Бортовой комплекс управления

Бортовой комплекс управления осуществляет автономное управление КА и его информационно-логическое взаимодействие с НКУ, участвуя в работе контуров функционального управления, баллистического обеспечения, телеметрического контроля, синхронизации и обеспечения живучести.

Построение БКУ определяется принципами автономного управления: аппаратного (без БЦВМ) или программного (с БЦВМ). Реализация программного принципа управления на КА привела к изменению не только структуры КА и БКУ, но и логики функционирования, принципов информационного обмена и структуры электрических интерфейсов, приборов и систем КА. Поэтому аппаратное и программное построение БКУ, реализующее данные принципы, необходимо рассматривать в комплексе с аппаратурой и системами КА.

Аппаратное построение БКУ (рис. 6.2) основывается на следующих принципах управления:

– командное и программно-временное управление средствами НКУ;

– автономное аппаратное управление с неизменяемыми алгоритмами управления.

В БКУ аппаратного построения входят:

– бортовая аппаратура (БА) командно-измерительной системы (КИС);

– система телеметрического контроля (СТК);

– блок управления БКУ;

– электрические интерфейсы между БУ бортовых систем и приборами БКУ, которые формируются в виде раздельных кабельных связей: электропитания, команд управления, телеметрических цепей и сигнальных цепей особых событий.

Командное и программно-временное управление реализуется через БА КИС и СТК, автономное управление осуществляется БУ БКУ и автономными блоками управления аппаратуры и систем КА.

Бортовая аппаратура КИС состоит из высокочастотного приемопередающего блока (командной радиолинии) и низкочастотного блока, содержащего дешифраторы радиокоманд, программно-временные устройства, задающий генератор и аппаратуру защиты от несанкционированного доступа в контур управления. На случай отказа основных комплектов предусмотрена автономная схема переключения на резервные комплекты в случае длительного (более суток) непрохождения радиокоманд на КА.

Рис. 6.2. Архитектура аппаратного контура управления КА:

t_БШВ, Dt_БШВ – оцифрованная шкала бортового времени и поправка к ней; РК – радиокоманды; кв. РК – квитанция,

подтверждающая достоверность приема кода РК; КПИ – командно-программная информация; КУ – команды управления;

ТМ – телеметрические датчики; ТМИ – телеметрическая информация; БУ – блок управления; РАСО – режим автономной

солнечной ориентации; ПОС – сигнал «Потеря ориентации на Солнце»; ОН – сигнал «Отключение нагрузки»

Бортовая аппаратура находится в постоянной готовности к приему командно-программной информации с НКУ для любого положения осей ориентации КА относительно Земли.

Для приема радиокоманд при нарушении штатной ориентации работающий приемник командной радиолинии подключается одновременно к двум приемным антеннам, совместно обеспечивающим круговую диаграмму направленности. Однако при формировании круговой диаграммы с помощью двух антенн возникают интерференционные провалы, что приводит к необходимости применения на наземной станции КИС крупногабаритных антенн и мощных передатчиков. На период нештатной ориентации КА передатчики КИС также подключаются к всенаправленной антенне и переводятся в режим повышенной излучаемой мощности. Устойчивая надежная связь между НКУ и БКУ в этом случае обеспечивается за счет снижения скорости передачи информации и ввода режима контроля принимаемой на КА информации или радиокоманд.

При штатной ориентации КА для повышения скорости передачи информации через БА КИС выход передатчика необходимо переключать на направленную антенну.

Как уже говорилось в п. 6.1, управление режимами работы бортовой аппаратуры осуществляется по радиокомандам и временным программам. Радиокоманды передаются с НКУ в виде последовательного кода, дешифруются на релейной матрице и в виде стандартного импульса по отдельным цепям поступают на блок управления аппаратуры для исполнения.

Временные программы содержат номер радиокоманды и время ее исполнения. Количество временных программ ограничено объемом памяти запоминающего устройства, поэтому длительность автономного управления КА составляет несколько суток. Сравнение текущего значения бортовой шкалы времени со временем отработки временных программ осуществляется программно-временным устройством, которое при их совпадении выдает привязанную к этому времени команду на дешифратор и далее эта команда отрабатывается подобно радиокоманде. Бортовая шкала времени формируется в задающем генераторе БА КИС или атомном стандарте частоты КА и периодически синхронизируется с наземной шкалой времени  в сеансах сверки и коррекции времени.

Система телеметрического контроля организует опрос телеметрических датчиков, их адресную и временную привязку, формирование телеметрического кадра и передачу его в НКУ по запросу.

Телеметрические датчики подразделяются на следующие типы: амплитудные, сигнальные, температурные.

Амплитудные датчики формируют информацию о каком-либо параметре в виде напряжения в стандартном диапазоне (0…6 В) и далее в СТК производится перевод этого напряжения в цифровую форму с помощью 8-разрядного кода.

Сигнальные датчики фиксируют состояние параметра в дискретном виде «Да/нет» и используются для подтверждения включения (выключения) прибора или режима.

Температурные датчики являются датчиками сопротивления. Информация о температуре формируется в СТК путем подачи на датчик постоянного тока величиной 2,78 мА и получения на выходе напряжения, как функции сопротивления, т. е. температуры. Для повышения точности регистрации каждый температурный датчик тарируется под индивидуальный диапазон контролируемых температур.

При выборе числа точек контроля и типов датчиков для контроля выбранной точки руководствуются требованиями по обеспечению достоверной диагностики состояния бортовой аппаратуры КА, возможности выявления места, вида и причины возникновения дефекта, а также прогнозирования технического состояния аппаратуры и КА в целом. В любом включаемом и переключаемом приборе, в том числе и резервируемом, для контроля его подключения рекомендуется вводить сигнальный датчик.

Система телеметрического контроля проводит опрос всех датчиков с помощью коммутатора с периодичностью 70 мс, адрес и состояние каждого датчика запоминаются и постоянно обновляются. На коммутатор также заводятся показания счетчиков оцифровки шкалы бортового времени, содержащих информацию о количестве суток, часов в сутках и секунд в часах, что позволяет в процессе опроса привязывать показания датчиков к бортовой шкале времени.

При непосредственной передаче телеметрической информации через командную радиолинию выбирается своя скорость передачи запомненной информации, согласованная со скоростью передачи информации в командной радиолинии (1 000 или 8 000 бит/с).

Состояние КА вне зоны видимости НКУ контролируется путем запоминания состояния ограниченной номенклатуры телеметрических датчиков (датчиков событий) с последующей передачей этой информации через командную радиолинию на НКУ. Датчики событий выбираются в СТК из имеющихся датчиков по признаку их важности для оценки состояния КА. Опрос их состояния проводится по отдельной схеме, предусматривающей одновременное сравнение текущего показания датчика с эталонным. В эталоне сформирован порог срабатывания датчика события, т. е. его верхнее или (и) нижнее допустимое значение. При выходе показаний датчика за пределы допустимых значений происходит запоминание состояния этого датчика, времени этого события и номенклатуры сопутствующих датчиков (до 8 штук), благодаря чему становится возможным проведение полной диагностики произошедшего на КА события.

Таким образом, передача в НКУ телеметрической информации, полученной в данный момент, а также запомненнойс помощью датчиков событий, обеспечивает надежный контроль состояния КА в любой момент времени, что способствует оперативному восстановлению КА после возникновения нештатных ситуаций.

Блок управления БКУ решает коммутационно-логические задачи, распределяя цепи питания бортовой аппаратуры, их токовую защиту и реализуя логику управления особыми событиями на КА: КО, ОН, ПОС, РАСО, описанными в п. 6.3. Аппаратный принцип с неизменяемой логикой реализуется в БУ БКУ с использованием временных устройств, а также логичес-ких элементов «Да/нет».

Программное построение БКУ на базе БЦВК (рис. 6.3) реализует следующие принципы управления:

– адаптивное автономное управление по результатам диагностики состояния бортовой аппаратуры КА;

– программное управление на основе исходных данных, передаваемых с НКУ;

– командное управление по радиокомандам с НКУ;

– аппаратное управление в контуре обеспечения живучести КА в нештатных ситуациях.

Таким образом, особенностью программного принципа построения БКУ является частичное сохранение аппаратного принципа работы БА КИС, СТК, БУ БКУ и дополнение его программным принципом работы БЦВК. При этом предусматривается возможность отключения программного контура управления при нештатной работе БЦВК.  

Структура программного построения БКУ включает в себя аппаратную и программную часть (бортовое программное обеспечение).

В аппаратную часть БКУ входят БЦВК, БА КИС, СТК, БУ БКУ.

Бортовой цифровой вычислительный комплекс состоит из многопроцессорной БЦВМ, формирователя бортовой шкалы времени и приборных интерфейсов связи БЦВМ с бортовой аппаратурой. Информационный, телеметрический и командный обмен между БЦВК и остальными приборами, входящими в состав БКУ и других систем, осуществляется по мультиплексному каналу обмена MIL-STD-1553B с помощью встроенных в каждый прибор стандартных контроллеров обмена (СКО).

Применение БЦВК упрощает построение блоков управления бортовых систем КА с сохранением за ними элементарных коммутационно-логических функций, что создает предпосылки для их объединения в общий блок – БУ БКУ. В результате БКУ приобретает магистрально-модульную структуру, организованную по централизованному принципу, ядром которой является БЦВК.

В процессе функционирования КА БЦВК обеспечивает централизованное программное управление КА, формируемое по исходным данным НКУ и результатам автономной диагностики состояния бортовой аппаратуры на основании телеметрической информации. Автономная диагностика состояния КА в БЦВК позволяет сократить объем передаваемой НКУ информации до минимального уровня в виде кратких отчетов.

Рис. 6.3. Архитектура программного построения БКУ:

t_БШВ, Dt_БШВ – оцифрованная шкала бортового времени и поправка к ней; РК – радиокоманды; кв. РК – квитанция, подтверждающая

достоверность приема кода РК; КПИ – командно-программная информация; КУ – команды управления; ТМ – телеметрические датчики;

ТМИ – телеметрическая информация; СКО – стандартный контроллер обмена; МКО – мультиплексный канал обмена;

СПР – система прерывания; БУ – блок управления; РАСО – режим автономной солнечной ориентации

По сравнению с аппаратурным программное построение БКУ имеет следующие особенности:

- командный контур программного построения БКУ в дополнение к каналу управления от НКУ по радиокомандам формирует программные команды управления (ПКУ). В отличие от радиокоманд, количество ПКУ не имеет жестких ограничений и соответствует количеству логических операций, реализуемых при работе КА в штатной и аварийной ситуациях. В результате доля управляющих воздействий типа ПКУ имеет тенденцию к росту;

- телеметрический контур БКУ программного типа с помощью СКО отдельных приборов дополнительно формирует программную телеметрическую информацию.

Программно-модульное построение БКУ способствует децентрализации схемы распределения электропитания и передаче функции коммутации электропитания и токовой защиты на вторичные источники питания приборов, в результате чего уменьшается длина кабелей и снижаются потери электроэнергии в них.

Реализация программного построения БКУ основана на создании развитого бортового программного обеспечения, которое представляет собой совокупность общесистемного, специального и прикладного программного обеспечения, разрабатываемого по единой технологии и функционирующего в единой аппаратно-программной среде.

Бортовое программное обеспечение размещается на вычислительных средствах БЦВК с ранжированием приоритетов по доступу к отдельным пакетам программ и возможностью редактирования программного обеспечения КА, функционирующего на орбите по командам с НКУ.

Общесистемное программное обеспечение предназначено для контроля исправности БЦВМ и ее соответствия заданным требованиям на всех этапах эксплуатации.

Специальное программное обеспечение БКУ используется при реализации режимов работы КА после его отделения от РКН, в аварийных ситуациях и при взаимодействии с испытательным комплексом в процессе наземных испытаний.

Прикладное программное обеспечение предназначено для решения следующих задач:

– реализации на программном уровне алгоритмов и режимов бортовых систем КА;

– реализации программных алгоритмов оперативного, автономного
и программно-временного управления бортовой аппаратурой, бортовыми системами и КА в целом;

– периодического получения телеметрической информации с приборов, подключенных к шине MIL-STD-1553B, и ее передачи на НКУ в составе программной телеметрической информации, а также автономного управления этими приборами.

Прикладное программное обеспечение включает в себя программное обеспечение бортового комплекса управления, бортовых систем (СОС, СК, СЭП, СТР), бортового целевого комплекса, которое отражает логику функционирования этих систем, описанную в гл. 9–12, а также программное обеспечение баллистических задач, формирующее информацию о взаимном угловом положении Солнце, КА и Земли, временах прохождения КА теневых и полутеневых участков от Земли и Луны.

Разработка бортового программного обеспечения, его автономное тестирование, отладка и сопровождение программ, выпуск соответствующей программной документации осуществляются по единым требованиям средствами технологического комплекса разработки программ с использованием языка программирования высокого уровня МОДУЛА-2.

Технологический комплекс разработки программ бортового программного обеспечения – это совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для проведения работ по детальному проектированию, программированию, автономному тестированию и отладке бортового программного обеспечения, а также по его хранению и сопровождению в течение всего жизненного цикла КА.

Комплексная отладка бортового программного обеспечения на этапах его разработки и сопровождения, а также в ходе эксплуатации производится на наземном отладочном комплексе. Этот комплекс включает в свой состав компьютерную модель КА, которая реагирует на все команды и формирует в режиме реального времени, а при необходимости – в режиме замедленного или ускоренного времени, поток телеметрической информации, полностью аналогичный потоку телеметрической информации от реального КА.

Бортовое программное обеспечение КА размещается в постоянном и оперативном запоминающих устройствах БЦВМ. В постоянном запоминающем устройстве хранятся пакеты бортового программного обеспечения, которые не подлежат изменению и при выключении БЦВМ сохраняются. В оперативное запоминающее устройство записываются пакеты бортового программного обеспечения, которые могут меняться (перезаписываться) по информации с НКУ. При выключении БЦВМ информация в этом устройстве теряется.

Подобная структура хранения бортового программного обеспечения на КА позволяет, с одной стороны, автономно от БЦВМ управлять космическим аппаратом сразу после его выведения на орбиту, а с другой – при необходимости изменять и дополнять бортовое программное обеспечение, размещаемое в оперативном запоминающем устройстве, тем самым осуществляя реконфигурацию подсоединяемых к БКУ приборов. Так, при ошибочном подсоединении датчиков системы ориентации, работающих на разные каналы управления, возможно восстановление правильной идентификации информации за счет перепрограммирования алгоритма ее обработки.