Структура и принципы построения математического обеспечения Центра управления полетами космических аппаратов
Нагибин С.Я., Почукаев В.Н., Ухлинов Л.М.

Рассмотрены особенности построения математического и программного обеспечения (МЦО) вычислительных систем Центра управления полетами космических аппаратов. Определены основные принципы развития МПО в условиях эволюционного развития технических средств и усложнения технологии управления функционированием космических аппаратов различного назначения.

Выполнение целевых задач, стоящих перед космическими - аппаратами (КА) различного назначения, зависит от множества факторов. Сюда относятся состояние КА и его систем, состояние здоровья космонавтов, состояние внешней среды на всех этапах полета КА, состояние всех наземных средств, обслуживающих КА. Взаимосвязь этих факторов и динамику их проявления можно объединить одним общим понятием — сложный процесс обеспечения полета КА, который может быть декомпозирован Па четыре класса базовых процессов (рис. 1). К первому классу относятся процессы, связанные с функционированием КА. Этот класс, в свою очередь, можно разделить на две группы: на процессы, связанные с движением КА в пространстве (движение центра масс КА, движение КА относительно центра масс) и на процессы, связанные с функционированием различных систем КА (жизнеобеспечения, терморегулирования, управления бортовыми системами и приборами).

Второй класс процессов включает процессы, связанные с состоянием космонавтов. Сюда относится контроль самочувствия космонавтов, формирование графика работы и планирование мероприятий по восстановлению нормального функционирования организма в условиях невесомости.

Процессы третьего класса протекают во внешней по отношению к КА среде и включают изменение радиационной обстановки на рабочих орбитах КА, изменение геомагнитного поля Земли, состояния ионосферы, погоды в месте возможного приземления КА, уровня активности Солнца и состояния верхних слоев атмосферы.

Последний класс включает процессы, связанные с функционированием обслуживающих систем, к которым относятся средства наземного и корабельного комплексов управления и поисково-спасательной службы.

Каждый из перечисленных процессов должен отслеживаться и управляться с помощью соответствующих средств, совокупность которых составляет центр управления полетами (ЦУП). При этом управление функционированием КА является ярким примером управления сложным процессом. Вследствие большой динамики движения КА и большой тяжести возможных последствий ошибочных управляющих воздействий, особенное значение приобретают такие требования как высокая надежность функционирования структур ЦУП, высокая достоверность и оперативность выработки управляющих воздействий, которые в других системах управления скрыты различными факторами.

Современный ЦУП КА представляет собой сложный программно-технический комплекс, объединяющий множество неоднородных вычислительных средств, обеспечивающих распределенную обработку информации. Основными структурами ЦУП, как сложной системы, являются:

• техническая, представляющая собой совокупность технических и вычислительных средств центра;
• технологическая, определяющая последовательность и причинно-следственную зависимость взаимодействия элементов ЦУП между собой при решении задач управления;
• программная, представляющая совокупность программных компонентов, позволяющих вырабатывать необходимые управляющие воздействия.

Анализируя функционирование ЦУП, можно выделить следующие особенности, характерные для реализующих этот процесс вычислительных средств:

1. Большой объем разнородной обрабатываемой и хранимой информации (до сотен мегабайт), что предъявляет повышенные требования к системам управления базами данных по поиску и к специальному математическому и программному обеспечению (МПО) по обработке поступающей и формированию выходящей информации.

2. Необходимость функционирования отдельных вычислительных комплексов и элементов ЦУП в режимах реального или близких к реальному времени, при которых текущее время рассматривается в качестве параметра организации вычислительного процесса.

3. Необходимость реализации численной обработки различных типов информации (табличной, графической и др. ), необходимость одновременного проведения нескольких модельных экспериментов с применением имитационного, аналитического и полунатурного моделирования.

4. Большой объем МПО (до сотен мегабайт), которое характеризуется большой длительностью жизненного цикла наряду с эволюционным развитием технической структуры ЦУП.

5. Жесткие директивные сроки решения функциональных задач в условиях случайности внешних воздействий.

6. Организация интенсивного обмена данными с внешними абонентами (источниками и потребителями информации).

7. Требования высокой устойчивости и надежности организации информационно-вычислительного процесса при длительной непрерывной эксплуатации технических средств ЦУП.

8. Необходимость реализации режимов оперативной обработки событий, время и количество возникновения которых заранее не определено и, как следствие, необходимость асинхронного решения различных функциональных задач и их синхронизации по доступу к общим ресурсам при организации распределенной обработки информации.

Обобщая указанные особенности можно констатировать, что к характерным чертам вычислительных средств ЦУП КА относятся:

• многомерность (большое число программных и технических подсистем и связей между ними);
• многокритериальноcть (различие целей подсистем);
• временные и ресурсные ограничения;
• взаимодействие с внешней средой (источниками и потребителями информации);
• большой объем принимаемой, хранимой, обрабатываемой и .передаваемой информации;
• непрерывность функционирования во времени;
• высокие требования по надежности функционирования и достоверности вырабатываемой управляющей информации и т.п.

Основной системообразующей структурой ЦУП, как сложной системы, является программная, с помощью которой осуществляется интеграция вычислительных и технических ресурсов ЦУП в единую систему и определяется взаимосвязь и взаимообусловленность функционирования этих элементов при решении задач управления. Иными словами, программная структура ЦУП (или его математическое и программное обеспечение) организует работу всех элементов ЦУП для достижения единой цели его функционирования.

С развитием космической техники и усложнением космических экспериментов усложняются и процессы управления: увеличивается объем данных, который необходимо обрабатывать для принятия решения; уменьшается время на анализ сложившихся полетных ситуаций, принятие решений и их реализацию.

Очевидно, что именно от математического и программного обеспечения МПО зависит степень "интеллектуальности" ЦУП, его возможности решать все более широкий круг усложняющихся задач во все более сложных условиях. Поэтому МПО, входящее в состав ЦУП, стало основным элементом, определяющим эффективность управления и использования космических средств.

В общем случае МПО ЦУП представляет собой совокупность математических и логических методов, алгоритмов и реализующих их программ, которые отражают специфику автоматизируемых процессов управления и предназначены для обработки поступающей в ЦУП информации, логико-аналитической деятельности специалистов служб ЦУП в интересах принятия решений по управлению КА и выработки управляющих воздействий.

Формально деятельность ЦУП¹можно представить моделью функционирования программной структуры в виде ориентированного графа, дуги которого определяют некоторые преобразования (обработку) информации по заданным алгоритмам, а узлы — некоторые множества данных, являющихся, с одной стороны, результатами решения некоторых задач (выходной информацией), а с другой стороны — исходными данными для следующих задач технологического цикла управления КА. Таким образом, программная и информационная структуры задают последовательность преобразования информации для достижения локальных и глобальной целей функционирования ЦУП. Такая модель деятельности ЦУП позволяет представить процессы реализации основных функциональных этапов управления КА, к которым относятся: сбор и накопление информации о функционировании КА, ее обработка, анализ возможных вариантов решения по управлению, выбор оптимального решения и формирование управляющих воздействий.

Наиболее сложным этапом является обработка информации, требующая использования специализированных компонентов МПО:

• расчетных задач, представляющих собой программные средства вычисления числовых значений Данных, необходимых для выработки решений и формирования управляющих воздействий;
• математических моделей, представляющих собой системы математических зависимостей и логических правил, которые позволяют с достаточной полнотой и точностью описывать процессы управления, прогнозировать их возможный ход и исход, а также оценивать эффективность выбранных вариантов решений.

Тенденция усложнения задач управления КА приводит к тому, что объем МПО, реализующего любой из этапов управления КА, становится настолько большим, что практически невозможно реализовать его в виде одного программного комплекса. Возникает необходимость декомпозиции МПО на отдельные функциональные подсистемы с последующим комплексированием их на основе системного анализа технологических процессов управления КА. При этом учитываются устойчивые связи между подсистемами по входным и выходным данным и управлению, обеспечивается согласование компонентов подсистем по назначению, постановкам, критериям эффективности, языкам взаимодействия и т. п. Полученная в результате программная структура позволяет полностью или в значительной степени автоматизировать процессы управления КА.

Структура МПО ЦУП (рис. 2) иллюстрирует многообразие составляющих МПО и показывает необходимость согласования по многим критериям всех его компонентов.

Как видно из рисунка, в состав МПО ЦУП входят общее и общесистемное МПО, предназначенное для создания и поддержания информационной структуры и управления вычислительным процессом, а также специальное МПО, реализующее функции обработки данных.

К общему МПО относятся: операционные системы, системы проектирования и разработки программ (трансляторы с языков Программирования, редакторы, загрузчики, библиотеки' стандартных подпрограмм и т. д.), а также системы управления данными. Общесистемное МПО представляет собой совокупность комплексов программ, обеспечивающих совместное функционирование технических, вычислительных средств ЦУП и задач специального МПО. Кроме того, общесистемные средства обеспечивают взаимодействие с внешними абонентами (источниками и потребителями информации). Именно общесистемное МПО осуществляет интеграцию функциональных возможностей различных вычислительных средств и их операционных систем для достижения заданной цели функционирования ЦУП. Оно состоит из:

• программных комплексов удаленного обмена данными, включающих в себя протоколы обмена данными с измерительными пунктами по приему измерений текущих навигационных параметров и телеметрической информации с борта КА, по выдаче программно-командной информации, а также протоколы обмена с другими взаимодействующими центрами (дублирующими, резервным), программные средства управления, отображения и документирования процессов обмена, средства буферизации поступающей информации;
• программные комплексы отображения информации на средствах коллективного пользования;
• программные средства планирования вычислительных работ и управления их выполнением;
• программные средства комплексирования вычислительных машин (интерфейсы доступа к локальной сети ЦУП).

Специальное МПО представляет собой совокупность комплексов программ, используемых для непосредственного решения функциональных задач ЦУП: обработки телеметрической информации, решения баллистических задач, планирования применения и т.п.

Поскольку выполнение функциональных задач требует значительных вычислительных мощностей, для их решения традиционно использовались отечественные вычислительные машины с большой производительностью (БЭСМ-6, АС-6, Эльбрус-1К2, Эльбрус-1КБ, Эльбрус-2).

В условиях сокращения бюджетных ассигнований на развитие космической отрасли чрезвычайно важными становятся вопросы дальнейшего совершенствования вычислительной техники и ее математического и программного обеспечения. Очевидно, что наращивание (замена) вычислительных мощностей должна осуществляться эволюционно, с использованием существующего задела МПО и совмещением функционирования в рамках ЦУП разнородных вычислительных средств, так как по некоторым оценкам смена парка вычислительных машин должна осуществляться раз в 5-7 лет, а моральное старение МПО оценивается в 15-20 лет.

На ближайшие 10-15 лет можно предположить, что тенденция миниатюризации средств вычислительной техники и широкомасштабного внедрения ПЭВМ будет определяющей, тем более, что по своим характеристикам они все более приближаются к существующим большим машинам. Поэтому ориентация в дальнейшем развитии вычислительной базы ЦУП на использование ПЭВМ и высокопроизводительных рабочих станций целесообразна и оправдана, т.к. в условиях сокращения финансирования ЦУП необходимо минимизировать затраты на реконструкцию помещений под новые вычислительные мощности, на обеспечение деятельности обслуживающего персонала и на энергоснабжение. При этом, на наш взгляд, ориентация на определенный класс ЭВМ нецелесообразна, так как выбор общего МПО ЭВМ, особенно его операционной системы (ОС), не менее, а, может быть, даже более важен, чем выбор ЭВМ, на которой планируется проведение тех или иных вычислительных работ. Практически каждая современная вычислительная машина позволяет использовать несколько ОС, отличающихся принципами построения и функционирования, разнообразием базовых возможностей и рядом других параметров.

Несмотря на то, что эволюция взглядов на средства, предоставляемые пользователям операционной системы, привела к тому, что большинство их функциональных возможностей во многом схожи, различие реакций таково, что перенос общесистемного и специального МПО из одного операционного окружения в другое даже на однотипных машинах может быть соизмерим по сложности с переносом программ на принципиально новую машину.

Важный вывод, который следует из сказанного, состоит в том, что МПО должно проектироваться и разрабатываться инвариантно к используемой технике. Главной задачей при этом является обеспечение адекватного покрытия проблем управления КА разрабатываемыми алгоритмами и программами.

Инвариантность (мобильность или переносимость) МПО достигается:

• модульной декомпозицией процессов управления КА с* последующей унификацией алгоритмов;
• выбором языка отображения алгоритмов с помощью технологических средств МПО, существующих в ЦУП и планируемых к установке ЭВМ (решение проблемы языковой совместимости разнотипных ЭВМ);
• стандартизацией интерфейсов программ при их взаимодействии с операционной и внешней средой (операционная совместимость);
• унификацией структур данных (информационная совместимость).

Таким образом, основу данного подхода составляет согласованное множество функциональных стандартов, определяющих интерфейсы между специальным и общесистемным МПО. Практически это достигается разработкой некоторой совокупности средств общесистемного МПО, адаптирующих используемые специализированные программные комплексы к условиям их применения и моделирующих для функциональных задач виртуальную операционную среду.

Разработка МПО ЦУП в соответствии с этим Подходом позволит:

• повысить Качество МПО за счет повторного использования отработанных и отлаженных алгоритмов и программ; исключить дублирование разработок;
• снизить затраты (на 80—90 % от стоимости первоначальной разработки) при освоении ЭВМ новых типов.

Помимо соображений экономического характера, подобный подход вполне соответствует современной модели вычислении, поскольку позволяет организовать информационно-вычислительный процесс в распределенной гетерогенной вычислительной системе, обеспечивая при этом переносимость специального МПО и данных между различными вычислительными платформами, их взаимодействие (коммуникацию и совместную работу), а также гибкость управления ресурсами с использованием стандартизованных интерфейсов.

Сноски

¹ Лобачев В.И., Почукаев В.Н. Некоторые теоретические аспекты синтеза и анализа центра управления полетом. - М.: Ротапринт ИКИ АН СССР, 1988.

__________________________________________________

Нагибин С.Я. - кандидат технических наук
Почукаев В.Н. - доктор технических наук
Ухлинов Л.М. - доктор технических наук

---

&copy Информационное общество, 1995, вып. 5, с. 66-72.