УДК 629.78.051:681.3

К.т.н. Непомнящий О.В. ¹, Пичкалев А.В. ², Недорезов Д.А. ¹

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский Федеральный университет, Россия, Красноярск¹.

ОАО «Информационные спутниковые системы им. академика М.Ф. Решетнева», Россия, Красноярский край, г. Железногорск².

Высокопроизводительные вычислительные системы для наземных испытаний бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов.

Рассмотрены задачи повышения качества наземных испытаний радиоэлектронной аппаратуры перспективных космических аппаратов. Сформулированы основные проблемы возникающие при организации процедур наземных испытаний. Приведены результаты исследований в области системной организации и прикладной реализации наземного испытательного комплекса на базе параметризированных модулей от National Instruments. Отражены основные преимущества модульной реконфигурируемой архитектуры комплекса.

Ключевые слова: Спутник, аппаратура, испытательный комплекс, наземные испытания, эффективность.

С развитием отечественной отрасли спутникостороения и внедрением инновационных технологий неизбежно усложняется бортовая радиоэлектронная аппаратура (РЭА). Это требует проведения более сложных и тщательных наземных испытаний с целью обнаружения и устранения недоработок. Такие испытания требуют больших временных затрат, что при растущих объемах производства критически влияет на экономическую эффективность предприятий. Постоянно возрастающие требования к качеству испытаний обуславливают рост количества тестовых воздействий на объект исследования. Кроме того, непрерывно усложняются и алгоритмы проведения испытаний. При этом наблюдается неуклонное уменьшение сроков проектирования и тестирования при наличии территориальной удаленности разработчиков. Следует так же упомянуть о различии представлений между инженерами программистами и разработчиками аппаратного обеспечения. По существу сегодня они «говорят на разных языках» и зачастую оперируют несовместимыми понятиями [4].

Таким образом, при разработке систем наземных испытаний, требуется внедрение принципов и технологий модульного построения аппаратного и программного обеспечения для систем тестирования, гибко настраиваемых на класс решаемых задач. Также требуется разработка методик тестирования основанных на совместном, сквозном проектировании аппаратного и программного обеспечения для выполнения всего комплекса испытаний. Требуется устранение языкового барьера существующего при описании аппаратуры и программного обеспечения.

Следствие подобных мероприятий трудно переоценить – это не только сокращение времени разработки, увеличение качества наземных испытаний, но и в первую очередь снижение материально-экономических затрат в целом.

В результате проведенных исследований был выработан ряд решений, позволяющих значительно повысить качество наземных испытаний бортовой РЭА космических аппаратов [5]. Полученные результаты позволили усовершенствовать имеющиеся алгоритмы проведения эксперимента, разработать новые принципы организации аппаратуры для наземных испытаний и, в целом значительно улучшить технологию тестирования РЭА.

Данная технология заключается в имитации внешней, по отношению, к испытуемому прибору среды с использованием контрольно-измерительной аппаратуры на базе серийных модулей PCI, CompactPCI/PXI (модули цифрового ввода-вывода, ЦАП, АЦП, специализированные интерфейсные модули, устройства коммутации сигнала, осциллографы, генераторы и т.д.), управляемых промышленным или персональным компьютером, на котором реализована автоматизированная система обработки информации и управления. В данном случае, организуется процесс, подобный штатному процессу эксплуатации прибора в составе космического аппарата. При помощи испытательного комплекса реализуется цифровой и аналоговый ввод-вывод, могут имитироваться входные и выходные управляющие воздействия для блоков, а так же осуществятся обработка телеметрической информации.

Такой метод позволяет в кратчайшие сроки осуществлять реконфигурацию испытательного комплекса, гибко настраивать его для решения текущей задачи. Это достигается за счет использования контрольно–измерительных приборов представляющих собой модульные устройства, встраиваемые в центральный компьютер по технологии plug and play, например посредствам интерфейса PCI (PXI). Для создания соединителей удобно использовать выносные клеммные платы, что избавляет от необходимости создания кабелей и позволяет оперативно переконфигурировать соединения.

Согласно вышеизложенным подходам в ОАО «Информационные спутниковые системы им. академика М.Ф. Решетнева» (ИСС) был разработан лабораторно-отработочный комплекс (ЛОК) [5], применяемый для автоматизированных испытаний бортовой РЭА космических аппаратов. В составе ЛОК применяются специализированные контроллеры например, контроллеры мультиплексного канала обмена – МКО (ГОСТ Р 5 070-003), модули релейной коммутации сигнала и др.

Универсальность и эффективность ЛОК достигается за счет модульности как аппаратной, так и программной части комплекса. Применение сетевых технологий при проектировании позволяет управлять испытаниями удаленно, например, через пакеты Remote administrator или Team Viewer [1].

Для устранения возможного непонимания между программистом и разработчиком аппаратуры, программное обеспечение разрабатывается посредствам систем графического программирования, например, LabVIEW [6]. В отличие от обычных языков, где программы составляются в виде строк текста, в LabVIEW программы создаются в виде графических диаграмм, напоминающих электрические схемы, что делает эту систему дружелюбной для инженеров-разработчиков РЭА. Графические системы не уступают по функциональным характеристикам другим системам программирования высокого уровня, а в части быстроты разработки и простоты освоения не имеют себе равных. Кроме того, LabVIEW содержит множество объектов разработанных специально для работы с РЭА, это избавляет от временных затрат на их создание.

Тем не менее, при таком подходе, возможна разработка и на языках высокого уровня, что позволяет привлекать к разработке как профессиональных программистов, так и непосредственно самих разработчиков РЭА и, в значительной мере облегчает их взаимодействие между собой. Например, инженеру-проектировщику РЭА нет необходимости профессионально владеть языком С#, так как код, разработанный программистом на этом языке, может быть вызван как функция в LabVIEW. В свою очередь схемотехники могут разрабатывать параметризированные модули, на основе которых, используя метод каркасной сборки, другие члены команды проектировщиков могут строить собственное прикладное ПО.

При проведении испытаний бортовой РЭА зачастую встают проблемы связанные с быстродействием аппаратуры, в том числе и проблемы функционирования систем в режиме реального времени. Решение вопросов быстродействия может основывается на использовании реконфигурируемых однокристальных вычислителей, функционирующих на высоких частотах и позволяющих выполнять высокоскоростную обработку сигналов на аппаратном уровне. Такие вычислители реализуются с помощью программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Для реализации алгоритмов и программных функций обработки применяют операционные системы реального времени. Например, в состав пакета LabVIEW входит набор функций для работы с ПЛИС (LabVIEW FPGA), а для функционирования в режиме реального времени используют LabVIEW Real Тime [2].

В ПЛИС можно реализовать необходимое для испытаний устройство, которое будет решать текущие задачи, например обслуживать интерфейсные каналы ввода-вывода, осуществлять генерацию управляющих сигналов или выполнять функцию встроенного процессора.

При производстве бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов встает проблема извлечения того или иного модуля из технологического процесса производства для испытаний. Существенно проще получить прибор частично, а недостающие части реализовать виртуально. И здесь, вновь удобно использовать ПЛИС, в которых реализована логика функционирования недостающей аппаратной части необходимой для проведения испытаний, т.к. ПЛИС работают на скоростях зачастую превосходящих бортовую аппаратуру. Счетчики, таймеры, генераторы импульсов и измерители частотно-временных параметров импульсных последовательностей, аппаратные вычислительные и коммуникационные устройства – все это реализуется в ПЛИС с использованием LabVIEW FPGA. Более того, LabVIEW позволяет имитировать ПЛИС в процессе компиляции. Это достигается при помощи синтезированных bit-файлов которые виртуально заменяют собой ПЛИС в процессе испытаний.

Показательными примерами таких систем могут служить имитаторы навигационных сигналов, разрабатываемые в ОАО ИСС [3]. За основу берутся модули с ПЛИС и высокочастотные генераторы радиосигналов, причем все это оборудование стандартизовано и выпускается серийно, что решает проблемы совместимости и реконфигурации. Алгоритмы функционирования подобных устройств реализуются на программном уровне. Таким образом, при переходе с одного типа испытаний к другому достаточно сменить программное обеспечение. При этом можно выбрать вид кодирования сигналов, определить необходимый тип модуляции, внедрить собственные методы анализа, а также сконфигурировать удобный интерфейс пользователя.

Таким образом, неуклонный рост требований к качеству наземных испытаний бортовой РЭА обуславливает использование реконфигурируемой архитектуры, как на аппаратном так и на программном уровне исследовательского комплекса. Кроме того, требуется разработка новых методик и алгоритмов тестирования, основанных на принципах сквозного проектирования. Результаты практического применения модульного комплекса однозначно подтверждают правильность принятых решений и позволяют отметить следующее:

1. Использование в составе измерительного комплекса сертифицированного испытательного оборудования выпускающегося серийно и лицензионного программного обеспечения исключает проблемы совместимости как на аппаратном, так и на программном уровне.

2. Модульный принцип построения и реконфигурируемые на аппаратном уровне электронные системы цифровой обработки позволяют осуществлять имитацию отдельных частей исследуемого оборудования, без их извлечения из производственного процесса.

3. Сетевые технологии и применение стандартизированных каналов и протоколов обмена позволяют организовать автоматизированные системы управления испытаниями с удаленным коллективным доступом.

4. Применение быстродействующих ПЛИС для имитации устройств на аппаратном уровне, позволяет реализовывать системы критичные к временным интервалам, а так же реализовывать системы реального времени.

5. Использование языков и программных систем графического программирования, позволяет объединить усилия разработчиков различных направлений и уровней квалификации, а так же привлекать к созданию программного обеспечения разработчиков аппаратуры и программистов к разработке аппаратных модулей.

Вышеперечисленное позволяет оптимизировать сложный процесс наземной отработки программно-управляемой радиоэлектронной аппаратуры перспективных космических аппаратов, сократить материальные и временные затраты и повысить качество выпускаемой продукции.

Литература

1. Ачилов Р. Обзор программ удаленного доступа: выбирайте подходящую. // Системный администратор, №5, 2007 г. – С. 18-33.

2. Баран Е. Д. LabVIEW FPGA. Реконфигурируемые измерительные и управляющие системы. – М.: ДМК Пресс, 2009. – 448 с.

3. Красненко С.С., Пичкалев А.В., Имитатор радионавигационных сигналов в модульном исполнении // Решетневские чтения: материалы XIV Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева (10-12 ноября 2010 г., Красноярск): в 2 ч. / под общей редакцией Ю.Ю. Логинова; Сибирский государственный аэрокосмический университет. – Красноярск, 2010. Ч.1. С. 154-155.

4. Непомнящий О.В., Алекминский С.Ю.. Проблемы верификации проекта при сквозном проектировании вычислительных систем на кристалле // Нано- и микросистемная техника. Москва – 2010. - №9. – С.4–7.

5. Пичкалев А.В. Создание лабораторного отработочного комплекса для программно-управляемой РЭА. Современная электроника, №4, 2008. С. 31.

6. Трэвис Дж., Кринг Дж., LabVIEW для всех: — Санкт-Петербург, ДМК Пресс, 2011 г.- 912 с.