Особенности отработки программного обеспечения вычислительного устройства с использованием моделей входной навигационной информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГУП «Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова»

ОСОБЕННОСТИ ОТРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛЕЙ ВХОДНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

П. В. СИТНИКОВ, Ю. С. ТИУНОВ

Аннотация

вычислительный программный устройство обеспечение

Описана логика проведения отработки штатного программного обеспечения вычислительного устройства в части основной программы старта и основной программы полета с использованием цифровых моделей, реализованных на базе ПЭВМ и поддерживающих штатные протоколы взаимодействия в реальном масштабе времени.

Введение

В настоящее время ФГУП "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова", г. Екатеринбург, проводит работы по отработке штатного программного обеспечения (ШПО) вычислительного устройства, реализованного на базе модулей цифровой вычислительной системы "Малахит-7" собственной разработки предприятия [1]. Данное вычислительное устройство наряду с бесплатформенным инерциальным блоком (БИБ) и аппаратурой спутниковой навигации входит в состав навигационного прибора, предназначенного для проведения летного эксперимента в составе ракеты-носителя "Союз-2" в измерительном телеметрическом варианте [2], [3].

Отработка ШПО вычислительного устройства осуществляется на двух последовательных временных интервалах - интервале функционирования основной программы старта (с момента подачи питания на прибор t_ПИТ до расчетного момента старта t₀) и интервале функционирования основной программы полета (с момента t₀ до расчетного момента окончания работы t_К). В качестве отработочных позиций выступают автоматизированные рабочие места алгоритмиста и программиста, а также цифровой моделирующий комплекс предприятия.

Предлагаемый доклад посвящен описанию процесса отработки ШПО вычислительного устройства на отработочных позициях предприятия, в том числе с использованием цифровых моделей БИБ и аппаратуры спутниковой навигации.

Основная программа старта

Задачами основной программы старта являются: тестовые проверки составляющих навигационного прибора, перевод измерителей БИБ в рабочий режим, ввод полетного задания, выработка начальных условий и пр. По результатам решения каждой из задач формируется соответствующий контрольный массив, регистрируемый внешними средствами - контрольно-испытательной аппаратурой и системой телеметрических измерений.

Определяет основную программу старта система выработки начальных условий (СВНУ), которая по информации БИБ решает задачу определения начальной ориентации расчетной инерциальной системы координат относительно навигационной системы отсчета - плоскости местного горизонта и заданного азимутального направления, а также задачу определения составляющих вектора начальной скорости изделия на момент t₀ в навигационном или инерциальном базисе.

Схема отработки алгоритмов СВНУ, представленная на рис. 1, включает в себя три этапа - этап создания полной математической модели системы (ПММ), этап отладки ШПО и этап отработки ШПО вычислительного устройства.

Рис. 1 Схема отработки ШПО на участке работы основной программы старта

ПММ СВНУ на базе бесплатформенного инерциального блока подразделяется на две части:

- штатные алгоритмы СВНУ, на основании которых разрабатывается основная программа старта;

- модель информации измерителей бесплатформенного инерциального блока в соответствии с моделями углового и линейного перемещения изделия в условиях начальной выставки и в соответствии с моделью измерительных каналов бесплатформенного инерциального блока, предоставленной разработчиком прибора.

Каждая часть ПММ реализуется отдельной программой на ПЭВМ, при этом программа, реализующая штатные алгоритмы СВНУ, в принятой на предприятии терминологии обычно называется контрольной программой. Программа, реализующая моделирование информации измерителей в условиях начальной выставки обычно называется программой имитационной модели.

Разработанная ПММ СВНУ позволяет провести отработку алгоритмов и оценить их методическую погрешность, включая погрешность, обусловленную дискретностью измерительной информации акселерометрических и углоизмерительных каналов бесплатформенного инерциального блока. При этом под методической погрешностью понимается отличие значения параметра, заданного в программе имитационной модели при формировании измерительной информации БИБ, от его значения, полученного по результатам выполнения алгоритмов СВНУ реализованных контрольной программой на ПЭВМ в среде программирования Delphi. По проведенным на настоящий момент оценкам методическая погрешность не превышает:

- в части определения углов отклонения инерциального базиса от плоскости местного горизонта и заданного азимутального направления (углов негоризонта и угла недоворота в азимут) ~0,08 угл.с;

- в части определения проекций начальной скорости изделия ~4,0 10^-5 м/с.

Следующим этапом отладки ШПО вычислительного устройства служит отработка программной реализации основной программы старта алгоритмов СВНУ, т.е. отладка программы, реализующей алгоритмы СВНУ и прошиваемой в вычислительное устройство навигационного прибора. Целью отладки является проверка корректности программной реализации функциональных блоков с учетом всех логических веток алгоритмов, включая парирование возможных неисправностей прибора, а также проверка реализации алгоритмов с точки зрения допустимой погрешности вычисления в условиях ограниченной разрядной сетки.

Входной информацией для ШПО служат пакеты имитационных массивов информации - бинарные файлы, структура которых согласовывается программистом-разработчиком ШПО и разработчиком алгоритмов СВНУ. На данном этапе в качестве информации инерциальных измерителей бесплатформенного инерциального блока используется информация моделируемая программой имитационной модели, кроме того программа имитационной модели позволяет различными способами моделировать неисправности в работе прибора. По результатам моделирования формируется текстовый файл, который впоследствии специальной программой преобразуется в бинарный файл имитационных массивов информации. Структура информации и формат данных файлов имитационных массивов информации полностью соответствует структуре и формату данных информации инерциальных измерителей, поступающих от бесплатформенного инерциального блока в составе информационного массива. Файл имитационных массивов информации включает такое количество измерительных опросов бесплатформенного инерциального блока, которое обеспечивает корректное выполнение ШПО СВНУ на участке начальной выставки. На основании полученных файлов имитационных массивов информации выполняются функциональные блоки ШПО СВНУ и формируются массивы выходной информации, которые сравниваются с массивами контрольных данных. Контрольные данные формируются разработчиком алгоритмов СВНУ по результатам выполнения контрольной программы на основании тех же файлов имитационных массивов информации. Как правило, файлы контрольных данных включают:

- циклическую входную информацию блоков;

- необходимую промежуточную циклическую информацию, вычисленную в процессе выполнения блоков;

- выходную информацию блоков.

Сравнение контрольных данных и результатов выполнения ШПО выполняется автоматически, пакетами программ, разрабатываемыми программистами-разработчиками ШПО. Описанная методика позволяет проверить корректность выполнения функциональных блоков ШПО СВНУ, а также оценить уровень вычислительных погрешностей приборно-программной реализации алгоритмов СВНУ.

Кроме того при отладке ШПО СВНУ моделировались различные возможные неисправности в работе бесплатформенного инерциального блока, позволяющие проверить и отладить ШПО в части реализации логических ветвей блоков СВНУ, обеспечивающих анализ неисправностей в работе прибора. При формировании сбойных пусков моделировались следующие возможные неисправности в работе бесплатформенного инерциального блока:

- отсутствие обмена с бесплатформенным инерциальным блоком;

- наличие в словах состояния признаков работоспособности прибора, поступающих в составе информационного массива бесплатформенного инерциального блока, диагностики включения и исправности измерителей;

- наличие шума информации акселерометрических и углоизмерительных каналов бесплатформенного инерциального блока, который проявляется в превышении допустимых значений приращения кажущейся скорости и угла кажущегося поворота за такт опроса прибора.

Третий этап отработки ШПО СВНУ проводится на отработочной позиции цифрового моделирующего комплекса навигационного прибора с использованием комплектов специализированного вычислителя и системы телеметрических измерений в условиях работы со штатным образцом бесплатформенного инерциального блока. Для анализа и вторичной обработки результатов проведенных прогонов использовалась информация системы телеметрических измерений и контрольного массива СВНУ, сформированная по результатам работы специализированного вычислителя навигационного прибора. На основании информации измерителей бесплатформенного инерциального блока, поступающей в составе пакетов системы телеметрических измерений, выполнялась вторичная обработка прогона контрольной программой, которая формировала контрольные данные и контрольный массив СВНУ, что позволяло оценить функционирование и уровень вычислительных погрешностей ШПО СВНУ в составе специализированного вычислителя.

Основная программа полета

Основная программа полета осуществляет циклическое решение навигационной задачи по показаниям измерителей БИБ и данных от спутников с формированием цифрового телеметрического кадра, регистрируемого посредством системы телеметрических измерений. Телеметрический кадр содержит, в том числе, текущие признаки функционирования аппаратуры навигационного прибора, первичную информацию измерителей БИБ, заданную в приращениях, а также промежуточные контрольные данные, позволяющие осуществить послеполетное восстановление информации в условиях сбоев и помех в процессе ее приема-передачи [4].

Отработка ШПО вычислительного устройства навигационного прибора на участке основной программы полета по аналогии с отработкой алгоритмов СВНУ проходит в несколько этапов, представленных на рис. 2. На первом этапе создается ПММ алгоритмов навигации. Параметры выбранной траектории движения изделия преобразуются с учетом математической модели чувствительных элементов БИБ и с помощью программы имитационной модели готовятся для дальнейшего использования в согласованном виде - формируется имитационный массив информации. Контрольная программа, реализующая алгоритмы навигации, решает задачу навигации на основании полученных измерений БИБ и формирует контрольные данные по каждому функциональному блоку алгоритмов.

Рис. 2 Схема отработки ШПО на участке работы основной программы полета

На втором этапе производится отладка программной реализации ШПО алгоритмов навигации на рабочем месте программиста. На этом этапе сначала производится автономная отладка каждого функционального блока алгоритмов навигации, позволяющая обеспечить реализацию алгоритмов программистом до полного (с допустимой вычислительной погрешностью) совпадения с контрольными данными в одном цикле. Затем проводится комплексная отладка задачи навигации, целью которой является полное совпадение с контрольными данными в каждом цикле работы вычислителя.

Третьим этапом отработки ШПО вычислительного устройства является отработка непосредственно вычислителя при взаимодействии со смежными системами - бесплатформенным инерциальным блоком, спутниковой навигационной системой, системой телеметрических измерений, управляющей подсистемой - с выдачей достаточной информации для локализации ошибок и неисправностей. Контроль версий ШПО на данном этапе позволяет обеспечить повторяемость прогонов, что в свою очередь ведет к отладке ШПО вычислителя по положительной ветке алгоритмов. С помощью моделей смежных систем отрабатываются возможные неисправности чувствительных элементов, нарушения в циклограмме работы приборов, отказы при взаимодействии по кодовым линиям связи. Например, посредством числового материала модель бесплатформенного инерциального блока способна имитировать отказ отдельного акселерометра и/или гироскопа в определенный период времени полета или обеспечить отрицательную реакцию на конкретную команду вычислителя. С помощью числового материала модели спутниковой навигационной системы имеется возможность задавать момент захвата каждого спутника, потерю и восстановление сигнала от него, пропадание секундной метки. Особым режимом отработки является так называемый режим "Свечка" - в наземных условиях к вычислителю подключается реальная смежная аппаратура и проводится проверка ШПО в условиях, когда имитируется "зависание" изделия над точкой старта на высоте 1 м. Комплексная отработка возможных отрицательных веток алгоритмов позволяет сделать заключение о готовности штатного программного обеспечения вычислительного устройства к летным испытаниям.

Заключение

По итогам проведенной работы реализованы схемы отработки ШПО специализированного вычислительного устройства навигационного прибора как на участке работы основной программы старта, так и на участке работы основной программы полета. Выбранные схемы отработки обеспечивают повторяемость прогонов, что повышает эффективность отработки ШПО. Выбранные схемы отработки позволяют имитировать возможные неисправности отдельных измерителей бесплатформенного инерциального блока, а также обеспечить прохождение любого условного перехода.

В настоящее время проводятся работы по организации сквозных прогонов (особенно отработка момента перехода с участка основной программы старта на участок основной программы полета).

Литература

1. Антимиров, Я.В. Развитие структур высоконадежных бортовых вычислительных систем / Я.В. Антимиров, А.С. Наронов // Ракетно-космическая техника: научно-технический сборник. Системы управления ракетных комплексов, вып. 1. Екатеринбург: ФГУП "НПО автоматики им. академика Н.А. Семихатова", 2010 - С. 155 - 166.

2. Кутовой, В.М. Исследования характеристик бесплатформенного инерциального блока на базе волоконно-оптических гироскопов в процессе наземной отработки [Текст] / В.М. Кутовой [и др.] // Гироскопия и навигация. 2012. №2(77). С. 98 111.

3. Бельский, Л.Н. Создание опытного образца навигационного прибора на базе бесплатформенного инерциального блока, аппаратуры спутниковой навигации и вычислительного устройства / Л.Н. Бельский [и др.] // XVII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: ЦНИИ "Электроприбор", 2010. С. 175 - 177.

4. Верховых, Н.И. Организация подготовки и выдачи на контроль информации навигационного прибора / Н.И. Верховых [и др.] // Ракетно-космическая техника: научно-технический сборник. Системы управления ракетных комплексов, вып. 1. Екатеринбург: ФГУП "НПО автоматики им. академика Н.А. Семихатова", 2013.

Размещено на Allbest.ru