автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Методика, средства и программное обеспечение тестирования ретрансляторов СВЧ диапазона

604356

На правах рукописи

Стругов Сергей Александрович

Методика, средства и программное обеспечение тестирования ретрансляторов СВЧ диапазона

Специальность 05.12.07 Антенны, СВЧ - устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010 г.

1 О [!!0Н 2010

004604856

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр «СПУРТ» (г.Москва). Научный руководитель:

доктор технических наук, Ефимов Андрей Геннадьевич; Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бондаревский Аркадий Самуилович; кандидат технических наук, Лаушкин Геннадий Данилович;

Ведущая организация

ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ - Прогресс» - НПП «ОПТЭКС»

Защита диссертации состоится <¿¿¿5» (/ЛУ/^Л- 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета Д850.012.01 ГУП НПЦ «СПУРТ» по адресу: 124460, г.Москва, Зеленоград, 1-ый Западный проезд, д.4.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГУП НПЦ «СПУРТ».

Автореферат разослан <

л (М&Ф 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., с.н.с.

Петров В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТКА РАБОТЫ

Автоматизация промышленности в настоящее время выходит на передний план развития производственных процессов не только Российской Федерации, но и во всем мире, в том числе и в оборонной промышленности.

Космические аппараты это сложные многофункциональные комплексы, состоящие из модуля служебных систем и полезной нагрузки. Один из сложных классов космических аппаратов - бортовые ретрансляционные комплексы (БРК).

Автоматизированный БРК осуществляет ретрансляцию и обработку информации с Земли либо от центральной ЭВМ космического аппарата.

БРК представляет собой многоблочный комплекс, и для того, чтобы БРК правильно и надёжно функционировал на орбите, ещё на Земле должно быть проведено значительное количество тестовых проверок с целью устранения возможных неполадок всех функциональных элементов, узлов и устройств БРК в целом. Малейшая неточность в интерпретации данных или ошибочные результаты проверок могут свести на нет огромную работу большого коллектива людей и к потере дорогостоящего оборудования.

Один из самых сложных классов БРК - комплексы с активными фазированными антенными решетками (АФАР) СВЧ диапазона. Отличительной особенностью такого БРК является большое количество команд управления, телеметрических сигналов и информационных интерфейсов. Это обусловлено тем, что в каждом канале АФАР, фазовращатель может иметь более 8-ми фазовых состояний, а число каналов варьируется от десятков до единиц тысяч.

Состав частей, таких как различные периферийные устройства, блоки, модули, комплексов спутниковой связи может меняться, в зависимости от предъявляемых требований. Однако, для всех управляющих систем существуют одинаковые функциональные задачи, исходя из которых можно сформировать набор требований к тестирующему их аппаратно программному комплексу (АПК):

возможность осуществления технической диагностики;

наличие контроля работоспособности и возможность локализации неисправности;

по глубине детализации неисправности; по точности диагностирования; по надежности АПК;

производительность АПК должна соответствовать поставленной задаче тестирования и в полной мере обеспечивать возможность выполнения комплексом указанных задач с указанной точностью диагностирования с заданной глубиной детализации неисправности;

задача хранения и обработки массивов служебной и рабочей информации;

точность и качество проверки должны быть максимально допустимыми, вероятность неработоспособности проверяемого устройства, должна стремиться к нулю;

диагностирование должно проводиться за минимум времени, так как обычно испытания должны укладываться в сжатые сроки;

контроль аппаратуры должен проводиться в сопровождении минимума персонала и, в идеале, совсем исключить человеческий фактор;

' - разработка комплекса должна укладываться в сжатые сроки;

разработка комплекса должна проходить с наименьшими затратами; разработка комплекса должна проходить с максимальным применением существующих успешных решений;

комплекс должен обладать возможностью расширения и модернизации, для дальнейшего использования в перспективных и смежных проектах.

К настоящему времени теория и техника систем тестирования, как отдельное направление, развивается более 50 лет и используется практически на каждом этапе изготовления сложных систем. Многие вопросы систем тестирования отказов вычислительных машин и систем описаны в работах таких ученых, как Г.И. Фролова, P.A. Гембицкого, Г.Н. Капустиной, Чжен Г., Меннинг Е., Мети Т. а так же в отечественной и зарубежной периодике.

Проблемная ситуация в области объекта исследования заключается в том, что имеющиеся на данный момент методы построения средств тестирования, не позволяют оптимизировать решение задачи тестирования по критериям «сроки - цена - качество проверки» и поэтому не удовлетворяют требованиям практики (см. Таблицу 1). Несоответствие фактических методов синтеза средств функционального контроля бортовых ретрансляционных комплексов с АФАР СВЧ требуемым практическим критериям, определяет значимость проблемной ситуации, проявляется в результате их позитивного внедрения в промышленность и подтверждается справками о внедрении.

Объектом исследования диссертации являются средства функционального контроля бортовых ретрансляционных комплексов с АФАР СВЧ. Практические потребности в решении задач тестирования и предлагаемые на сегодняшний день методы построения тестовой аппаратуры находятся в состоянии поиска наиболее оптимального подхода для построения тестового аппаратно программного комплекса. Аппаратура для тестирования может быть специализированной, то есть разработанной для конкретного блока или устройства по аналогии с проверяемой аппаратурой, или, например, построенной по УХ1-технологии. И тот, и другой путь позволяет справиться с поставленной задачей по созданию тестового комплекса, но характеризуется высокой ценой, значительным временем изготовления, сложным заказным программным обеспечением.

Предметом исследования диссертации является метод синтеза средств функционального контроля БРК с АФАР СВЧ.

■ ' . Свойство

Наличие контроля работоспособности Наличие локализации неисправности

Разрешение Время подготовительных работ Время проверочных работ Безотказность

Ресурс Сохраняемость Сроки и оперативность разработки

Наличие документации Наличие технической поддержки Наличие программных библиотек Сертификация и гарантии Производителя Доступ к внутренним протоколам Наличие стандартных интерфейсов Доступность соединительных Элементов Возможность унификации Мощность Стоимость разработки Стоимость технического обслуживания

Стоимость целевого _обслуживания_

Модули 5САОА АОАМ4000

2

до узла 1

УХ1 системы 2 2

до узла 2

4

3

4

3

4 3

3

4

Специальное 2

до узла

Таблица 1. Сравнительная таблица характеристик различных вариантов построения АПК Примечание: оценка параметров составляющих элементов ЛПК дана по 5-бальной системе

Целью диссертации является преодоление выявленной проблемной ситуации диссертации - обеспечение посредством новых научных результатов диссертации следующих требований в области средств технического диагностирования бортовых ретрансляционных комплексов с АФАР СВЧ диапазона:

аппаратно программный комплекс должен иметь возможность разработки в сжатые сроки;

АПК должен быть доступен для эксплуатации в программной, аппаратной и документальной части;

АПК должен использовать открытые стандартные информационные интерфейсы для функционального наращивания или унификации в смежных проектах;

разработка и обслуживание АПК должны быть минимизированы.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи и подзадачи:

1. Исследована типовая структура бортовых ретрансляционных комплексов с АФАР СВЧ. Рассмотрены сигналы и интерфейсы функционирования БРК:

определены основные проблемы контроля и тестирования систем управления;

- рассмотрены современные подходы к построению комплексов тестирования;

2. Исследована концепция и рассмотрены принципы построения БСАБА -систем:

- проведен анализ развития и аспектов применения систем распределенного управления и контроля;

- проведен анализ технических характеристик платформ для систем распределенного управления и контроля;

- проведена интегральная оценка приоритетных систем;

3. Разработана методика синтеза аппаратно программного комплекса для функционального тестирования БРК:

- разработан рабочий алгоритм идентификации типовых неисправностей;

- разработан пошаговый метод синтеза средств функционального контроля БРК с АФАР СВЧ диапазона;

4. Выполнена практическая реализация нескольких тестовых комплексов. Заложены возможности идентификации смешанных неисправностей.

Новые научные результаты разработаны с целью преодоления проблемной ситуации:

- принцип группировки сигналов и интерфейсов, современных и перспективных БРК с АФАР СВЧ по функциональным признакам и степени пригодности для автоматизации тестирования управляющих систем;

теоретическое обоснование метода идентификации класса функциональных неисправностей БРК с АФАР СВЧ на основе теории графов;

- способ применения 8САБА - систем в качестве основы для синтеза средств функционального контроля БРК с АФАР СВЧ;

- ускоренный метод синтеза средств функционального контроля БРК с АФАР СВЧ;

- принцип многократного использования базовых модулей БСАБА - систем в рамках предложенного метода в управляющих блоках и устройствах систем спутниковой связи и радиолокации различного функционального назначения.

Апробирование новых научных результатов осуществлялось в процессе представления и обсуждения на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭТ, Москва, 2006, 2007, а также на собраниях молодых специалистов и НТС ГУП НПЦ «СПУРТ».

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 9-ти работах. Из них 4 статьи опубликованы в научно-технических журналах РФ из перечня ВАК Минобразования.

Личное участие соискателя в получении новых научных результатов диссертации выражается в числе единоличных публикаций, а так же единолично проведенных им обсуждений этих результатов на собраниях специалистов ГУП НПЦ «СПУРТ».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследования и анализа существующих методов создания тестовой наладочной аппаратуры и анализ вариантов синтеза подобных систем на основе ЗСАБА - систем, с выделением класса управляющих приборов систем спутниковой связи.

2. Модель типовых неисправностей и метод анализа типовых электрических соединений с помощью графоматричного отображения, позволяющая автоматизировать процесс диагностики.

3. Методика синтеза тестовой наладочной аппаратуры на основе модульного похода с использованием возможностей БСАБА - систем и использованием библиотек для математического обеспечения программного комплекса

4. Алгоритмы работы автоматизированного программного комплекса на основе методов проектирования БСАОА - систем.

Методы исследований.

В работе используется аппарат теории множеств, линейной алгебры, теория графов, методы объектно-ориентированного программирования.

Реализация результатов исследования.

Разработанный метод и программный комплекс с рекомендациями по организации АПК практически используются в ГУП НПЦ «СПУРТ» и ОАО «Ижевский Радиозавод», как для построения тестовых комплексов, так и для модернизации существующих.

Методические и теоретические результаты работы используются в учебном процессе Московского Института Электронной Техники по подготовке студентов, магистров и аспирантов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 155 страниц машинописного текста, 44 рисунка, 5 таблиц, и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы. Сформулированы основные направления исследований и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведено исследование структуры современных ретрансляторов и сделаны выводы о целесообразности применении централизированой системы управления, реализованной в центральном устройстве управления. Рассматриваемый БРК с АФАР СВЧ обработкой сигналов является полезной нагрузкой связного КА. Он осуществляет приём информационных сигналов от ЗС, их усиление, обработку (демодуляцию, декодирование с последующим кодированием и модуляцией несущих частот) и передачу на ЗС.

Особенностью рассматриваемого БРК является наличие СВЧ АФАР и связанное с этим большое количество команд управления, телеметрической информации и интерфейсов передачи данных, для управления СВЧ АФАР. Функцию обрабатывающего центра выполняет устройство управления (УУ) БРК.

Такое построение системы управления БРК с использованием УУ (так называемое централизованное управление) ведёт к существенному выигрышу по массе и потребляемой мощности устройств БР по сравнению с вариантом создания распределённой системы управления, в которой блоки и устройства БР управляются и телеметрируются непосредственно от БКУ. Вследствие I естественных ограничений БР по массе и потребляемой мощности такой выигрыш 1 является определяющим.

Кроме того, можно выделить следующие основные элементы БРК с АФАР ! СВЧ (Рисунок 1):

\ - приёмо-передающие устройства (антенны, конверторы частоты «вниз» и

| «вверх», усилители мощности);

- устройства обработки сигналов (УОС);

- устройство управления (УУ).

Рисунок 1. Строение бортового ретрансляционного комплекса - сигналы последовательного интерфейса (118-485) с БИВК.

УУ в составе БРК взаимодействует, с одной стороны, с устройствами БР, с другой стороны - с системами бортового комплекса управления (БКУ) КА, в том числе с командной системой, телеметрической системой (ТМ-системой) и бортовым информационно-вычислительным комплексом (БИВК).

УУ осуществляет командно-телеметрическое и информационное взаимодействие с системами БКУ следующими типами сигналов:

- разовые команды (РК) «провод-команда», поступающие от командной системы импульсами -27 В длительностью 0,2...0,6 с;

- ТМ-сигналы, выдаваемые УУ в ТМ-систему и подразделяющиеся на сигнальные (логические 0/1) и аналоговые (напряжение 0...6 В);

УУ для управления и телеметрирования устройств БР обменивается с ними сигналами следующих типов:

- импульсными командами управлениями (ИКУ) напряжением 3,4...5 В и длительностью 1...200 мс;

- кодовыми командами управления (ККУ), выдаваемыми из УУ последовательным 16- или 32-разрядным кодом в сопровождении тактовых импульсов;

- сигналами последовательных интерфейсов (115-232,118-485);

- дискретными и аналоговыми ТМ-сигналами.

Число РК, ТМ-сигналов, ИКУ определяется функциональной сложностью БР и достигает сотен штук для каждого типа команд или сигналов телеметрии. Все перечисленные типы управляющих и ТМ-сигналов задействованы в алгоритмах управления и контроля БР, которые для ретранслятора с обработкой сигналов и применением СВЧ АФАР характеризуются значительной сложностью и требуют достаточно высокого быстродействия управляющих блоков и устройств.

Во второй главе в качестве базовой модели построения АПК рассмотрены БСАОА - системы и выбрана наиболее приемлемая основа для создания АПК (см. Таблицу 1).

а) б)

в)

Рис. 2. Интегральная оценка характеристик пакетов а) ¿Р1Х, б)СЕЫЕ81832, в) СешОАд

Проведенный в главе анализ современных систем сбора данных и управления БСАБА позволил обозначить круг проблем проектирования сложной управляющей системы и способов ее проверки на различных этапах создания. На основе сравнительного анализа и рассмотрения принципов построения, интегрированных информационных систем для спутниковой связи дается классификация БСАОА-систем по принципу пригодности применения для тестирующих комплексов систем спутниковой связи, а также постановлена задача

на разработку распределенной модели контрольно-управляющей системы для тестирования и отладки цифровой управляющей системы.

В третьей главе рассмотрена задачи разработки метода тестирования с выделением класса тестируемой аппаратуры (Рисунок 3), типовых неисправностей указанной аппаратуры и рабочего алгоритма идентификации определенных типовых неисправностей. Большинство сигналов функционирующих в управляющих узлах одинаковые по своему типу (команды управления, телеметрические сигналы и интерфейсы). Каждый такой сигнал поступает на узел обработки. Отдельный узел обработки сигналов создается под набор одной или группы типовых сигналов одинаковой природы. Далее информация с узла идет на интеллектуальный модуль либо на решающее устройство, которые функционируют по алгоритмам полетного задания.

КЛАСС аппаратуры Аппаратура

Рисунок 3. Классификация проверяемой аппаратуры

Будем называть пространство распространения сигнала от входа аппаратуры до решающего устройства каналом. Далее происходит запись информации по различным адресам доступного порта решающего устройства

либо интеллектуального модуля и на основании этих данных происходит работа штатного математического обеспечения.

Тестируемая аппаратура представляет собой множество независимых друг от друга проводников, типа «команда-провод» (Рисунок 4).

вход

Iе

1-ый канал Н

>1

2-ый канал

п-ыи канал

>

—

5

|

| РС-104

« Решающее

3 устройство

&

да

"з |

X

0.

—1

]

ВЫХОД

вход

с

РС-104

Решающее устройство

—Е 1-ый канал 2-ый канал

ВЫХОД

—| п-ый канал

Рисунок 4. Схема тестируемой аппаратуры.

Вход представляет собой множество линий, на которые подаются либо логическая «1» (уровень напряжения 4.5 - 6 В), либо логический «О» (уровень напряжения 0 - 3.5 В).

Предложены методы синтеза, методы идентификации типовых неисправностей для подобной аппаратуры.

В качестве вывода по первой части необходимо отметить, что модульный подход на основе модулей ADAM 4000 серии, позволяет свести разработку АПК к следующим шагам:

Шаг 1. Определение вида сигналов. На этом этапе производится подсчет, анализ и определение физических характеристик всех типов регистрируемых сигналов тестируемой аппаратуры.

Шаг 2. Определение типов и количества модулей для построения АПК, охватывающий весь спектр сигналов описанных на шаге 1. На этом этапе производится анализ готовых решений предыдущих проектов, если такие решения есть, то применяем их.

Шаг 3. Расчет входных/выходных цепей для измерительной системы. На этом этапе производиться согласование входных/выходных сигналов с выходными/входными цепями модулей.

Шаг 4. Проектирование кабельной связи и посадочных мест. На этом этапе проектируется различные кабельные связи, выбираются наиболее рациональные и по эскизам кабелей создаются посадочные места для модулей.

Шаг 5. Программирование модулей. На этом этапе производится конфигурация модулей, настройка режимов работы, адресация и т.д.

Шаг 6. Написание управляющей программы. На этом этапе производится выбор алгоритма проверки и реализация его.

Шаг 7. Отладка АПК.

Шаг 8. Разработка инструкций оператору.

Требования на физические характеристики могут быть различны, источником их могут служить разные документы, например ТЗ.

В качестве рабочих алгоритмов идентификации неисправностей типа «Обрыв» и «Короткое замыкание» предлагается графоматричный алгоритм поиска на основе тестов «Бегущий (0)» и «бегущая (1)»

Также описан графоматричный метод идентификации неисправностей типа «Обрыв» и «Короткое замыкание».

Общий вид соединения представлен на рисунке 6.

Рис.6. Общий вид соединения

Обозначим контакты эталонного соединения в кабелях и шлейфах (по конструкторской документации) как:

Контакты в контролируемом соединении как:

{К} = К.....,к,,...,к,.

Пусть каждому контакту К' в эталонном соединении взаимнооднозначно соответствует один и только один контакт К, в контролируемом соединении, одинаковый по функциональному назначению и этим контактам соответствуют одинаковые номера, т.е.

К> К, е {К'},У К, е {К}

Это значит, что в контролируемом соединении между контактными площадками К, и К] дефект типа «Обрыв» присутствует тогда и только тогда, когда К, и К) не связаны, а соответствующие им контакты Л"'и К] в эталонном соединении связаны.

Будем считать, что в контролируемом соединении между контактными площадками К, и К] дефект типа «Короткое замыкание» присутствует тогда и только тогда, когда К, и К/ связаны, а соответствующие им контакты К' и К] в эталонном соединении не связаны.

Эти математические модели дефектов можно представит в виде графов.

Обозначим граф для контролируемого соединения как Ск, а граф эталонного соединения как Ск. Для схемы соединения (Рисунок 7а) граф соединения изображен на Рисунке 76.

Построим совмещенный граф соединений такой, что ьтым вершинам графов Ск и вк соответствует одна 1-я вершина графа и каждая пара этих вершин соединяется только двумя типами ребер ит и и02, причем первый тип ребер ит соответствует ребрам графа Ск, а второй и02 ребрам графа Ск.

В совмещенном графе вершины, которые соединяются только первым типам ребер, соответствуют контактам с дефектом типа «Обрыв», а только вторым типом ребер - контактам с дефектом типа «Короткое замыкание».

К1* КЗ о К5* К7°

сК2 □ К4 о Кб

а) Пример схемы контролируемого соединения с дефектом

©

Х1 Х2 ХЗ Х4 Х5 Х6 Х7

б) Граф соединения

Рис.7. Пример контролируемой схемы соединения и соответствующий граф соединений

Графоматричный метод идентификации неисправностей типа «Обрыв» и «Короткое замыкание» реализуется с помощью ЭВМ.

Описание соединения между любой парой контактов представлено матрицей соединений Мк:

А, если К| связана с К^;

(Мк), = 10, если не связана с К^.

Соединение между любой парой контактов в эталонном соединении задано с помощью эталонной матрицы соединений М^ .

Эта матрица может быть получена из матрицы эталона путем замены всех положительных элементов на единичные (+1). Тогда, в соответствии с математическими моделями неисправностей «Обрыв» и «Короткое замыкание», эти дефекты можно распознать по матрице «дефектов»

М „ = М I - м,

следующим образом:

1. Если в матрице М„ найдется хотя бы один элемент, имеющий значение (+1), то следует считать, что между контактными площадками контролируемого соединения, номера которых соответствуют координатам этого элемента, присутствует дефект типа «обрыв», а если не существует ни одного элементы, имеющего значение (+1), то дефект типа «обрыв» отсутствует;

2. Если в матрице Мд найдется хотя бы один элемент, имеющий значение (-1), то следует считать, что между контактными площадками контролируемого соединения, номера которых соответствуют координатам этого элемента, присутствует дефект типа «Короткое замыкание», а если не существует ни одного элемента, имеющего значение (-1), то дефекты типа «Короткое замыкание» отсутствуют.

Таким образом, все дефекты типа «обрыв» и «короткое замыкание» можно обнаружить, выполнив следующие операции

1. построить матрицу соединений для контролируемого соединения Мк;

2. построить матрицу соединений для эталонного соединения М^;

3. найти матрицы дефектов типа «Обрыв» и «Короткое замыкание» по формулам

м0=цм,|Н|м;-мл

Таким образом, синтез средств функционального тестирования управляющих узлов БРК с АФАР СВЧ сводится к выполнению нескольких шагов для создания АПК. Описанные неисправности и алгоритмы их идентификации являются типовыми и поэтому позволяют выделить класс аппаратуры для разработанного метода синтеза. Следует отметить, что графоматричный метод идентификации разработан для реализации в ЭВМ.

В четвертой главе дается описание реализации программно-аппаратного комплекса для контроля и управления процессом проверки и отладки цифровой системы. На основании материалов предыдущих глав представлен метод проектирования различных функциональных моделей АПК с учетом предложенной математической модели и их реализация на программном и аппаратном уровне. Анализ результатов практической реализации показал, что разработанная система программно-аппаратных средств позволяет решать поставленные задачи по тестированию и отладке управляющих систем.

Предусмотренные возможности АПК позволяют системе не только эффективно решать очерченный круг задач, но и расширяться, с учетом растущих потребностей и возможностей предприятий микроэлектронной промышленности Российской Федерации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ современных систем удаленного и распределенного управления и контроля отечественных и зарубежных производителей (iFIX, GENESIS32, GeniDAQ) с целью выявления наиболее подходящей для реализации на их основе АПК тестирования и отладки блоков и устройств.

2. Разработана и теоретически проверена математическая модель АПК тестирования и отладки блоков и устройств.

3. Разработан и теоретически проверен графоматричный метод идентификации типовых неисправностей.

4. Предложены и реализованы методы практического построения АПК на примере БРК с АФАР СВЧ.

Выводы по диссертационной работе

1. Проведена группировка современных аппаратных средств систем распределенного и удаленного контроля и управления по функциональным признакам и степени пригодности для автоматизации различных производственных процессов.

2. Предложены способы расширения аппаратных средств для тестирования и отладки с учетом особенностей управляющих систем. Приведена классификация SCADA-систем для построения программных сред операторских станций проверки, контроля и управления.

3. Разработан программно-аппаратный комплекс для управляющих узлов изделий 14Р53, 14Р53-01 и 14Р512, учитывающий особенности спутниковых систем. Предложены новые варианты аппаратной реализации сетевой структуры управляющей системы на основе различных промышленных интерфейсов. В предложенном комплексе рассмотрены возможности модернизации и расширения системы.

4. Предложена методика создания систем управления и контроля, обеспечивающая реализацию комплекса мероприятий по тестирования и наладке управляющих систем. В рамках разработанной модели управляющей БСАОА-системы реализован программно-аппаратный комплекс (АПК) тестирования и отладки управляющих систем, представляющий собой законченное устройство и интегрированную среду рабочей станции оператора. С помощью разработанного АПК возможна гибкая настройка контролируемых параметров и адаптированное для конечного пользователя управление ресурсами системы для выявления неработоспособных и некорректно работающих узлов или модулей системы и коррекции их параметров.

5. Разработаны структурные реализации модулей системы распределенного и удаленного контроля и управления для применения в ССС и предусматривающие возможность подключения к системе без изменения параметров и типа промышленной сети для отладочного комплекса.

Исследования показали, что созданный АПК обеспечивает комплексное тестирование, имеет гибко настраиваемую среду оператора рабочей станции и возможность расширения типа модулей за счет унификации параметров тестирующих устройств, входящих в состав АПК.

Результаты испытаний разработанного комплекса позволяют применять его как законченное средство отладки и тестирования управляющих систем.

Результаты работы использованы в проектно-конструкторской деятельности ГУП НПЦ «СПУРТ» при разработке и изготовлении систем управления бортовых ретрансляционных комплексов радиосвязи в следующем виде:

1. Технических предложений по повышению надежности проверок блоков, устройств и систем управления БРК с АФАР СВЧ;

2. Технических предложений по разработке программного обеспечения тестовых комплексов;

3. Методов построения тестовых наладочных комплексов;

5. Разработанного программного обеспечения;

6. Тестового контрольного комплекса.

По результатам разработок оформлена и в настоящий момент рассматривается заявка на патент.

Предложенные методики и технические решения применимы к широкому спектру разрабатываемых систем управления перспективных БРК. Использование указанных результатов позволяет повысить качество разрабатываемой тестовой аппаратуры и сократить затраты на разработку и изготовление систем управления БРК.

Результаты внедрены при выполнении работ по изделиям 14Р53,14Р53-01, I4P5I2.

Результаты отражены в следующих публикациях:

1. Стругов С.А., Шипунов A.B., Разумов P.A., Купцов Е.О. Особенности применения многофункциональных контроллеров для тестирования и отладки цифровых управляющих систем спутниковой связи // Межвузовский сборник «Информатика и управление» 2005г. стр.182.

2. Стругов С.А. Построение тестовой аппаратуры на основе модулей ADVANTECH // Современные Технологии Автоматизации, №1 2005г.

3. Стругов С.А. Отладочный комплекс для цифровых управляющих систем БРК КА // Тезисы докладов конференции «Микроэлектроника и информатика» 2006г. стр. 292.

4. Стругов С.А. Применение SCADA - систем в отладке цифровых систем управления. // Тезисы докладов конференции «Микроэлектроника и информатика» 2006г. стр. 295.

5. Стругов С.А., Юрова С.А., Круглик Е.А., Татарников A.B. Модульный подход к построению ТНА для цифровой аппаратуры БРК // «Естественные и технические науки» №5 2006г. стр. 153.

6. Стругов С.А., Юрова С.А., Круглик Е.А., Татарников A.B. Реализация аппаратной части ТНА отладки цифровой аппаратуры управляющей ССС на базе SCADA системы // «Естественные и технические науки» №5 2006г. стр. 158.

7. Стругов С.А., Круглик Е.А., Кузьменко Н.В. Фазовая частотная синхронизация высокоскоростного потока при малом значении отношения сигнал/шум // «Естественные и технические науки» №5 2006г. стр. 177.

8. Стругов С.А., Юрова С.А., Круглик Е.А., Татарников A.B. Применение SCADA-систем для отладки цифровых управляющих ССС // «Естественные и технические науки» №5 2006г. стр. 182.

9. Корнеева Г.В., Стругов С. А., Драгунов В.А. - Виды (поиск оптимальных) модулирующих сигналов двухфазной модуляции на выходе передатчика радиосигнала. // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С.Попова. Серия: Научная сессия, посвященная дню радио. Выпуск LXII. - М. - 2008, "Инсвязьиздат". - 478 с.

Принято к исполнению 24/05/2010 Заказ № 1371

Исполнено 25/05/2010 Тираж 100 экз.

ООО «5МСА» ИНН 7725533680 Москва, 2-й Кожевнический пер., 12 +7 (495) 604-41-54 www.cherrypie.ru

Введение.

Глава 1.

Обзор средств для разработки тестовой наладочной аппаратуры.

Структура бортового ретрансляционного комплекса.

Операций переключения радиочастот.

Обработка потоков.

Управление и телеметрический контроль бортового ретранслятора.

Выводы по главе 1.

Глава 2.

Аспекты применения SCADA систем для разработки тестовой наладочной аппаратуры.

Этапы развития SCADA — систем.

Концепция SCADA — систем.

Компоненты систем контроля и управления и их назначение.

Технические характеристики платформы для SCADA-систем.

Обзор средств сетевой поддержки.

Встроенные командные языки.

Встроенная среда разработки и исполнения сценарных процедур.

Общая оценка возможностей использования MS VBA.

Поддерживаемые базы данных.

Графические возможности.

Открытость систем.

Разработка собственных программных модулей.

Драйверы ввода-вывода.

Разработки третьих фирм.

Быстродействие исполняющей системы.

Взаимодействие с СУБД и другими внешними приложениями.

Аппаратная реализация связи с устройствами ввода/вывода.

Стоимостные характеристики.

Эксплуатационные характеристики.

Варианты проектирования АСУ ТП как процесс упрощения взаимодействия программиста и технолога.

Этапы создания многофункциональной автоматизированной системы управления технологическим процессом.

Типичные этапы программирования в SCADA-системах.

Этап 1: формирование статического изображения рабочего окна.

Этап 2: формирование динамических объектов (ДО) рабочего окна.

Этап 3: описание алгоритма отображения и управления.

Обзор современных систем СУД — SCADA.

Требования к SCADA-системам.

SCADA-пакеты, рассматриваемые в данном обзоре.

GENESIS32 — комплект инструментальных средств фирмы ICONICS для создания программного обеспечения верхнего уровня АСУ ТП.

Система Trace Mode фирмы AdAstra — российский пакет АСУ ТП.

Пакет Genie от фирмы Advantech.

Сравнительный анализ основных рабочих характеристик пакетов АСУ ТП Genesis фирмы Iconics, Trace Mode фирмы AdAstra, Genie фирмы Advantech.

Оценка качества документации.

Оценка технической поддержки российских разработчиков (локализации).

Оценка масштабируемости, полнофункциональности и надежности.

Оценка эффективности.

Оценка стоимости.

Выводы по главе 2.

Глава 3.

Разработка метода синтеза тестовой наладочной аппаратуры.

Постановка задачи на разработку метода.

Рабочий алгоритм идентификация дефектов типа «Обрыв» и «Короткое замыкание»

Тест «бегущий 0».

Тест «бегущая 1».

Модульный метод синтеза тестового оборудования.

Связь классов тестируемой и тестирующей аппаратуры.

Алгоритм метода синтеза.

Совмещенный метод синтеза тестовой аппаратуры.

Утверждение.

Доказательство.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Практическая реализация.

Варианты реализации функциональной модели.

Реализация модели программно-аппаратного комплекса для контроля и управления процессом отладки цифровой управляющей системы.

Анализ результатов реализации.

Компоненты системы контроля и управления АПК ССС.

Постановка задачи «Проверка входной телеметрии».

Постановка задачи «Проверка импульсных команд управления».

Постановка задачи «Проверка выходной телеметрии».

Постановка задачи «Проверка Разовых команд».

Выводы по главе 4.

Выводы по диссертационной работе.

С каждым десятилетием нарастают темпы освоения космоса. Современные многочисленные потомки первого искусственного спутника Земли заняли различные орбиты в околоземном пространстве. Их роли и решаемые задачи различны. Здесь представлены спутники связи, метеорологические, спутники экологического мониторинга, специального назначения, научные и даже учебные.

Сложнейшая аппаратура космического аппарата (КА), функционирует согласно заложенной программе автоматически либо по командам с Земли. Для того чтобы КА правильно и надёжно функционировал на орбите, ещё на Земле должно быть проведено большое количество проверок и тестов с целью устранения возможных неполадок.

Для решения данной проблемы обычно используют специально создаваемый аппаратно-програмный комплекс (АПК) и тестовую наладочную аппаратуру (ТНА). Как правило, проверочная (тестирующая) система состоит из аппаратной и программной частей [1].

Современное развитие цифровых технологий микроэлектроники базируется на новейших разработках отечественных и зарубежных производителей. Особенно высокие требования по надежности, быстродействию, стоимости, простоте обслуживания предъявляются к управляющим системам спутниковой связи[2]. В целом задачи, которые решает система управления цифровыми устройствами, применительно к выбранной области промышленности, можно сформулировать следующим образом:

- Преобразование различных интерфейсов периферийных устройств.

- Цифровая обработка сигналов.

- Осуществление управления периферийными устройствами.

- Контроль работоспособности составных частей и узлов изделия.

- Задача хранения и обработки массивов служебной и рабочей информации.

Очевидно, что предполагаемый АПК должен в полной мере решать задачи тестирования подобных устройств[3].

Состав частей (периферийных устройств, блоков, модулей) комплексов спутниковой связи может варьироваться от предъявляемых требований (структурный состав разрабатываемых систем напрямую зависит от функциональных особенностей). В зависимости от назначения системы (стационарная, подвижная, переносная, бортовая и прочее) задачи, решаемые управляющей системой, входящей в состав комплекса меняются: к примеру, в отличии от подвижной, стационарная система имеет постоянные координаты и не меняет своего положения, следовательно, решения задачи навигации не требуется и требования по быстродействию системы значительно уменьшаются. Однако, для всех цифровых управляющих систем существуют одинаковые функциональные задачи. Прежде всего, такой универсальной задачей является сопряжение различных интерфейсов устройств, входящих в состав комплекса [4]. Также к таким задачам относится математическая обработка потоков информации на больших скоростях. Немаловажной функциональной особенностью почти всех цифровых управляющих схем в системах спутниковой связи является возможность контролировать работоспособность узлов изделия (контроль телеметрических сигналов блоков или модулей, самоконтроль изделия в целом, контроль антенной решетки или ее части и подобные специфичные задачи).

В итоге мы должны получить АПК который бы удовлетворял следующим требованиям:

- точность и качество проверки должны быть максимально допустимыми (вероятность нерабоспособности проверяемого устройства, должна стремиться к нулю);

- проверка должна проводится за минимум времени, так как обычно испытания должны укладываться в сжатые сроки;

- контроль аппаратуры должен проводится в сопровождении минимума персонала;

- оперативная разработка комплекса;

- разработка комплекса должна проходить с наименьшими затратами;

- разработка комплекса должна проходить с применением существующих решений;

- комплекс должен обладать возможностью расширения и модернизации.

Предлагаемый вариант модульного подхода к созданию аппаратуры для тестирования БР заключается в использовании недорогих специализированных модулей ввода\вывода сигналов и данных разных типов.

Результаты работы использованы в проектно-конструкторской деятельности ГУЛ НПЦ «СПУРТ» при разработке и изготовлении систем управления бортовых ретрансляционных комплексов радиосвязи в следующем виде:

1. Технических предложений по повышению надежности проверок блоков, устройств и систем управления БРК;

2. Технических предложений по разработке программного обеспечения тестовых комплексов;

3. Методов построения тестовых наладочных комплексов;

5. Разработанного программного обеспечения

6. Тестового контрольного комплекса.

По результатам разработок оформлена и в настоящий момент рассматривается заявка на патент.

Предложенные методики и технические решения применимы к широкому спектру разрабатываемых систем управления перспективных БРК. Использование указанных результатов позволяет повысить качество разрабатываемой тестовой аппаратуры и сократить затраты на разработку и изготовление систем управления БРК.

Результаты внедрены при выполнении работ по изделиям 14Р53Д4Р53-01, 14Р512.

1. Авдеев Е.В., Еремин А.Т., Норенков И.П., Песков М.И. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике. М.: "Радио и связь", 1986.

2. Автоматизация проектирования. Сб. научных статей. Выпуск 2* Автоматизация проектирования систем программно-логического управления / под ред. Трапезникова В.А. М.: "Машиностроение", 1990.

3. Автоматизированное проектирование систем управления / под ред. М. Джамишиди, Ч.Дж. Хергета.-М.: "Машиностроение", 1989.

4. Р. Ахметсафин, Р. Ахметсафина, Ю. Курсов. Разработка тренажеров и отладка проектов АСУ ТП на базе пакетов MMI/SCADA //Современные технологии автоматизации. — 1998. — № 3. — С. 38^-1.

5. Ахо А., Сети Р., Ульман Дж. Компиляторы. Принципы, технологии, инструменты. М.: "Вильяме", 2001.

6. B.C. Балакирев и др. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управления. —М.: «Энергия», 1967.

7. Беллами Дж. Цифровая телефония. М.: "Радио и связь", 1986.

8. Берестовая С.Н., Перевозчикова O.JL, Романова В.М., Ющенко E.JI; под ред. Ющенко E.JI. Конструирование систем программирования обработки данных. -М.: "Статистика", 1979.

9. Боэм Б.У. Инженерное проектирование программного обеспечения. -М.: "Радио и связь", 1985.

10. Брукс Ф. Мифический человеко-месяц или как создаются программные системы. -М.: "Символ-Плюс", 1999.

11. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование. СпБ.: "Невский диалект", 1998.

12. Вендров A.M. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем. М.: "Финансы и статистика", 2000.

13. Вендров A.M. СА8Е-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. М.: "Финансы и статистика", 1998.

14. Вильяме Л. Системное программирование в \Утс1о\У8 2000 СпБ.: "Питер",2001.

15. Гагарина Л.Г., Разумов Р.А., Шипунов А.В. Применение турбо кодов для решения проблемы помехоустойчивого кодирования // «Оборонный комплекс -научно-техническому прогрессу России»: Межотраслевой научно-технический журнал. -М., №4 2002, -С. 33-38.

16. Гольдштейн Б.С. и др. ГР-телефония. М.: Радио и связь, 2001.

17. Гребешков А. Ю. Стандарты и технологии управления сетями связи. М.: "Эко-трендз", 2003.

18. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. СПБ.: Питер, 1999.

19. Даленбах Д., Мирошников Д.Г. Единая система технической эксплуатации сети связи // Вестник связи. 1996. - N12. - с. 23-27.

20. Иванова Т.Н. Абонентские терминалы и компьютерная телефония. -М,: Эко-Трендз, 1999.

21. Иванова Т.И. Компьютерные технологии в телефонии. М.: "Эко-трендз",2003.

22. Иванова Т.И. Корпоративные сети связи. М.: "Эко-трендз", 2001.

23. Казенное Г.Г., Соколов А.Г. Основы построения САПР и АСТПП -М.: "Высшая школа", 1989.

24. Кальянов Г.Н. СА8Е. Структурный системный анализ (автоматизация и применение). М.: ЛОРИ, 1996.

25. Князев Г.К. Система управления сетью как источник новых доходов // Вестник связи. 2001 - N1. - с. 26-29.

26. Компанией Р.И., Маньков Е.В., Филатов Н.Е. Системное программирование. Основы построения трансляторов. СпБ.: "КОРОНА принт", 2000.

27. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические основы САПР. М.: "Энергоатомиздат", 1987.

28. Крейнес А. Компьютерная телефония в приложениях. // Открытые системы 1996, - N2. - с.43-47.

29. Крейнес А. Программное обеспечение систем компьютерной телефонии. // Открытые системы 1996. - N4. - с.29-32.

30. Липаев В.В. Проектирование программных средств. М.: "Высшая школа", 1990.

31. Липаев В.В. Системное проектирование сложных программных средств для информационных систем. М.: СИНТЕГ, 1999.

32. А.А. Маслов, С.И. Ушаков. Пакет анализа/моделирования в реальном времени систем автоматического управления/регулирования «AutoCont II» //Наука — производству. —2000. — № 2. — С. 55-57.

33. Невдяев Л.М. Мобильная связь 3-го поколения. М.: "Международный центр НТИ", 2000.

34. Норенков И.П., Маничев В.Б. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры. М.: "Высшая школа", 1983.

35. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы, СпБ.: "Питер", 2001.

36. Основные положения развития Взаимоувязанной сети связи Российской федерации на перспективу до 2005 г. Руководящий документ. Книга 8. М: ЦНТИ "Информсвязь", 1996.

37. Пратг Т., Зелковиц М. Языки программирования. Разработкам реализация. 4-е издание М.: "Питер", 2002

38. Рихтер Дж. Windows для профессионалов. 4-е издание М.: Русская редакция "Мюгозой Ргезз", 2001 .

39. Роджерсон Д. Основы СОМ. М.: Русская редакция "Мюгозой Ргезз", 2000.

40. Росляков А.В. и др. Центры обслуживания вызовов (Call Cenler). -М.: "Эко-трендз", 2002.

41. Скоробутов А.Ю., Соколов А.Г. Автоматизация разработки программ для тестирования, настройки и мониторинга цифровых телекоммуникационных систем. Принято к публикации в журнале "Известия вузов. Электроника" в N6 2003.

42. Скоробутов А.Ю. Особенности реализации программных диагностических комплексов для цифровых систем связи. // Сб. докладов VIII международнойнаучно-технической конференции "Радиолокация, Навигация, Связь". Воронеж, ВГУ, 2002. том 2 -С 1061-1065.

43. Мельникова Н.Ф. Средства измерений для цифровых систем передачи. // Технологии и средства связи 2003. - N3. - с. 24 - 31.

44. Мельникова Н.Ф. Тенденции развития средств измерений электросвязи. // Каталог "Технологии и средства связи", 2003.

45. Скоробутов А.Ю. Программные диагностические системы для цифровых телекоммуникационных сетей. // Межвузовский сб. "Научные основы технологий, материалов, приборов и систем электронной техники". М.: МИЭТ, 2002. - с237-244.

46. Страуструп Б. Язык программирования С++. 3-е издание. СпБ.: "Невский диалект", 2000.

47. Хопкрофт Д., Мотвани Р., Ульман Дж. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений. 2-е издание М.: "Вильяме", 2002.

48. Бакланов И.Г. Аббревиатуры, применяемые при измерениях в ИКМ-системах. //Сети и системы связи 1998. -N2

49. Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи. М.: "Эко-трендз",1999.

50. Бакланов И.Г. Тестирование и диагностика систем связи. М.: "Эко-Трендз",2001.

51. Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. -М.: "Эко-Трендз", 1998.

52. Бакланов И.Г. Технологии измерений первичной сети в 2-х частях. -М.: "Эко-трендз", 2000.

53. Стругов С.А., Шипунов А.В., Разумов Р.А., Купцов Е.О. Особенности применения многофункциональных контроллеров для тестирования и отладки цифровых управляющих систем спутниковой связи // Межвузовский сборник «Информатика и управление» 2005г. стр.182

54. Эндрюс Г.Э. Основы многопоточного параллельного и распределенного программирования. М.: "Вильяме", 2003.

55. Dialogic. Products & Services guide. 1996.

56. Embley D., Kurtz В., Woodfield S. Object-Oriented Systems Analysis, A Model-Driven Approach. Englewood Cliffs, New Jersy: Yordon Press, 1992.

57. Стругов C.A. Построение тестовой аппаратуры на основе модулей ADVANTECH // СТА, 2 квартал 2005г.

58. Стругов С.А. Отладочный комплекс для цифровых управляющих систем БРК КА // Тезисы докладов «Микроэлектроника и информатика» 2006г. стр. 292

59. Стругов С.А. Выступление на конференции «Микроэлектроника и информатика» 2006г.

60. Стругов С.А., Юрова С.А., Круглик Е.А., Татарников А.В. Модульный подход к построению ТНА для цифровой аппаратуры БРК // «Естественные и технические науки» №5 2006г. стр. 153

61. Стругов С.А., Юрова С.А., Круглик Е.А., Татарников А.В. Реализация аппаратной части ТНА отладки цифровой аппаратуры управляющей ССС на базе SCADA системы // «Естественные и технические науки» №5 2006г. стр. 158

62. Стругов С.А., Круглик Е.А., Кузьменко Н.В. Фазовая частотная синхронизация высокоскоростного потока при малом значении отношения сигнал/шум // «Естественные и технические науки» №5 2006г. стр. 177

63. Стругов С.А., Юрова С.А., Круглик Е.А., Татарников А.В. Применение SCADA-систем для отладки цифровых управляющих ССС // «Естественные и технические науки» №5 2006г. стр. 182

64. Goad P., Yourdon Е. Object-Oriented Analysis, Second Edition, Englewood Cliffs, New Jersy: Yordon Press, 199L

65. Jhong Sam Lee, Leonard E. Miller CDMA Systems. Engineering Handbook. London: Artech House, 1998.

66. Lakos J. Large-Scale С++ Software Design. Berkeley, California: Addison-Wesley, 1996.

67. Martin J., Odell J, Object-Oriented Analysis and Design, Englewood Cliffs, New Jersy: Prentice-Hall, 1992.

68. Oney W. Programming The Microsoft Windows Driver Model. Redmond, Washington: "Microsoft Press", 1999.

69. Proposed Focused Program on: Operations and Management of Information Networks // National Institute of Standards and Technology Advanced Technology Program. October 1994. http://www.cs.columbia.edu/dcc/classes/E6998-025/References/atpwpf.ps 3.09.2002.

70. Rubin K„ Goldberg A. Object Behavior Analysis. // Communications of the ACM vol. 35 (9), September 1992.

71. SDK Dialogic. Техническая документация фирмы Dialogic Corporation.1. УТВЕРЖДАЮ

72. Начальник отделения 21 ^ttu^i^ Г.Д. Стах1. М.В.Зацепин1. Начальник отдела 2121. Е.О. Купцов