Методы построения программного обеспечения автоматизации испытаний космических аппаратов связи и навигации

Актуальность работы. Современные космические аппараты (КА) связи и навигации представляют собой сложные автоматические комплексы. Новейшие спутники способны решать целый ряд прикладных задач. Развитие космических аппаратов идет по пути расширения их функционального назначения, усложнения применяемых и внедрения новых бортовых систем. Соответственно, возрастают требования ко всем этапам производства новых космических аппаратов. Один из заключительных этапов производства космической техники — этап комплексных электрических испытаний. Целью данного этапа является контроль функционирования как изделия в целом, так и отдельных его систем. Важность этапа в том, что на нем фактически контролируется правильность сборки изделия, проверяется логика функционирования его систем и компонентов. Идеология проведения комплексных электрических испытаний заключается в выдаче управляющих воздействий на объект контроля (ОК) и анализе параметров функционирования которые характеризуют состояние и поведение отдельных систем и всего космического аппарата в целом.

Следует заметить, что состояние космического аппарата может характеризоваться тысячами параметров. Управление изделием также включает тысячи команд. Динамика переходных процессов различных систем космического аппарата колеблется от долей секунд до суток. В некоторых случаях скорость принятия решений по управлению изделием должна быть мгновенной. Поэтому остается актуальной проблема автоматизации испытаний спутников связи и навигации.

В настоящее время системы автоматизированной подготовки и управления комплексными электрическими испытаниями широко применяются на практике. Ключевым компонентом таких систем является специализированный программный комплекс, который в первом приближении состоит из: прикладного языка описания испытаний, редактора и интерпретатора этого языка. На НПО ПМ для комплексных испытаний применяется подобный программный комплекс ПРИС и язык испытаний Диполь-5К.

Однако имеющийся уровень автоматизации вследствие возрастающей сложности систем и компонентов новых изделий, усложнения логики их функционирования характеризуется рядом проблем связанных с недостаточной эффективностью методов построения данных комплексов. Одной из главных проблем остается создание унифицированных, универсальных, расширяемых и эффективных программных комплексов.

Методы построения программного обеспечения (ПО) предназначенного для автоматизации испытаний К, А связи и навигации должны обеспечивать:

Во-первых, единую технологию подготовки и проведения работ на различных аппаратно-программных комплексах относящихся к этапу электрических испытаний изделия в целом или отдельных систем изделия (требование универсальности, модифицируемости, расширяемости).

Во-вторых, требуемый уровень эффективности анализа параметров функционирования объекта контроля и упрощение выдачи управляющих воздействий.

В-третьих, улучшение эффективности проведения испытаний за счет автоматизированного проведения сложных алгоритмов испытаний.

В-четвертых, упрощение доступа к информации испытаний, в целом упрощение автоматизированных процессов подготовки и управления испытаниями.

Таким образом, актуальной является задача исследования и разработки новых методов построения программного обеспечения автоматизации испытаний спутников связи и навигации. Решение этой задачи позволит получить унифицированное, универсальное и расширяемое программное обеспечение, что повысит качество и эффективность данного этапа производства.

Целью диссертационной работы является разработка новых методов проектирования унифицированного, универсального и расширяемого программного обеспечения, повышающих качество и эффективность автоматизации испытаний спутников связи и навигации.

Задачи исследования состоят в следующем:

1. Провести анализ и формализовать процесс испытаний космических аппаратов связи и навигации.

2. Разработать метод построения универсального и модифицируемого программного обеспечения автоматизации испытаний.

3. Разработать метод построения унифицированного редактора циклограмм с эффективным представлением содержимого циклограмм.

4. Разработать метод построения интерпретатора циклограмм поддерживающего как параллельное, так и последовательное выполнение.

5. Разработать структуру и множество базовых понятий проблемно-ориентированного языка комплексных электрических испытаний.

6. Для подтверждения реализуемости программного обеспечения автоматизации испытаний построенного на основе разработанных методов, провести моделирование системы.

Методы исследования. В работе использован объектно-ориентированный анализ, методы построения и анализа алгоритмов, методы построения компиляторов и интерпретаторов, теории языков программирования, методы моделирования в UML.

Основные результаты:

1. Исследован и формализован процесс испытаний космических аппаратов. Показано, что процесс функционирования характеризуется совокупностью параметров и управляющих воздействий.

2. Для построения ПО автоматизации испытаний разработан метод разделения функциональностей действий испытаний.

3. Для системы подготовки и проведения испытаний космических аппаратов разработан метод построения структурного редактора циклограмм. Разработан метод представления содержимого циклограмм в древовидном виде.

4. Разработан метод построения интерпретатора циклограмм поддерживающего как параллельное, так и последовательное выполнение.

5. На основе применяемого в настоящее время языка испытаний (Диполь-5К), для новой автоматизированной системы испытаний разработан расширяемый и модифицируемый проблемно-ориентированный язык испытаний космических аппаратов связи и навигации — Диполь-6.

6. Для подтверждения реализуемости системы построенной на основе разработанных методов проведено UML моделирование основных аспектов реализации ПО автоматизации испытаний.

Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты, которые выносятся на защиту:

1. Разработан метод разделения функциональностей действий испытаний предназначенный для построения универсального и модифицируемого программного обеспечения автоматизации испытаний.

2. Разработан метод построения редактора циклограмм с новым методом представления листинга циклограмм в древовидном виде.

3. Разработан метод построения интерпретатора циклограмм, реализующего параллельное выполнение циклограмм, а также поддерживающего последовательное выполнение циклограмм испытаний.

4. Разработана структура и базовые множества понятий проблемно-ориентированного языка испытаний космических аппаратов связи и навигации.

Значение для теории данной работы заключается в развитии методов проектирования программного обеспечения автоматизации испытаний КА связи и навигации.

Значение для практики и реализация результатов работы.

Разработанные методы внедрены в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственное объединение прикладной механики имени академика М.Ф.Решетнева» (НПО ПМ). Разработанные методы использованы в ходе создания для автоматизированной системы управления и информационно-телеметрического обеспечения (АСУИТО) «Раскат», системы подготовки и проведения испытаний состоящей из прикладного языка Диполь-6, редактора и интерпретатора циклограмм. Комплекс «Раскат» предназначен для проведения испытаний всех перспективных космических аппаратов разработки НПО ПМ. В частности для испытаний КА: «ГЛОНАСС-М», «ГЛОНАСС-К», «Луч-5А», «Экспресс-АТ» и др.

Кроме того, полученные в работе результаты используются в автоматизированной системе испытаний на ряде отдельных аппаратно-программных комплексов. В частности для испытаний КА «Гонец-М» и др.

Разработанный метод разделения функциональностей позволил оптимально и эффективно построить функциональные и структурные схемы редактора циклограмм и интерпретатора, ПО автоматизации испытаний в целом. Разработанная структура и базовые множества универсального прикладного языка испытаний, дают возможность построения специализированных языков испытаний, предназначенных для различных аппаратно-программных комплексов и объектов контроля. Структурный редактор циклограмм с древовидным представлением содержимого повышает эффективность подготовки испытаний, а интерпретатор, поддерживающий как параллельное, так и последовательное выполнение циклограмм, повышает эффективность автоматизированных испытаний.

Апробация диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались на VI Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск 2004), на шестой международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии» «АКТ-2005» (Воронеж 2005), на 4-й международной конференции «Авиация и космонавтика 2005» (Москва 2005), на IX международной научной конференции «Решетневские чтения», посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева (Красноярск 2005), на второй всероссийской научно-практической конференции творческой молодежи «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (Красноярск 2006), на XVII научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ, одна статья и 6 работ в материалах всероссийских и международных научно-практических конференций.

Структура диссертации. Диссертация изложена на 145 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и четырех приложений.

Список литературы

содержит 106 наименований. Работа иллюстрирована 26 рисунками и содержит 18 таблиц.

Основные результаты работы.

1. Исследован и формализован процесс функционирования испытаний космических аппаратов. Показано, что процесс функционирования характеризуется совокупностью параметров и управляющих воздействий. Показано что, ход выполнения испытаний может быть разбит на элементарные кванты выполнения — действия испытаний. Формализован соответствующий интерпретатор циклограмм, автоматизирующий выполнение испытаний с помощью циклограмм, заявок и процессов управления.

2. Разработан метод построения программного обеспечения автоматизации испытаний. В основу построения системы заложен разработанный метод разделения функциональностей. Предложенный метод разделения функциональностей позволяет оптимально и эффективно построить функциональные и структурные схемы редактора циклограмм и интерпретатора. Увеличить объем повторно используемого программного кода, что ускоряет разработку и упрощает сопровождение программных комплексов, повышает качество программного обеспечения. Модульное построение и метод разделения функциональности позволят упростить решение вопросов модернизации программного обеспечения, а также расширения ряда аппаратно-программных систем, где возможно использование данного программного комплекса.

3. Разработан метод построения структурного редактора циклограмм. Преимущества использования структурного редактора состоят в следующем: отсутствие этапа трансляции (соответственно нет необходимости разработки сложного синтаксического и семантического анализаторов) — «мгновенная» готовность к интерпретации. Проведен сравнительный анализ спрогнозированной скорости работы, показывающий эффективность структурного редактора. Разработан метод представления листинга циклограмм в древовидном виде. Метод позволяет получить полностью настраиваемое, управляемое пользователем, отображение листинга циклограмм.

4. Разработан метод построения интерпретатора циклограмм, реализующего псевдопараллельное выполнение циклограмм, а также поддерживающего приоритетное выполнение циклограмм испытаний. Кроме того, интерпретатор протоколирует выполнение операций. Возможно выполнение циклограммы с любой указанной операции с предварительной подготовкой контекста выполнения.

5. На основе применяемого в настоящее время языка испытаний Диполь-5К, для новой автоматизированной системы испытаний разработан универсальный проблемно-ориентированный язык испытаний космических аппаратов Диполь-6. Разработаны требования к прикладному языку испытаний космических аппаратов. Главный принцип состоит в том, что формирование языка испытаний должно быть основано на анализе проблемной области и принципах структурного программирования. Разработанные требования позволяют создать прикладной язык испытаний космических аппаратов с глубоким интегрированием в проблемную область, и средствами структурного программирования. Использование существующего задела обеспечивает легкость перехода пользователей со старого на новый прикладной язык. Разработаны компоненты структуры языка: иерархия конструкций, окружение языка, лексемы, типы данных, области действия, понятия, программные единицы, механизм подпрограмм, правила передачи параметров в циклограммы. Разработаны множества базовых понятий положенные в основу универсального языка. Основываясь на этом базисе, имеем возможность построения специализированных языков испытаний, предназначенных для конкретных аппаратно-программных комплексов, за счет расширения множества функциональных операций языка, в рамках разработанной структуры языка и на основе формализованного процесса функционирования.

6. Проведено моделирование основных аспектов реализации ПО автоматизации испытаний построенного на основе разработанных методов. Разработаны диаграммы, которые моделируют ключевые аспекты реализации метода разделения функциональностей действий испытаний. Для этих моделирующих диаграмм разработаны ключевые сущности и отношения между ними. Диаграммы разработаны для анализа структурной составляющей реализации метода разделения функциональностей, они формализуют структуру реализации, его основные сущности и характер взаимодействия между ними. Разработаны модели базовых типовых действий языка испытаний, которые позволяют достаточно просто классифицировать, разрабатывать и сопровождать конкретные действия языка испытаний. Разработана модель редактора циклограмм состоящая из набора диаграмм наглядно характеризующих как структурный аспект реализации редактора циклограмм, так и динамический аспект его построения. Также разработана модель интерпретатора циклограмм состоящая из набора диаграмм характеризующих структурный аспект реализации и набора диаграмм описывающих динамический аспект построения системы.

Разработанные методы проектирования внедрены в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственное объединение прикладной механики имени академика М.Ф.Решетнева» (НПО ПМ). Разработанные методы использованы в ходе создания для автоматизированной системы управления и информационно-телеметрического обеспечения (АСУИТО) «Раскат», системы подготовки и проведения испытаний состоящей из прикладного языка Диполь-6, редактора и интерпретатора циклограмм. Комплекс «Раскат» предназначен для проведения испытаний всех перспективных космических аппаратов разработки НПО ПМ. В частности для испытаний КА: «ГЛОНАСС-М», «ГЛОНАСС-К», «Луч-5А», «Экспресс-АТ» и др.

Кроме того, полученные в работе результаты используются в автоматизированной системе испытаний на ряде отдельных аппаратно-программных комплексов. В частности для испытаний КА «Гонец-М» и др.

Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам на структурный редактор циклограмм «Циклон», проблемно-ориентированный язык испытаний и интерпретатор циклограмм для аппаратно-программного комплекса испытаний системы электропитания Диполь-СЭП выданы свидетельства о регистрации программ для ЭВМ [12,13,21].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных в работе исследований разработаны методы построения программного обеспечения автоматизации испытаний космических аппаратов связи и навигации, а также структура и базовые множества понятий проблемно-ориентированного языка испытаний, повышающие качество и эффективность автоматизации испытаний.