Автоматизация проектирования программы телеметрических измерений изделий ракетно-космической техники

Актуальность. Изделия ракетно-космической техники (РКТ) — космические аппараты (КА), разгонные блоки (РБ) и ракеты-носители (РН) представляют собой сложнейшие технические устройства, состоящие из множества систем, приборов, агрегатов и элементов конструкции. Контроль состояния и функционирования всех составных частей изделия, состояния и поведения экипажа, живых организмов и других объектов при электрических испытаниях на заводе-изготовителе, подготовке к пуску на техническом и стартовом комплексах и при штатной эксплуатации осуществляется по телеметрической информации (ТМИ), получаемой в результате измерения различных физических параметров и (или) обмена информацией с другой аппаратурой.

Задачи сбора, обработки ТМИ и представления сообщений о параметрах в форме, согласующейся с используемым методом передачи ТМИ и характеристиками радиолинии, возложены на бортовую систему телеметрических измерений (БСТИ). При этом перечень теле-метрируемых параметров (ТМП) изделия, средства первичного преобразования (СПП) измерительной информации и места расположения их на изделии, а также распределение ТМП по информационным входам БСТИ определяются программой телеметрических измерений (ПТИ), проектируемой при разработке БСТИ.

При традиционно применяемом регулярном дискретном представлении сообщений и временном разделении каналов порядок и частоты появления сообщений о параметрах в телеметрическом потоке, формируемом БСТИ, определяет программа телеизмерений. Изменение в процессе функционирования изделия потоков ТМИ, характеризующих динамику контролируемых процессов, и задач, стоящих перед потребителем ТМИ на конкретном участке функционирования (контроля) изделия, при ограниченной пропускной способности каналов связи приводит к необходимости управления программой телеизмерений. При программно-управляемом сборе ТМИ управление осуществляется путем изменения состава ТМП и изменения частот формирования выборок ТМП в выходном потоке в зависимости от участка контроля по командам от бортовых или наземных средств управления. В рассматриваемых системах это единственный способ адаптации к информационному потоку изделия, позволяющий уменьшить семантическую избыточность передаваемой информации. Физически ПТИ реализуется путем задания режимов работы (программ опроса) соответствующих приборов радиотелеметрической системы (РТС) как главного звена БСТИ программным (в виде про-шивок ПЗУ) и/или аппаратным (в виде кроссировок) способом. Поэтому содержание ПТИ напрямую зависит от типа применяемой РТС.

Бортовые системы и решаемые ими задачи год от года становятся все сложнее, и общее число ТМП на изделии РКТ достигло нескольких тысяч. Временная диаграмма функционирования изделия представляет собой совокупность участков контроля, каждый из которых характеризуется своим набором ТМП и показателями представления сообщений. Проектирование ПТИ с учетом особенностей применяемых средств измерений требует высокой квалификации разработчика, больших временных затрат и не исключает возникновение ошибок проектирования. Кроме того, ПТИ является основополагающим документом при разработке документации как по БСТИ, так и по изделию в целом. В таких условиях традиционные неавтоматизированные методы проектирования ПТИ оказываются неэффективными.

Научными коллективами ведущих разработчиков систем космической телеметрии активно внедряются новые измерительные, вычислительные и информационные технологии в практику информационно-телеметрического обеспечения изделий РКТ. При этом вопросы проектирования СПП, в особенности обеспечение метрологических и надежностных характеристик для конкретных условий измерений, подробно рассматриваются в области измерительной техники.

Среди средств, применяющихся при проектировании различных элементов БСТИ (приборов РТС, кабелей связи контролируемых систем с БСТИ, СВЧ-устройств), имеется множество как промышленных, так и специализированных САПР отечественной и зарубежной разработки для схемотехнического, конструкторского, компонентного и технологического проектирования. Предлагаются методы и средства для разработки программно-математического обеспечения РТС, включая реализацию ПТИ, ориентированные на ограниченный класс систем.

Однако осталась нерешенной задача автоматизации проектирования ПТИ для широкого класса РТС. Это связано с тем, что некоторые характерные особенности применяемых и непрерывно совершенствующихся РТС обусловливают также различия в методах проектирования ПТИ и требуют их отражения в математическом и программном обеспечениях САПР. Следовательно, дальнейшее сокращение сроков проектирования БСТИ и улучшение его качества в значительной степени зависят от автоматизации проектирования ПТИ.

Объектом исследования является ПТИ изделий РКТ, реализуемая в высокоинформативных цифровых РТС с регулярным дискретным представлением сообщений, программно-управляемым сбором ТМИ, трехступенчатой коммутацией источников ТМИ и временным разделением каналов.

Предметом исследования является автоматизация проектирования ПТИ. Целью исследования является повышение качества и сокращение сроков проектирования БСТИ за счет автоматизации проектирования ПТИ, а также повышение эффективности использования его результатов при сквозном проектировании изделия.

Исходя из указанной цели исследований, определены его основные задачи:

1. Разработать модель БСТИ, адекватную рассматриваемому классу РТС.

2. Разработать метод автоматизированного проектирования ПТИ.

3. Решить задачу проектирования ПТИ для БСТИ на базе РТС типа БИТС2Ц.

4. Разработать информационное и программное обеспечения САПР БСТИ в части разработки ПТИ.

Методы исследования.

При решении поставленных в работе задач использовались методы и математический аппарат теорий множеств и отношений, теории принятия решений, методы структурной оптимизации, а также методологии структурного системного анализа. Научная новизна.

Разработана математическая модель БСТИ, адекватная целому классу РТС, и ее графическое представление — информационная и функциональная модели, построенные с применением методологий структурного системного анализа.

Разработан метод структурной оптимизации ПТИ на основе эвристического алгоритма размещения, использующий единый подход к решению проектных задач на всех этапах проектирования ПТИ независимо от типа применяемой РТС рассматриваемого класса.

Достоверность.

Модели и метод, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях теорий множеств и отношений и корректном применении математического аппарата. Достоверность приведенных теоретических исследований подтверждена многолетним опытом проектирования ПТИ для КА и РН на ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс». Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением хорошо апробированного ПО, использовавшимся при обработке экспериментальных данных, тестированием, а также сравнением результатов автоматизированного проектирования ПТИ по реальным исходным данных по телеметрическому контролю КА типа «Ресурс-ДК» с ПТИ этого изделия, разработанной традиционным неавтоматизированным способом и прошедшей вместе с изделием стадию летно-конструкторских испытаний.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее результаты позволяют:

— сократить сроки проектирования, число занятых в нем специалистов и, соответственно, снизить стоимость разработки, исключив рутинный труд проектантов по приему и обработке исходных данных по телеметрическому контролю и проектированию ПТИ;

— повысить качество проектирования ПТИ за счет оптимизации ПТИ и тестирования на наличие ошибок проектирования;

— повысить эффективность использования результатов проектирования ПТИ при сквозном проектировании изделия РКТ: для разработки БКС БСТИ, испытательного и бортового ПО, инструкций по оценке работы бортовых систем по ТМИ при электрических испытаниях и штатной эксплуатации изделий РКТ;

— автоматизировать выпуск конструкторской документации по БСТИ;

— определять на этапе эскизного проектирования изделия требуемые ресурсы проектируемой системы измерений по количеству и номенклатуре приборов сбора сообщений из состава РТС, энергетическим и весовым характеристикам;

— автоматизировать процесс разработки информационных и программных средств САПР БСТИ за счет визуального моделирования с применением CASE-технологий;

— расширять круг решаемых при проектировании задач и поддерживаемых типов РТС за счет легкости и удобства сопровождения и внесения изменений в модель БСТИ. Реализация и внедрение результатов исследовании.

Результаты исследований использованы при разработке ПТИ космических аппаратов типа «Ресурс-ДК» на ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» в составе интегрированной САПР БСТИ.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель БСТИ, адекватная рассматриваемому классу РТС, и ее графическое представление — информационная и функциональная модели, построенные с применением методологий структурного системного анализа.

2. Метод структурной оптимизации ПТИ на основе эвристического алгоритма размещения, использующий единый подход к решению проектных задач на всех этапах проектирования независимо от типа применяемой РТС рассматриваемого класса.

3. Решение задачи синтеза проектных решений ПТИ для БСТИ на базе РТС типа БИТС2Ц.

Апробация научных положений.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: III Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современной науки», проводимой департаментом науки и образования Самарской области (г. Самара, 2002 г.) — XVI научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, проводимой РКК «Энергия» (г. Королев, 2002 г.) — XI и XII Всероссийских семинарах по управлению движением и навигации летательных аппаратов, проводимой СГАУ (г. Самара, 2003 и 2005 гг. соответственно) — Международной научно-технической конференции «Датчики и системы -2005», проводимой НИИ ФИ (г. Пенза, 2005 г.) — научно-технической конференции и научно-практических семинарах молодых ученых и специалистов предприятий космической промышленности, проводимых ИПК «Машприбор» (г. Королев, 2005 и 2006 гг.) — III научно-технической конференции молодых специалистов, проводимой ФГУП «НПО Автоматики» (г. Екатеринбург, 2006 г.) — научно-технической конференции ФГУП «РНИИ КП» (г. Москва, 2006 г.), XXV Межведомственной научно-технической конференции, проводимой космодромом «Плесецк» (г. Мирный, 2007 г.) — Всероссийской научно-технической конференции.

Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций", проводимой СГАУ (г. Самара, 2007 г.).

Публикации по теме диссертации.

По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано девять печатных работ, среди которых восемь статей, в том числе в изданиях, входящих в Перечень ВАК для публикации результатов научных исследований соискателей ученой степени кандидатов наук, и тезисы одного доклада.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждому из них, заключения, списка использованной литературы и приложения. Она изложена на 180 страницах машинописного текста, включает 14 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 136 наименований.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Разработана единая для различных типов РТС рассматриваемого класса математическая модель БСТИ в части проектирования программы телеметрических измерений и ее графическое представление в объеме информационной и функциональной моделей, выполненных в виде диаграммы «сущность-связь» (ERD) и диаграмм потоков данных (DFD) соответственно, применяемых в структурном системном анализе.

2. Разработан метод структурной оптимизации программы телеметрических измерений, основанный на эвристическом алгоритме размещения, использующий единый подход к решению проектных задач на всех этапах проектирования программы телеметрических измерений независимо от типа применяемой РТС.

3. На основе разработанного метода решена задача синтеза проектных решений программы телеметрических измерений для БСТИ на базе РТС типа БИТС2Ц: определены последовательности размещения элементов, построены множества возможных ограничений на размещение, определены критерии оптимальности и построены отношения сравнительной эффективности вариантов для всех этапов проектирования программы телеметрических измерений.

4. Разработаны логическая и физическая модели данных предметной области с использованием средств CASE-технологий, позволяющих выполнять автогенерацию схемы БД, составляющей информационное обеспечение САПР БСТИ, а также сопровождение и информационную поддержку БСТИ. Разработанное информационное обеспечение позволяет повысить эффективность использования результатов проектирования ПТИ при сквозном проектировании изделия РКТ.

5. Разработано ПО САПР БСТИ в части разработки программы телеметрических измерений, позволяющее сократить сроки проектирования от четырех до шести раз в зависимости от объема вводимых исходных данных.

Достоверность приведенных теоретических исследований подтверждена многолетним опытом проектирования программы телеизмерений изделий РКТ на ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс». Достоверность экспериментальных результатов подтверждена хорошо апробированным ПО, тестированием и сравнением результатов автоматизированного проектирования по реальным исходным данных по телеметрическому контролю КА типа «Ресурс-ДК» с программой телеизмерений этого изделия, разработанной традиционным неавтоматизированным способом и прошедшей вместе с изделием стадию летно-конструкторских испытаний.

Применение CALS-технологий позволит впоследствии расширять круг поддерживаемых типов РТС и решаемых при проектировании БСТИ задач за счет легкости и удобства сопровождения и внесения изменений в модель БСТИ и, как следствие, в информационное и программное обеспечения САПР БСТИ.

Интеграция программ в систему, образование из них маршрутов проектирования и выполнение ряда других служебных функций возлагаются на системную среду САПР, называемую в настоящее время системой PDM (Product Data Management — управление проектными данными), которая решает проблемы совместного функционирования подсистем САПР. Поскольку процессы проектирования и управления производством на предприятиях выполняются с помощью САПР, то успешная производственная деятельность подразумевает необходимость информационного взаимодействия таких систем. Средством, интегрирующим промышленные автоматизированные системы проектирования и управления в единую многофункциональную систему с целью повышения эффективности создания и использования сложной техники, призваны служить CALS-технологии. Повышение эффективности происходит за счет улучшения качества изделий как следствие более полного учета имеющейся информации при проектировании и управлении, сокращения материальных и временных затрат на проектирование и изготовление, снижения затрат на эксплуатацию благодаря реализации функций интегрированной логистической поддержки.