Введение XX век стал веком освоения космического пространства (стр. 3 )

Командная радиолиния

       Командная радиолиния космического аппарата (КРЛ) необходима для возможности взаимодействия борового и наземного комплексов управления. К ней предъявляются жесткие требования по обеспечению достоверности передаваемой информации и команд (сообщений). С этой целью используется помехоустойчивое кодирование. От реализации методов достоверности передачи данных зависит качество принимаемой на НКУ телеметрической информации. КРЛ должна обеспечить передачу достаточного для анализа и принятия решения по управлению объема телеметрической информации с космического аппарата, при этом обеспечивая прием и первичную проверку управляющих воздействий, с целью недопущения искажений передаваемых управляющих воздействий. Современные командные радиолинии построены на совместном использовании релейных\разовых команд (РК) и блоков командно-программной информации (КПИ). Релейные команды исполняются в блоке разовых команд (бортовом дешифраторе), выходы которого подключены напрямую (в обход бортовой вычислительной системы) к различному бортовому оборудованию.  В качестве примера можно привести РК включения передатчика командной радиолинии, перезапуск бортовой вычислительной системы, включение системы обеспечения теплового режима и т. д.  КПИ, напротив, могут быть приняты и обработаны только с использованием бортовой вычислительной системы. Количество и формат КПИ зависит от решаемых КА целевых задач, и от концепции спроектированного бортового комплекса управления. В качестве примера информации, передаваемой при помощи различных типов КПИ можно привести:

-установку текущего бортового времени

-выдачу управляющих воздействий с абсолютной привязкой к временной шкале

-задание начальных условий движения для баллистических расчетов

-прием и запись модификаций ПО и т. д.

       В НКУ телеметрическая система КА отправляет определенным образом сформированные пакеты телеметрической информации. Сама по себе передача может осуществляться в режиме непосредственной передачи (НП) – передавая телеметрические данные о текущем состоянии КА, либо в режиме воспроизведения(ВП) ранее записанной информации, давая возможность анализировать состояние и поведение КА на длительном временном интервале. Телеметрическая информация является по сути единственным источником информации, позволяющем производить ретроспективную оценку состояния и поведения космического аппарата. Производимый на Земле анализ телеметрической информации позволяет сделать выводы о правильности работы алгоритмов управления КА, а также позволяет осуществлять подбор оптимальных коэффициентов, используемых в задачах управления КА.

Технологический цикл управления КА

Космический аппарат является объектом управления с большим автономным сроком работы. От момента отделения от разгонного блока ракеты носителя, до вывода аппарата из строя система управления КА должна постоянно выполнять возложенные на нее функции по обеспечению, как жизнедеятельности КА, так и по обеспечению выполнения целевых задач. В зависимости от состояния КА может находиться в следующих режимах[18]:

-автономном. Основной режим работы космического аппарата. В данном режиме осуществляется исполнения заложенной ранее программы управления, запись и анализ текущей телеметрической информации;

-сеансном. Режим, при котором космический аппарат взаимодействует с наземным комплексом управления. В сеансном режиме на Землю отправляется записанная ранее (или получаемая непосредственно в сеансе) телеметрия и принимаются команды управления;

-испытательном. Данный режим реализуется для наземной отработки отдельных систем космического аппарата и их взаимодействия.

       После отделения космического аппарата происходит активация системы энергоснабжения, которая в свою очередь подает питание на бортовую вычислительную машину и системы бортового комплекса управления. БВС должна осуществить реализацию заложенных в нее алгоритмов обеспечения ориентации КА. После отделения от разгонного блока ракеты-носителя БКУ КА должен выполнить следующие действия:

-Произвести самоконтроль;

-Определить текущие угловые скорости вращения корпуса КА и произвести их гашение при помощи исполнительных органов системы ориентации;

-Произвести ориентирование КА на Солнце, для обеспечения наилучшего притока электроэнергии от солнечных батарей;

-Производить разгрузку накопленного кинетического момента двигателей-маховиков;

-Произвести подрыв пиросредств солнечных батарей, и других приборов зачекованных при помощи данного технического средства;

-Произвести инициализацию командной радиолинии;

-Производить сбор, запись и анализ текущей телеметрической информации;

-Произвести заложенные в программу полета действия;

-Активировать механизм распознавания, протоколирования и парирования нештатных ситуаций.

       Дальнейшие программы работы загружаются с Земли во время сеансов связи. БВС космического аппарата должна обладать достаточными ресурсами для хранения массивов полетных заданий, своевременно их отрабатывать и производить протоколирование своей работы. В течение срока активного существования на орбите системы космического аппарата могут выходить из строя и должны быть определены как неисправные автоматически, либо по командам с Земли. Периодически различные системы КА требуют рекалибровки и перенастройки. Возможность обновления различных конфигурационных параметров различного объема одним из неоспоримых преимуществ использования БЦВМ. При нахождении в процессе полета КА ошибок в алгоритмах его управления может быть произведена коррекция программного обеспечения с целью исправления логики его работы.  Данный механизм используется очень редко, но позволяет производить существенное изменение функционирования КА.

ОСРВ их виды, механизмы, обзор рынка современных ОСРВ

Современный рынок ОСРВ предлагает десятки наименований ОС общего и специального назначения. Само понятие системы реального времени определяет, что при достижении какого либо результата работы важен не только сам результат, сколько его своевременность. Поэтому в качестве основного требования к ОСРВ выступает детерминированность поведения системы при наихудших внешних условиях. Дополнительным определением системы реального времени может служить тот факт, что работа системы соизмерима со скоростью протекающих процессов, с которыми данная система должна осуществлять взаимодействие. Несомненно, что при конвейерной обработке необходимо, чтобы рука манипулятора выполняла свои действия строго в обозначенное время, иначе процесс производства будет нарушен. Скорость протекания процессов, с которыми вынуждена взаимодействовать система реального времени могут различаться в разы. Так, скажем для управления зависанием вертолета на одном месте достаточно опрашивать датчики системы управления с частотой около пяти герц. При работе с реактором атомной электростанции необходимо получать актуальную информацию о процессах в реакторе и реагировать на них, для поддержания критического состояния реакции, значительно чаще.

Современная терминология, принятая для ОСРВ различает системы «мягкого» и «жесткого» реального времени. В системах «жесткого» реального времени неспособность обеспечить реакцию на внешние события в течении заданного интервала времени может привести к отказам и полной невозможности выполнения поставленной задачи. К системам «мягкого» реального времени относят системы, не попадающие под определение «жесткие», другими словами обеспечивающие достижение результата при наихудших условиях работы, и к заданному сроку в среднем[9]. Системы «мягкого» реального времени могут не всегда успевать решать поставленную задачу, но это не приводит к отказу системы в целом. В системах реального времени необходимо введение некоторого директивного срока исполнения задачи. В системах «жесткого» реального времени задача должна быть во что бы то ни было исполнена  к данному сроку. В системах же «мягкого» реального времени исполнение задачи в заданный временной интервал является желательным. Данный директивный срок используется планировщиком задач как для назначения приоритета задачи при ее запуске, так и при планировании работы процессов и называется дедлайном.

Основные черты «жесткой» системы (ОСРВ):

-гарантированное время реакции на внешние события (прерывания от оборудования);

-детерминированная подсистема диспетчеризации процессов (выполнение принципа невытеснения низкоприоритетными задачами высокоприоритетных задач);

-жесткие требования к максимальному времени реакции на внешние события или реактивности (задержка вызова обработчика аппаратного прерывания должно составлять не более десятков микросекунд, а задержка на переключении контекстов задач не более сотен микросекунд).

Мартин Тиммерман сформулировал следующие необходимые требования для ОСРВ[9]:

-ОС должна быть многозадачной и допускать вытеснение;

-ОС должна обладать механизмом приоритезации для планирования исполнения потоков;

-ОС должна реализовывать предсказуемые механизмы синхронизации;

-ОС должна обеспечивать механизм наследования приоритетов;

-Поведение ОС должно быть предсказуемым (задержки обработки прерываний, задержки переключения задач, задержки драйверов и т. д.), это означает, что должно быть определена реактивность системы для всех сценариев рабочей нагрузки.

В течение последних 25-30 лет структура операционных систем прошла эволюционный путь своего развития от монолитной к многослойной структуре ОС, и далее к архитектуре клиент-сервер.

Приведем перечисление основных архитектур ОСРВ:

-Монолитная архитектура. ОС определяется как набор модулей, взаимодействующих между собой внутри ядра системы и предоставляющих прикладному ПО входные интерфейсы для обращений к аппаратуре. Основной недостаток этого принципа построения ОС заключается в плохой предсказуемости её поведения, вызванной сложным взаимодействием модулей между собой, а также крайне плохая масштабируемость и отсутствие возможности изменения поведения системы на лету. При монолитной структуре построения ОС состоит из набора модулей, и изменения в одном из модулей способны оказать влияние на систему в целом. Сложность эксплуатации системы растет прямо пропорционально количеству используемых модулей. Помимо этого, крайне сложно, а порой невозможно распределить ОС для мультипроцессорного исполнения. Главным достоинством монолитной архитектуры является ее высокая производительность[29]