автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Многоуровневые распределенные системы автоматизации наблюдательных пунктов в радиоастрономии

РГб од

' 7 ОКТ 1998

На правах рукописи

ЗЕНЗИН Александр Степанович

МНОГОУРОВНЕВЫЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ ПУНКТОВ В

05.13.16 - «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РАДИОАСТРОНОМИИ

Новосибирск

1998

Работа выполнена в Конструкторско-технологическом институте вычислительной техники Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: член-корреспондент РАН

Васьков Семён Тимофеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Нифонтов Владимир Иванович

кандидат технических наук, с. н. с. Борисов Борис Дмитриевич

Ведущая организация: Защита состоится

диссертационного совета К 003.06.01 при Институте автоматики и электрометрии СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск-90, просп. акад. Коптюга, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАиЭ СО РАН

Автореферат разослан « Ф 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного совета /

к. ф.-м. н. Л 1 ^У' Ильичёв Л.В.

Новосибирский государственный университет

{ & 1998 г. в ('(/ часов (а) на заседании

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие современной радиоастрономии базируется на создании новых инструментальных средств - радиотелескопов, в которых реализуется комплекс современных систем регистрации и обработки сигналов, радиометрических систем контроля параметров атмосферы и систем контроля параметров больших антенн, различных информационных систем на базе спутниковых и традиционных каналов связи. Кроме того, в состав радиотелескопа могут включаться радиотехнические системы контроля параметров траекторий искусственных спутников земли, системы контроля метеорологической и геофизической обстановки, сложные автономные системы частотно-временной синхронизации для обеспечения радиоинтерферометрического режима работы комплекса из нескольких радиотелескопов - наблюдательных пунктов.

Системы автоматизации наблюдательных пунктов должны обеспечивать контроль и управление комплексным оборудованием радиотелескопов и подсистемами сбора, передачи, обработки и представления экспериментальной и служебной информации. Особенности таких систем обусловлены спецификой параметров радиоастрономической аппаратуры (высокая чувствительность, широкая полоса регистрируемых частот и т. д.), широкой номенклатурой экспериментального оборудования радиоастрономических комплексов, часто производимого без учета возможностей • его комплексирования в единую систему; длительной реализацией проектов, приводящих к необходимости разработки автоматизированных систем в условиях неполной и недостаточной априорной информации о постоянно совершенствующемся оборудовании и методиках; высокой дина-

мичностью и необходимостью обеспечения единой синхронизации объектов управления, удаленных друг от друга на тысячи километров; необслуживаемым режимом работы удаленных наблюдательных пунктов с загрузкой и диагностикой по информационным каналам из центра управления и обработки данных (ЦУОД); длительным сроком эксплуатации. На основе системного подхода необходим анализ этих особенностей, оценка математических моделей систем и разработка требований к проектированию аппаратно-программных средств.

Таким образом, построение концептуально целостной модели систем контроля и управления наблюдательными пунктами (СКУ НП), выбор архитектур, разработка аппаратно-программных средств и алгоритмов их взаимодействия, а также обеспечение отказоустойчивости систем представляют собой актуальную проблему для создания многоуровневых распределенных систем автоматизации в радиоастрономии.

Настоящая работа проводилась в рамках Постановления ЦК КПСС №137 - 47 от 27.01.86г. и решения Госкомиссии правительства РФ №17111 от 18.03.92 г., а также в соответствии с планами НИОКР Конструктор-ско-технологического института вычислительной техники СО РАН по темам: "Система контроля и управления наблюдательного пункта КВАЗАР-КВО" (1989-91гг.); "Разработка алгоритмов профилактической тестирующей системы" (1992г.).

Целью работы является разработка, исследование и создание автоматизированной системы контроля и управления наблюдательного пункта радио-интерферометрического комплекса КВАЗАР.

В соответствии с целью работы основные задачи исследования заключаются в следующем:

•анализ особенностей автоматизированной СКУ НП и определение требований, предъявляемых к ней в современной радиоастрономии; •построение и исследование модели, разработка архитектуры СКУ НП; •разработка унифицированных аппаратных средств и базовых конфигураций для построения локальных подсистем СКУ НП;

•создание и исследование экспериментального образца СКУ НП, его комплексные испытания и внедрение в радиоинтерферометрическом комплексе КВАЗАР.

Методы исследований, использованные в данной работе, основаны на применении системного подхода, общей теории систем, моделирования, теории вычислительных систем, а также методов и средств современной вычислительной техники.

Научная новизна:

•впервые определены требования, предъявляемые к СКУ НП в радиоастрономии, и функции, которые она должны выполнять для реализации радиометрического и радиоинтерферометрического режимов работы радиотелескопов;

•предложена модель автоматизированной СКУ НП, исследования которой подтвердили целесообразность её реатизации как многоуровневой распределенной системы и позволили определить основные структурные компоненты системы;

•разработана архитектура СКУ НП; обладающая возможностью дистанционной переконфигурации по информационным каналам и позволяющая эффективно развивать систему по мере изменения и наращивания выполняемых функций;

•предложены способы повышения отказоустойчивости системы, обеспечивающие необходимый уровень живучести аппаратного комплекса СКУ НП за счёт совершенствования её структурной организации и уменьшения времени обнаружения отказа элементов при тестировании.

Практическая ценность и внедрение результатов работы: •разработана, создана и внедрена СКУ НП радиоинтерферометрического комплекса КВАЗАР, проведены ее комплексные испытания с подсистемами наблюдательного пункта в ИПА РАН, г. Санкт-Петербург; •разработан набор аппаратных и программных средств для построения многоуровневых распределенных систем автоматизации в радиоастрономии, включающий более 40 типов новых компонент и 7 типов унифициро- ■ ванных базовых конфигураций - станций и стендов для оснащения радиотелескопов. На Опытном заводе СО РАН освоен серийный выпуск этого оборудования в 1990-1993 г.г.;

•предложенная архитектура, а также ряд внедрённых в серийное производство аппаратных средств СКУ НП использованы при создании головной автоматизированной системы управления энергоблоками тепловых электрических станций.

)сновпые положения, выносимые на защиту:

модель автоматизированной СКУ НП с учетом требований, предъявляемое к реализации радиометрического и радиоинтерферометрического ре-симов работы радиотелескопов;

архитектура многоуровневой распределенной СКУ НП радиоинтерферо-[етрических комплексов;

многоуровневая распределенная система автоматизации наблюдательно-о пункта радиоинтерферометрического комплекса КВАЗАР; результаты исследований надежности и отказоустойчивости аппаратно-рограммных средств автоматизированной системы.

.пробация работы. Основные положения и результаты работы доклады-ались и обсуждались на XXI Всесоюзной радиоастрономической конфе-енции (Ереван, 1989 г.), на XXIV Всесоюзной школе по автоматизации аучных исследований (Апатиты, 1990 г.), на научно-технических семина-зх (1990-91 гг.) Института прикладной астрономии АН СССР, на V Меж-ународной школе-семинаре "Автоматизация исследований в ядерной фи-1ке и астрофизике"(Сочи, 1992 г.) и на XXV Радиоастрономической кон-еренции (Пущино, 1993 г.).

убликацмн. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, ре-гльтаты исследований и разработок изложены также в 3 научно-:хнических отчетах и пояснительных записках по НИОКР, в которых ав->р являлся научным руководителем.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (59 наименований), четырёх приложений, 6 рисунков и 8 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 исследуются особенности НП, входящего в состав радио-интерферометрического комплекса, как объекта автоматизации. Показано, что в его состав входят 8 основных систем, которые могут использоваться как автономно, так и в комплексе, обеспечивая два основных режима наблюдений космических радиоисточников - радиометрический и радиоин-терферометрический. Описано взаимодействие систем и формирование потоков информации в НП. Показано место СКУ НП в этом взаимодействии и уточнена цель диссертационного исследования.

Анализ уровня реализации существующих автоматизированных систем радиоастрономических комплексов показал их индивидуальность в выборе способов и средств реализации, отсутствие преемственности развития таких систем и расширения их функциональных возможностей. Существующие системы не обеспечивают требуемую многофункциональность применения радиоастрономических систем и их комплексную автоматизацию, не предусматривается комплексирование их в более сложные системы по уровням иерархии. Аппаратные средства этих систем реализованы в основном в лабораторном исполнении.

На основе анализа автоматизированных систем радиоастрономических комплексов сформулированы требования к СКУ НП. К ним отнесены прежде всего требования реализации централизованного управления всем комплексом подсистем НП с возможностью автономного, т. е. ориентиро-

ванного на «технологические» подсистемы, управления и построения многоуровневой системы автоматизации. Многофункциональность задач НП требует реализации архитектуры системы управления, ориентированной на частую локальную или производимую дистанционно из ЦУОД её переконфигурацию. Обоснована необходимость построения распределённой СКУ НП с использованием локальных сетей передачи информации и принятия мер по увеличению её надёжности. В результате сделан вывод о неприемлемости использования существующих систем автоматизации радиоастрономических комплексов для реализации СКУ НП вследствие несоответствия их предъявляемым к СКУ НП требованиям и выполняемым ею функциям. Для реализации этих требований необходимо создание автоматизированной системы управления, адекватно соответствующей объекту управления, на основе построения и исследования её модели.

В главе 2 предложена модель, проведено её исследование, а также выполнены исследования основных компонент многоуровневой распределенной системы автоматизации НП. На основе принципов системного подхода определены этапы создания модели СКУ НП, которая построена как совокупность конечного числа описаний, между которыми установлены некоторые отношения: )>■}•

где - модель системы, ,} - описание системы с ¡-той точки зрения, им - совокупность отношений описаний. Частные описания модели СКУ НП (1) (как метасистемы) определены с различных точек зрения: объектов исследования ), что характеризует адаптируемость СКУ НП к иерар-

хии классов радиоастрономических объектов, пользователей системы )> решаемых задач ) и средств реализации ).

Для каждого частного описания определены совокупности процессов и отношения выделенных процессов между собой и остальными процессами СКУ НП.

На основе введенных понятий базисных и функциональных процессов, процессов технологического объекта управления (ТОУ), а также принятых соглашений построены иерархии частных описаний модели СКУ НП, которые определяют выполняемые функции и связи этих функций между собой в СКУ НП как целостной системе. Эти иерархии рассмотрены для моделей ) и ), т. к. они в совокупности представляют

СКУ НП как систему, обеспечивающую автоматизированное управление оборудованием радиотелескопа.

Процессы формирования и управления схемой эксперимента

представлены совокупностями функциональных процессов (ФП)

(Хзг), и процессов ТОУ (£!?")• Частное описание ) в этом случае:

Каждый }-й процесс в (2) состоит из совокупности процессов взаимодействия с подсистемами НП, которые определяются следующими по иерархии описаниями £. Для модели при решении задачи наблюдения космических радиоисточников (¡=1) описание имеет вид:

1

(2)

(3)

где Я?31„- имена отношений процессов, местности не более двух.

Модель подсистемы взаимодействия с ТОУ для совокупности процессов ТОУ Хкм представлена следующим уровнем иерархического описания функциональных процессов £ Э11:

Выражения (2) - (4) и аналогичные выражения для частного описания ) отражают совокупность принятых соглашений, составляющих

содержание СКУ НП. На основе описанной модели СКУ НП, выделенных в ней компонент, определения связей между ними и использования функционального признака их объединения в группы, решающие однородные задачи, построена структура СКУ НП, приведенная на рис. 1.

Структура системы представлена в виде иерархии подсистем. На нижнем уровне иерархии находится подсистема взаимодействия с ТОУ, далее расположены подсистемы локального управления, связи управляющих программ и конфигурирования. Верхнему иерархическому уровню соответствует подсистема оперативного управления НП. В структуре отражены задачи подготовки и проведения наблюдений, организации взаимодействия с экспериментальными данными, формирования основных функций взаимодействия с ТОУ и тестирования.

Предложенная структура обеспечивает реализацию основных требований к СКУ НП и является основой для построения архитектуры системы с использованием современных средств вычислительной техники и мик-ропрограммируемых контроллеров.

(4)

Рис. 1.

Структура

СКУНП

В главе 3 рассмотрены требования к основным элементам архитектуры СКУ НП, приведены характеристики периферической шины, подробное описание которой и расчет её производительности изложены в приложении 1. Рассмотрены также обобщённая структурная схема, структура программных компонент и методы обеспечения отказоустойчивости СКУ НП.

Архитектурные решения СКУ НП основаны на использовании концепции построения автоматизированных производств (MAP) и разработанной модели системы. Анализ оценок максимальных потоков сигналов контроля и управления определил требования к микроконтроллеру и периферической шине. Микроконтроллер в СКУ НП должен быть реализован как минимум на базе 16 разрядного микропроцессора (например, К1801ВМ2), а периферическая шина должна иметь производительность не менее 100 Кбайт/с и обеспечивать взаимодействие до 50 узлов сети с максимальным удалением узлов до 2 км.

Архитектура аппаратного комплекса СКУ НП, реализованная на основе разработанной модели и соответствующей ей структуры СКУ НП, приведённой на рис.1, представлена в виде обобщённой структурной схемы, которая содержит основные компоненты уровня оперативного управления НП, подсистемы СКУ НП и план их размещения в кабинах и помещениях радиотелескопа. Оперативное управление НП реализовано с помощью терминалов центрального пульта и цветных графических станций. Реализованы также подсистемы регистрации аварийных событий и резервного управления. Показано соответствие элементов структурной схемы разработанной модели СКУ НП.

Структура программного обеспечения (ПО) описана на примере осуществления рабочего режима управления одной из подсистем СКУ НП. В соответствии с соглашениями при создании модели ПО содержит центральную компоненту (базовую конфигурацию СКУ НП), средства расширения базовой конфигурации и модули прикладного расширения. Для удобства создания модулей прикладного расширения разработаны специальные инструментальные программы. Рассмотрено взаимодействие задач в процессе реализации основных процедур СКУ НП.

Для достижения требуемой вероятности отказа во время проведения наблюдений необходимо обеспечить суммарную интенсивность отказов СКУ НП в наблюдательном режиме А^р не более 6.39 * 10"* 1/ч.. Анализ надёжности полностью дублированной системы, выполненный в предположении автоматического ввода резервной системы во время ремонта основной, показал, что расчётная интенсивность отказов СКУ НП в наблюдательном режиме не превышает А^р. Однако полное дублирование удваивает стоимость СКУ НП и неприемлемо по экономическим соображениям. Введено понятие живучести аппаратного комплекса СКУ НП. Все подсистемы, поддерживающие наблюдательный режим, и локальная вычислительная сеть (ЛВС) разделены на два канала. Система контроля и управления антенной (СКУ А), цветная графическая станция и центральная ЭВМ полностью дублированы. Такая архитектура допускает некоторую деградацию системы управления относительно менее существенных функций при обеспечении заданной эффективности выполнения целевой функции системы - наблюдений космических радиоисточников. Расчётная интенсивность отказов СКУ НП в наблюдательном режиме при среднем времени восстановления^ равном одному часу, выполненная для такого варианта

дублирования аппаратных средств и обеспечения живучести системы, составляет 5.4 * 10'4 1/ч., что соответствует заданным требованиям надёжности наблюдения космических радиоисточников.

В главе 4 рассматриваются аппаратные средства подсистем СКУ НП, техническая реализация СКУ НП в целом и приводится описание СКУ наведением антенны ТНА-400-1.

Аппаратный комплекс подсистем выполнен на базе проектно-компонуемых крейтов контроля и управления (ККУ), которые отличаются друг от друга числом и типом функциональных блоков. ККУ реализованы в Евроконструктивах (Еигосагс! би). Обмен между функциональными блоками осуществляется по магистрали, построенной на базе интерфейса МПИ. Разработано более 40 типов функциональных блоков ККУ, которые обеспечивают ввод-вывод дискретных и аналоговых сигналов, управление подсистемами СКУ НП, организацию ЛВС, взаимодействие с рядом стандартных (КОП, ИРПС, СТЫК-2) и нестандартных интерфейсов, организацию временной синхронизации подсистем и их электропитание. Описания аппаратных средств представлены в виде таблиц, содержащих технические характеристики устройств.

Аппаратный комплекс СКУ НП в целом также представлен в виде таблицы, в которой показано размещение функциональных блоков в ККУ подсистем СКУ НП и их комплектование в стойках. В процессе внедрения разработаны условия приемки не только отдельных функциональных блоков, но и нескольких базовых конфигураций ККУ, которые поставляются комплексно отлаженными. Эти унифицированные базовые конфигурации обеспечивают построение ряда локальных подсистем СКУ НП.

В качестве примера реализации прикладного уровня подсистемы СКУ НП рассмотрена СКУ А. Основная задача, решаемая этой подсистемой, состоит в обеспечении точного наведения антенны в заданную точку пространства в заданный момент времени. Программный режим слежения за объектом реализуется с помощью системы программного управления СПУ-5. Разработана схема соединений функциональных блоков ККУ СКУ А с аппаратурой системы наведения антенны ТНА-400-1 и приведено её описание. Для режимов автоматического управления антенной и комплексной проверки приведено пошаговое описание алгоритма, блок-схема которого приведена в приложении 1.

Кроме того в приложения помещены: описание локальной вычислительной сети СКУ НП, протоколы обмена между модулями СКУ НП и аппаратурой системы наведения антенны ТНА-400-1, общий вид основных сооружений НП и копии документов о внедрении результатов работы.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты. •Определены основные требования, предъявляемые к автоматизированным системам в радиоастрономии, на основе их анализа обоснована необходимость разработки нового класса систем (многоуровневого взаимодействия), для которых характерна высокая степень распределенности и надежности.

•Предложена модель системы автоматизации наблюдательного пункта и проведен её анализ, позволивший выделить компоненты базовой конфигу-

рации, объектно-зависимые компоненты, допускающие параметрическую настройкой компоненты генерации функциональных модулей. •Разработана архитектура СКУ НП, обладающая возможностью дистанционной переконфигурации по информационным каналам и позволяющая эффективно развивать систему по мере изменения и наращивания выполняемых функций.

•Выполнен анализ надежности аппаратно-программных средств СКУ НП, предложены способы повышения отказоустойчивости и живучести системы за счет совершенствования ее структурной организации и уменьшения времени обнаружения отказа элементов при тестировании, что позволило получить интенсивность отказов СКУ НП в наблюдательном режиме, не превышающую 5.4 * 104 1/ч.

•Разработан набор аппаратных средств для комплексирования типовых конфигураций систем автоматизации радиоастрономических комплексов. В серийное производство внедрено сорок пять типов приборов и устройств и семь типов унифицированных базовых конфигураций. •Разработаны аппаратные и программные средства локальной сети с маркерным доступом, обеспечивающие производительность до 180 Кбайт/с. •Создана СКУ НП радиоантерферометрического комплекса КВАЗАР как система четырёхуровневого взаимодействия с элементами отказоустойчивости. Проведенные комплексные испытания с подсистемами наблюдательного пункта подтвердили правильность выбранной концепции и архитектуры системы.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Ангельский А.Н., Голубчин Г.С., Зензин A.C. Системный подход к автоматизации наблюдательного пункта радиоинтерфе-рометрического комплекса ИПА АН СССР. II Радиоастрономическая аппаратура. XXI Всесоюзная конференция. Ереван, 1989, с.263-264.

2. Ангельский А.Н., Голубчин Г.С., Зензин A.C. Комплекс технических средств для построения распределенных АСНИ. //В кн.: Автоматизация научных исследований. Тезисы докладов XXIV Всесоюзной школы (17-26 сентября 1990 г.). Апатиты, изд. Кольского научного центра АН СССР, 1990, с.25-26.

3. Голубчин Г.С., Дедюхин A.B., Зензин A.C., Лычкин В.П. Система программного управления антенной THA-400-l радиоин-терферометрического комплекса КВАЗАР. IIВ кн.: Радиотелескопы и интерферометры. Труды XXII Всесоюзной конференции. Ереван, 1990, с. 37-41.

4. Зензин A.C. Архитектура многоуровневой распределённой системы контроля и управления наблюдательным пунктом радио-интерферометрического комплекса. И В кн.: Автоматизация исследований в ядерной физике и астрофизике. Тезисы лекций и докладов V международной школы-семинара (Сочи, 16-23 октября 1992 г.). М., изд. НИЯФ МГУ, 1992, с. 86-88.

5. Ангельский А.Н., Голубчин Г.С., Зензин A.C. Комплекс аппа-

•д

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

ЗЕНЗИН Александр Степанович

МНОГОУРОВНЕВЫЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ ПУНКТОВ В РАДИОАСТРОНОМИИ

Специальность 05.13Л6 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-член-корреспондент РАН С.Т.ВАСЬКОВ

Новосибирск - 1998 г.

На правах рукописи

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ПРЕДМЕТА ИССЛЕДОВАНИЯ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................10

1.1. Радиоастрономическая система как объект автоматизации! 0

1.2. Уровень реализации автоматизированных систем радиоастрономических комплексов..........................................................14

1.3. Особенности построения СКУ НП..............................................17

1.4. Технические требования к СКУ НП............................................18

2. МОДЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ МНОГОУРОВНЕВОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ НАБЛЮДАТЕЛЬНОГО ПУНКТА................21

2.1. Подход к построению модели СКУ НП.....................................21

2.2. Общий вид модели СКУ НП..........................................................24

2.3. Иерархии частных описаний.......................................................29

2.4. Структура СКУ НП.........................................................................37

3. АРХИТЕКТУРА СКУ НП...................................................................41

3.1. Требования к основным элементам архитектуры...................41

3.2. Периферическая шина СКУ НП...................................................46

3.3. Структурная схема СКУ НП........................................................46

3.4. Структура программного обеспечения СКУ НП......................51

3.5. Обеспечение надежности и отказоустойчивости СКУ НП... 5 6 .

4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СКУ НП....................................63

4.1. Аппаратные средства подсистем СКУ НП...............................63

4.1.1. Блоки ввода-вывода дискретных сигналов............................64

4.1.2. Блоки ввода-вывода аналоговых сигналов.............................65

4.1.3. Блоки управления подсистемами СКУ НП............................67

4.1.4. Блоки взаимодействия.............................................................70

4.1.5. Блоки для реализации временной синхронизации подсистем73

4.1.6. Электропитание СКУ НП.......................................................74

4.1.7. Конструктивное исполнение...................................................76

4.1.8. Структура аппаратного комплекса подсистем СКУ НП.. 77

4.2. Подсистемы СКУ НП....................................................................81

4.2.1. Система контроля и управления наведением антенны ТНА-

400-1................................................................................................................82

4.2.1.1. Назначение и состав управляющего комплекса.............82

4.2.1.2. Алгоритм работы СКУА в режимах комплексной проверки и рабочем режиме автоматического управления антенной 86

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................91

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................93

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...................................................................................100

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...................................................................................112

ПРИЛОЖЕНИЕ 3...................................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ 4...................................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Развитие современной радиоастрономии базируется на создании новых инструментальных средств - радиотелескопов, в которых реализуется комплекс современных систем регистрации и обработки сигналов, радиометрических систем контроля параметров атмосферы и систем контроля параметров больших антенн, различных информационных систем на базе спутниковых и традиционных каналов связи. Кроме того, в состав радиотелескопа могут включаться радиотехнические системы контроля параметров траекторий искусственных спутников Земли (ИСЗ), системы контроля метеорологической и геофизической обстановки, сложные автономные системы частотно-временной синхронизации для обеспечения ра-диоинтерферометрического режима работы комплекса из нескольких радиотелескопов - наблюдательных пунктов.

Системы автоматизации наблюдательных пунктов должны обеспечивать контроль и управление комплексным оборудованием радиотелескопов и подсистемами сбора, передачи, обработки и представления экспериментальной и служебной информации. Особенности таких систем обусловлены спецификой параметров радиоастрономической аппаратуры (высокая чувствительность, широкая полоса регистрируемых частот и т. д.), широкой номенклатурой экспериментального оборудования радиоастрономических комплексов, часто производимого без учета возможностей его комплексирования в единую систему; длительной реализацией проектов, приводящих к необходимости разработки автоматизированных систем в условиях неполной и недостаточной априорной информации о постоянно совершенствующемся оборудовании и методиках; высокой динамичностью и необходимостью

обеспечения единой синхронизации объектов управления, удаленных друг от друга на тысячи километров; необслуживаемым режимом работы удаленных наблюдательных пунктов с загрузкой и диагностикой по информационным каналам из центра управления и обработки данных (ЦУОД); длительным сроком эксплуатации. На основе системного подхода необходим анализ этих особенностей, оценка математических моделей систем и разработка требований к проектированию аппаратно-программных средств.

Таким образом, построение концептуально целостной модели систем контроля и управления наблюдательными пунктами (СКУ НП), выбор системных архитектур, разработка аппаратно-программных средств и алгоритмов их взаимодействия, а также обеспечение отказоустойчивости систем представляют собой актуальную задачу для создания многоуровневых распределенных систем автоматизации в радиоастрономии.

Настоящая работа проводилась в рамках Постановления ЦК КПСС №137 - 47 от 27.01.86г. и решения Госкомиссии правительства РФ №171-11 от 18.03.92 г., а также в соответствии с планами НИОКР Конструкторско-технологического института вычислительной техники СО РАН по темам: "Система контроля и управления наблюдательного пункта КВАЗАР-КВО" (1989-91гг.); "Разработка алгоритмов профилактической тестирующей системы" (1992г.).

Целью работы является разработка, исследование и создание автоматизированной системы контроля и управления наблюдательного пункта ра-диоинтерферометрического комплекса КВАЗАР.

В соответствии с целью работы основные задачи исследования заключаются в следующем:

•анализ особенностей автоматизированной СКУ НП и определение требований, предъявляемых к ней в современной радиоастрономии;

•построение и исследование модели, разработка архитектуры СКУ НП;

•разработка унифицированных аппаратных средств и базовых конфигураций для построения локальных подсистем СКУ НП;

•создание и исследование экспериментального образца СКУ НП, его комплексные испытания и внедрение в радиоинтерферометрическом комплексе КВАЗАР.

Постановка задачи определила структуру диссертации, которая состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

В первой главе исследуются особенности наблюдательного пункта, входящего в состав радиоинтерферометрического комплекса, как объекта автоматизации, анализируется уровень реализации автоматизированных систем радиоастрономических комплексов, на основе анализа характеристик систем НП формулируются требования к СКУ НП. В заключении главы приведены технические характеристики СКУ НП.

Вторая глава посвящена исследованию модели и основных компонент многоуровневой распределенной системы автоматизации НП. На основе интерпретации принципов системного подхода определены этапы создания СКУ НП. Далее описывается модель СКУ НП как совокупность частных описаний с точки зрения объектов исследования, пользователей, решаемых задач и средств реализации. На основе введенных понятий базисных и функциональных процессов, процессов ТОУ, а также принятых соглашений при построении модели СКУ НП описаны иерархии частных описаний модели СКУ НП. В заключении главы рассмотрена структура СКУ НП.

В третьей главе описана архитектура СКУ НП. На основе анализа потоков информации сформулированы требования к периферической шине. Ее описание и расчет производительности приведены в приложении 1. Описана структура программных компонент системы, реализованная в соответствии с разработанной моделью и методы обеспечения отказоустойчивости СКУ НП.

В четвертой главе рассматриваются техническая реализация СКУ НП в целом, ее основные подсистемы и типовые конфигурации аппаратных средств для их реализации.

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы. В приложения помещены: описание локальной вычислительной сети СКУ НП, блок-схема алгоритма работы программы в режиме комплексной проверки и автономного управления антенной ТНА-400-1, протоколы обмена между модулями СКУ НП и аппаратурой системы наведения антенны ТНА-400-1, общий вид основных сооружений НП и копии документов о внедрении результатов работы.

Методы исследований, использованные в данной работе, основаны на применении системного подхода, общей теории систем, моделирования, теории вычислительных систем, а также методов и средств современной вычислительной техники.

Научная новизна:

•впервые определены требования, предъявляемые к СКУ НП в радиоастрономии, и функции, которые она должны выполнять для реализации радиометрического и радиоинтерферометрического режимов работы радиотелескопов;

•предложена модель автоматизированной СКУ НП, исследования которой подтвердили целесообразность её реализации как многоуровневой распределенной системы и позволили определить основные структурные компоненты системы;

•разработана архитектура СКУ НП, обладающая возможностью дистанционной переконфигурации по информационным каналам и позволяющая эффективно развивать систему по мере изменения и наращивания выполняемых функций;

•предложены способы повышения отказоустойчивости системы, обеспечивающие необходимый уровень живучести аппаратного комплекса СКУ НП за счёт совершенствования её структурной организации и уменьшения времени обнаружения отказа элементов при тестировании.

Практическая ценность и внедрение результатов работы: •разработана, создана и внедрена СКУ НП радиоинтерферометриче-ского комплекса КВАЗАР, проведены ее комплексные испытания с подсистемами наблюдательного пункта в ИПА РАН, г. Санкт-Петербург;

•разработан набор аппаратных и программных средств для построения многоуровневых распределенных систем автоматизации в радиоастрономии, включающий более 40 типов новых компонент и 7 типов унифицированных базовых конфигураций - станций и стендов для оснащения радиотелескопов. На Опытном заводе СО РАН освоен серийный выпуск этого оборудования в 1990-1993 г.г.;

•предложенная архитектура, а также ряд внедрённых в серийное производство аппаратных средств СКУ НП использованы при создании головной автоматизированной системы управления энергоблоками тепловых электрических станций.

Основные положения, выносимые на защиту:

•модели автоматизированной СКУ НП с учетом требований, предъявляемых к реализации радиометрического и радиоинтерферометрического режимов работы радиотелескопов;

•архитектура многоуровневой распределенной СКУ НП радиоинтер-ферометрических комплексов;

•многоуровневая распределенная система автоматизации наблюдательного пункта радиоинтерферометрического комплекса КВАЗАР;

•результаты исследований надежности и отказоустойчивости аппаратно-программных средств автоматизированной системы.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на XXI Всесоюзной радиоастрономической конференции (Ереван, 1989 г.), на XXIV Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (Апатиты, 1990 г.), на научно-технических семинарах (1990-91 гг.) Института прикладной астрономии АН СССР, на V Международной школе-семинаре "Автоматизация исследований в ядерной физике и астрофизике"(Сочи, 1992 г.) и на XXV Радиоастрономической конференции (Пущино, 1993 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, результаты исследований и разработок изложены также в 3 научно-технических отчетах и пояснительных записках по НИОКР, в которых автор являлся научным руководителем.

1. СОСТОЯНИЕ ПРЕДМЕТА ИССЛЕДОВАНИЯ. ЦЕЛЬ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Радиоастрономическая система как объект автоматизации

Наблюдательный пункт (НП) входит в состав многоканального радио-интерферометрического комплекса «Квазар» [1], обеспечивающего проведение радиоастрономических и радиоастрометрических наблюдений, сбор, предварительную обработку и передачу данных в Центр управления и обработки данных (ЦУОД) по спутниковым каналам связи в квазиреальном времени или пакетном режиме. Управление НП осуществляется либо из его пункта оперативного управления, либо из ЦУОДа по телеметрическим и спутниковым каналам связи.

НП включает в себя следующие основные системы и комплексы [1,2]: •наблюдений космических источников радиоизлучения (НКИРИ); •наблюдений искусственных спутников Земли (НИСЗ); •передачи данных (СПД);

•измерения электрических характеристик тропосферы (ЭХТ); •государственный водородный эталон времени и частоты, являющийся частью системы частотно-временной синхронизации радиоинтерферометри-ческого комплекса (ЧВС);

•геофизическая станция (ГС);

•радиоголографических измерений параметров антенны (РГПА); •энергоснабжения (Э).

Основная система НП - система наблюдений космических источников радиоизлучения функционально представляет собой радиотелескоп, оснащенный 32-метровой антенной ТНА-400 с диапазоном угловых перемещений в пределах ±45° и азимутальных - в пределах ±270 . Прием сигналов производится в 5-ти диапазонах длин волн сантиметрового диапазона. Полоса пропускания высокочастотного тракта от 340 до 500 МГц. Регистрация сигналов осуществляется по 64 каналам с разнесением частот по каналам кратным 2 МГц. Общая полоса регистрации может быть до 128 МГц.

В системе регистрации можно выделить 2 канала: канал амплитудной регистрации и канал частотной регистрации, которые и обеспечивают основные режимы работы НП (радиометрической и интерферометрический).

Процесс наблюдения включает два основных режима: подготовка к проведению наблюдений радиоисточника и рабочий. Длительность сеанса наблюдений составляет 15 минут. Из них 7,5 минут - время подготовки к проведению наблюдений. За сутки возможно проведение нескольких десятков наблюдений. Кроме 2-х основных режимов наблюдений в НП предусмотрены еще 3 вспомогательных режима: дежурный, режим тестового контроля и режим автономного функционирования подсистем НП.

Структурная схема и формирование потоков информации в НП приведены на рис. I.

На кодирующее устройство, являющееся частью системы регистрации данных (СРД), транслируется информация от всех основных систем НП. Данные сортируются, упаковываются и совместно с метками времени поступают на комплекс магнитной записи или на вход модемов, входящих в систему передачи данных (СПД) для трансляции через соответствующие каналы связи в ЦУОД.

Рис.

1 Структурная схема и формирование потоков информации в наблюдателном пункте

Основной поток информации формируется по тракту: антенна (А), радиометрические приемники (РП), система преобразования сигналов (СПС).

Сформированные в 64 каналах СПС сигналы поступают с одной стороны на вход цифрового выходного устройства радиометра для определения амплитудных характеристик, с другой стороны, на вход форматизатора входящего в состав СРД, где ограничиваются по амплитуде и фазовые переходы шумового сигнала транслируются на входы комплекса магнитной записи и на систему передачи данных.

Радиометрический приемник для атмосферных измерений, входящий в состав системы ЭХТ работает на длине волны Х= 1,5 см и обеспечивает получение информации для расчета электрических характеристик тропосферы.

Радиометрический приемник системы РГПА обеспечивает получение информации и управляющих сигналов для вычисления искажений диаграммы направленности антенны ТНА-400 при различных значениях угломест-ных координат.

Геофизическая станция формирует потоки информации о сезонных и суточных измерениях параметров земной коры в точке размещения НП.

Данные автоматизированной метеостанции используются для расчётов специальных параметров тропосферы и также поступают на вход кодирующего устройства.

Служба времени формирует метки для кодирующего устройства, обеспечивает когерентное преобразование сигналов и временную синхронизацию всех систем. Основной системой службы времени является государственный водородный эталон времени и частоты.

Систе�