной из систем КА, то для нее характерны особенности НЭО, описанные выше. В связи с этим и в целях качественного проведения отработки прибора, HЭO проводят в два этапа: 1. Автономная отработка; 2. Отработка в составе систем и изделия. Каждый этап завершается выпуском отчета по видам испытаний с анализом результатов и выдачей заключений о допуске к последующему этапу. Существующая структурная схема НЭО БУ БКУ представлена на рисунке 2. ЛОИ блоков ЛОИ прибора КДИ ПрИ ЭРТО в составе изделия Итоговый отчет по НЭО Спец. испытания 1.08 БКУ КМС Рис. 2 Существующая структурная схема наземной экспериментальной отработки БУ БКУ Этапом ПрИ заканчивается автономная отработка прибора, после которой он включается в состав систем КА при работе на специализированных стендах 1.08БКУ и КМС. Описанная последовательность проведения НЭО прибора направлена, в основном, на проверку примененных схемно-технических решений, проведение испытаний на механические воздействия, отработку конструкторских решений по применению новых электрорадиоизделий, а также на проверку электрической совместимости прибора как отдельно, так и в составе изделия. Одним словом, акцент НЭО в настоящее время делается на проверку аппаратной части, практически не затрагивая логику функционирования БУ БКУ в необходимом сейчас объеме. Однако, в настоящее время БУ БКУ разрабатываются для перспективных космических аппаратов, выполняемых вне гермоконтейнера и имеющих срок активного существования 10-15 лет. Принципиальное отличие нынешнего поколения приборов состоит во введение в их состав Центрального приборного модуля (ЦПМ) с программируемым микроконтроллером семейства MS-196, что позволило реализовать логику функционирования прибора не в аппаратном, а в программном виде. Дублированный ЦПМ предназначен для использования, в составе блоков сопряжения с бортовой аппаратурой, в качестве управляющего устройства этих блоков. Появление ЦПМ в составе бортовой аппаратуры перспективных КА является очередным шагом развития российского космического приборостроения. Конструктив ЦПМ представлен на рисунке 3. Рис. 3 Центральный приборный модуль Очевидно, что в связи с принципиально новым принципом построения БУ БКУ, в существующей схеме НЭО прибора появилась необходимость проведения дополнительных, ранее не проводившихся исследований - исследований по отработке программного обеспечения ЦПМ, которое в конечном итоге определяет всю логику функционирования БУ БКУ. ПО ЦПМ разрабатывается по исходным данным, определяющим всю методологию их построения, распределение программных ресурсов, алгоритмы и т.д. То есть существующая на данный момент схема НЭО прибора не оптимальна с точки зрения объема решаемых задач и применяемых для их решения аппаратно-программных средств. Необходимость корректировки комплекса НЭО БУ БКУ. Отработка ПО БУ БКУ обладает специфическими особенностями, присущими процессу разработки любого программного продукта, и в рамках существующей последовательности проведения НЭО и с использованием существующих испытательных комплексов принципиально невозможна. Кроме того, в процессе отладки ПО в лабораторных условиях должно быть организовано постоянное взаимодействие разработчика ПО и оператора испытательного комплекса. Эти вопросы необходимо решать на ранее не существовавшем, отдельном этапе НЭО с помощью дополнительно вводимого в эксплуатацию собственного лабораторного оборудования. Наличие собственного испытательного оборудования, возможность в любой момент времени проводить интересующие эксперименты и независимость процесса исследования от деятельности других структурных подразделений позволят организовать работы по отработке ПО БУ БКУ оптимальным и эффективным образом, а значит решить задачу управления последовательностью испытаний, поставленную в начале данной статьи. Отработка ПО ЦПМ – основная задача предложенного нового этапа НЭО программных отработочных испытаний (ПОИ), которые является подэтапом ЛОИ и дают заключение о соответствии ПО ЦПМ исходным данным на их разработку. Для проведения ПОИ нами на базе промышленного компьютера был создан Лабораторный отработочный комплекс (ЛОК) [2]. В состав ЛОК входят стандартные PCI-платы, включающие различные устройства преобразования (ЦАП, АЦП, устройства дискретного программируемого ввода/вывода, устройства обмен по стандартным последовательным интерфейсам и т.д.), и выносные платы с определенными характеристиками (силовые и измерительные реле, дискретный ввод/вывод с изоляцией и т.д.). Принцип отработки ПО ОК на ЛОК заключается в том, что с помощью аппаратуры ЛОК моделируется сигналы, участвующие в информационном обмене прибора и в работе программ, входящих в состав алгоритмов ПО. Программная среда ЛОК дает возможность разработчику выбирать необходимые для обмена сигналы, а аппаратная часть комплекса позволяет фиксировать факты прохождения сигналов, их последовательность и временные характеристики являясь своего рода моделью конечного абонента. В связи с введением нового этапа НЭО, было предложено откорректировать существующую схему НЭО БУ БКУ, которая в настоящее время выглядит следующим образом (рис. 4). СИ ПОИ ЛОИ Автономная отладка ПО Комплексная отладка ПО на ЛОК Блоков Прибора КДИ 1.08БКУ ПрИ ЭРТО в составе изделия Итоговый отчет по НЭО КМС Рис. 4 – Структурная схема наземной экспериментальной отработки БУ БКУ со встроенным ЦПМ. Выводы. Мы рассмотрели один из важнейших этапов жизненного цикла КА – этап Наземной экспериментальной отработки. Многолетний опыт создания космических систем позволил четко сформировать последовательность проведения НЭО, а так же решать задачи управления комплексом испытаний. Однако технический прогресс и применение новых технологий вносят свои коррективы в существующую методологию построения цикла НЭО, в связи с чем ее необходимо совершенствовать под расширяемый круг решаемых с помощью КА задач. Предложенная этапность проведения НЭО прибора является на данный момент оптимальной с точки зрения решения вопросов по управлению комплексом испытаний систем КА. ЛИТЕРАТУРА 1. Александровская Л.Н., “Теоретические основы испытаний и экспериментальная отработка сложных технических систем”, “Логос” М,2003 2. Клюев Е.А., «Принципы и средства отработки программного обеспечения блоков управления перспективных космических аппаратов», «Электронные и электромеханические системы и устройства: Тезисы докладов научно-технической конференции молодых специалистов»/ ОАО «НПЦ Полюс».-Томск, 2008, с.142-144