ПРЕСС-ЦЕНТР

Мобильная вычислительная система тренажёра для предстартовой подготовки экипажей МКС на базе современных промышленных решений от Kontron

МКА 5/2006

В. В. Рябов, В. В. Бретман, ЗАО «РТСофт», Н. Е. Зубов, А. А. Пискунов, РГНИИЦПК им. Ю. А. Гагарина

Уникальные технические решения в области космического тренажёростроения должны строиться на надёжной базе промышленных стандартов. Примером внедрения открытых международных промышленных стандартов в области космического тренажёростроения может служить разработка мобильной вычислительной системы тренажёра для предстартовой подготовки экипажей международной космической станции на базе современных промышленных решений от компании Kontron и ЗАО «РТСофт» – её эксклюзивного партнёра в России и в странах СНГ.

Космическое тренажёростроение отличается уникальностью требований к создаваемым объектам тренажной базы космонавтов.

Каждый объект тренажной базы РГНИИЦПК – это уникальная опытно-конструкторская разработка, которая существует в единичном экземпляре. Разработчикам тренажных средств приходится в оптимальном соотношении учитывать специфичные требования по функционированию разрабатываемого изделия, достижению гарантируемой надёжности его работы и масштабируемости предлагаемого технического решения. Эта непростую задачу различные разработчики решают по-разному.

Уникальные технические решения в области космического тренажёростроения могут и должны строиться на надёжной базе промышленных стандартов на оборудование, программное обеспечение и коммуникации. Этому важному принципу при разработке тренажного изделия соответствуют технические решения от ЗАО «РТСофт».

Более десяти лет при создании основных тренажёров тренажной базы РГНИИЦПК им. Ю.А. Гагарина широко применяется оборудование в стандарте VMEbus. Однако потребности подготовки космонавтов экипажей международной космической станции (МКС) ставят перед разработчиками тренажной техники новые задачи, которые не могут быть решены оптимально уже известными методами. Приходится искать новые решения.

Сегодня заказчику может быть предложен самый широкий спектр профессиональных продуктов и сервисов – от малогабаритных встраиваемых компьютерных модулей до модульных компьютерных систем, специально разработанных с учётом его индивидуальных потребностей.

Примером внедрения открытых международных промышленных стандартов в области космического тренажёростроения может служить разработка мобильной вычислительной системы (МВС) тренажёра для предстартовой подготовки экипажей МКС на базе современных промышленных решений от компании Kontron.

Функциональные требования к МВС тренажёра

Тренажёр предстартовой подготовки космонавтов предназначен для поддержания навыков экипажей международной космической станции по управлению транспортным пилотируемым кораблем (ТПК) «Союз-ТМА» на различных этапах полёта.

С точки зрения функциональности, главное требование к МВС тренажёра – обеспечить работоспособность ряда учебных рабочих мест для экипажа МКС и инструктора, который проводит занятия.

В состав тренажёра в зависимости от плана предстартовой подготовки могут входить следующие рабочие места:

  1. Пульт космонавта «Нептун-М»;
  2. Пульт космонавта «Нептун-М» (виртуальный);
  3. Рабочее место космонавта для отработки навыков ручного управления ТПК;
  4. Рабочее место космонавта для работы с приборами кабин спускаемого аппарата и бытового отсека ТПК;
  5. Рабочее место инструктора.

Пульт космонавта «Нептун-М» предназначен для проведения занятий по системам ТПК на этапах предстартовой подготовки, выведения ТПК на орбиту, автоматического сближения ТПК и МКС, спуска ТПК с орбиты и других ответственных действий (рис. 1).


Рис.1. Пульт космонавта «Нептун»

Вариант виртуального пульта космонавтов «Нептун-М» на основе рисованных графических форматов показан на рис.2.


Рис.2. Пульт космонавта «Нептун» (виртуальный)

Рабочее место космонавта для отработки навыков ручного управления ТПК (рис.3) состоит из ручки управления ориентацией (РУО) ТПК, ручки управления движением (РУД) центра масс ТПК и моделирующей станции на базе ноутбука Accer TM 8006 LMi, которая имитирует процесс наблюдения космонавтом внешней обстановки через оптический прибор- визир космонавта специальный ВСК-4.


Рис.3. Рабочее место космонавта для отработки навыков ручного управления ТПК

Модель прибора ВСК-4 позволяет космонавту наблюдать (рис.4): международную космическую станцию, положение горизонта Земли, направление бега Земли в девяти оптических окнах прибора ВСК-4.


Рис.4. Моделирование оптического визира космонавта ВСК-4

Рабочее место космонавта для работы с приборами кабин спускаемого аппарата (СА) и бытового отсека (БО) ТПК, в которых находится несколько десятков различных приборов – клапанов, вентилей, переключателей и т.д.– служит для имитации процесса работы космонавта с этими приборами. На дисплее данного рабочего места моделируются форматы виртуальных приборов кабин СА и БО (рис.5,6).


Рис.5. Прибор ЭПК-ПСА кабины СА


Рис.6. Прибор РПВ-1.2 кабины СА

Рабочее место инструктора предназначено для управления процессом тренировки, ввода отказов в тренировочный процесс, оценки деятельности экипажа. Примеры форматов рабочего места инструктора представлены на рис.7,8.


Рис.7. Оценка параметров сближения ТПК и МКС


Рис.8. Оценка показателей касания при ручном сближении ТПК и МКС

Особенности эксплуатационных требований к МВС тренажёра

1. Возможность комплектации состава аппаратных средств МВС в зависимости от решаемых текущих задач подготовки экипажей МКС.

Цели и объём задач предстартовой подготовки экипажей МКС могут варьироваться в значительной степени в зависимости от времени, отводимого на предстартовую подготовку экипажей МКС на космодроме Байконур, опыта отдельных членов экипажа МКС, наличия существенных изменений в конструкции штатного изделия к данному полёту и т.д.

Предстартовая подготовка экипажей только по ручному сближению с МКС требует минимального состава аппаратных средств МВС тренажёра:

  • две рабочие станции;
  • небольшое устройство сопряжения с объектом (УСО), с 9-ю каналами ввода информации в МВС для подключения ручек ручного управления РУО и РУД.

Если возникает потребность в проведении предстартовой подготовки экипажей МКС в полном объёме задач, определённом для данного тренажёра, то состав аппаратных средств МВС значительно расширяется и включает в себя:

  • пять рабочих станций;
  • УСО с более 100 каналами ввода и 60 каналами вывода информации для подключения пульта космонавтов «Нептун-М» и ручек ручного управления РУО и РУД

Исходя из этого, желательна возможность простого наращивания состава аппаратных средств МВС, в зависимости от решаемых текущих задач подготовки экипажей МКС.

2. Мобильность вычислительной системы.

Отсутствие постоянных технических подразделений РГНИИЦПК на космодроме Байконур не позволяет выполнять техническое сопровождение и модификацию предстартового тренажёра на его рабочем месте.

Из этого следует необходимость транспортировки данного тренажёра из Звёздного городка на космодром Байконур и обратно не менее двух раз в год ( в ближайшей перспективе – четыре раза в год). Из этого следует ряд требований, которые могут быть объединены понятием мобильность:

  • компактность и лёгкость компонентов аппаратного состава МВС;
  • удобство при разборке и сборке компонентов МВС;
  • удобство переноски при транспортировке тренажёра личным составом оперативной группы РГНИИЦПК на борту самолёта.

3. Повышенные требования к надёжности.

Повышенные требования к надёжности МВС тренажёра предстартовой подготовки обусловлены следующими причинами:

  • жёсткие сроки проведения предстартовой подготовки экипажей МКС и невозможность их переноса;
  • отдалённость места проведения предстартовой подготовки от ремонтной технической базы РГНИИЦПК;
  • постоянная вероятность неблагоприятных механических воздействий при транспортировке тренажёра предстартовой подготовки на борту самолёта и автомобилем.

4. Возможность расширения для подключения приборов макетов кабин СА и БО.

МВС тренажёра предстартовой подготовки разрабатывалась с учётом возможности её использования в качестве перевозимого вычислительного «ядра» для перспективного стационарного тренажёра предстартовой подготовки.

Состав такого перспективного тренажёра можно условно разделить на две составляющие:

  • возимое оборудование – рассмотренный выше вариант мобильного тренажёра предстартовой подготовки;
  • стационарное оборудование, постоянно находящееся на космодроме Байконур – элементы конструкции кабин СА и БО (натурные или полунатурные макеты кабин), приборы и оборудование кабин СА и БО, оборудование пульта инструктора и т.д.

Исходя из этого, у МВС тренажёра должна быть предусмотрена возможность лёгкого наращивания УСО для подключения оборудования кабин СА и БО.

Мобильная вычислительная система на базе современных промышленных решений от Kontron

С учётом рассмотренных выше требований к мобильной вычислительной системе тренажёра, принято следующее техническое решение по структуре МВС тренажёра предстартовой подготовки экипажей МКС:

  • применяется современное промышленное оборудования компании Kontron;
  • вся МВС тренажёра создается на базе высокопроизводительных модулей в стандарте CompactPCI, предназначенных для разработки и серийного производства ответственных встраиваемых систем высокой надёжности промышленного, военного и коммуникационного назначения;
  • модули CompactPCI интегрируются в 19-дюймовом крейте;
  • вся вычислительная система тренажёра компонуется внутри настольного шкафа;
  • УСО тренажёра предстартовой подготовки должно строится на базе контроллера ввода-вывода ThinkIO компании Kontron и системы ввода-вывода WAGO–I/O SYSTEM.

Выбор оборудования CompactPCI компании Kontron для построения МВС тренажёра оптимален по множеству критериев. Оборудование CompactPCI обеспечивает очень плотную упаковку компонентов, высокую защиту от электромагнитных помех, оптимизированную систему охлаждения и может быть основой для построения максимально надёжных, устойчивых и безотказных систем, насколько это вообще возможно для архитектур, программно совместимых с офисными компьютерами.

Настольный вариант мобильной вычислительной системы тренажёра

Вся вычислительная система тренажёра компонуется внутри настольного шкафа, оборудованного дополнительным внутренним вентилятором.

Настольный шкаф служит для удобства транспортировки тренажёра, защиты крейта от механических повреждений в процессе транспортировки тренажёра и его эксплуатации.


Рис.9. Настольный вариант мобильной вычислительной системы тренажёра

19-дюймовый крейт CompactPCI объединяет в себе следующие модули CompactPCI (рис.10):

  • одну процессорную плату CP306 формата 3U на базе процессора Pentium M с тактовой частотой 1,8 ГГц;
  • три процессорные платы CP306-V формата 3U на базе процессора Celeron-M с тактовой частотой 1,3 ГГц;
  • две платы 5-портовых Ethernet-коммутаторов CompactPCI.


Рис.10. 19-дюймовый крейт с модулями CompactPCI мобильной вычислительной системы тренажёра

Две процессорные платы CP306-V обеспечивают моделирование индивидуальных пультов управления ИнПУ-1, ИнПУ-2 пульта космонавта «Нептун».

Одна процессорная плата типа CP306-V обеспечивает функционирование рабочего места космонавта для работы с приборами кабин спускаемого аппарата и бытового отсека ТПК.

Процессорная плата типа CP306 обеспечивает функционирование рабочего места инструктора тренажёра и выполняет функции моделирующей рабочей станции, обеспечивая среду функционирования моделей бортовых систем ТПК и моделей движения ТПК и МКС.

Две платы типа 5-портового Ethernet-коммутатора в стандарте CompactPCI обеспечивают объединение в единую локальную вычислительную сеть (ЛВС) тренажёра процессорных плат CompactPCI, контроллера (в перспективе стационарного варианта тренажёра трех контроллеров) ввода-вывода ThinkIO и моделирующей станции (ноутбук) рабочегоместа космонавтов для отработки навыков ручного управления ТПК.

Возможности расширения МВС

Как уже говорилось выше, МВС тренажёра предстартовой подготовки разрабатывалась с учётом возможности её использования в качестве мобильного возимого вычислительного «ядра» перспективного стационарного тренажёра предстартовой подготовки.

Наращиваемость мощности вычислительной системы тренажёра при его перспективном расширении до уровня стационарного тренажёра предстартовой подготовки экипажей МКС может производиться по нескольким направлениям:

  • добавление новых в 19-дюймовый крейт мобильной (возимой) вычислительной системы тренажёра процессорных плат CompactPCI;
  • использование возимого 19-дюймового крейта как модуля в 19-дюймовой стационарной стойке перспективного тренажёра, оборудованной дополнительными процессорными, коммутационными и другими платами.

Распределённое УСО тренажёра

Распределённое УСО тренажёра предстартовой подготовки должно обеспечивать подключение к МВС тренажёра следующих компонентов:

  • макета пульта космонавтов «Нептун-М»;
  • ручек РУО и РУД для ручного управления ТПК на этапе сближения;
  • приборов и оборудования полунатурного макета кабины СА (в перспективе);
  • приборов и оборудования полунатурного макета кабины БО (в перспективе).

Предложенный вариант УСО тренажёра предполагает использование распределённого УСО, состоящего в перспективе их трёх узлов (контроллер ThinkIO компании Kontron и системы ввода-вывода WAGO –I/O SYSTEM), подключаемых к МВС тренажёра через порт Ethernet контроллера ThinkIO (рис.11).


Рис. 11. Узел распределённого УСО тренажёра на базе контроллера ThinkIO
и системы ввода-вывода WAGO –I/O SYSTEM

Использование распределённого УСО подразумевает размещение узла УСО непосредственно в подключаемом объекте:

  • один узел УСО – пульт космонавтов «Нептун-М», ручки РУО и РУД;
  • один узел УСО – макет кабины СА (в перспективе);
  • один узел УСО – макет кабины БО (в перспективе).

При этом достигается высокая технологичность процесса сборки, разборки тренажёра при его транспортировке по маршруту Звёздный городок – космодром Байконур или перемещении на космодроме Байконур. Все основные соединения между автономными объектами тренажёра (в стационарном варианте) – пульт космонавтов «Нептун-М», МВС тренажёра, макет кабины СА, макет кабины БО – выполняются всего 2-мя «витыми парами» сети Ethernet.

Программное обеспечение для распределённого УСО тренажёра CoDeSys на базе стандарта МЭК 61131-3

При выборе программного обеспечения для УСО тренажёра были учтены следующие требования:

  • обеспечение функционирования распределённого УСО из трёх или более узлов;
  • перспективная возможность подключения через УСО к МВС тренажёра реальных бортовых вычислительных машин (БЦВМ) ТПК, что по опыту создания тренажной базы РГНИИЦПК требует использования операционной системы реального времени (ОСРВ);
  • поскольку новая БЦВМ ТПК должна появиться на штатном изделии ТПК в течение следующего года и в настоящий момент требования к узлу УСО для её подключения сформулированы быть не могут, желательно чтобы программное обеспечение УСО было унифицировано для широкого модельного ряда промышленных УСО.

Исходя из этих требований, в качестве системного программного обеспечения для УСО выбрана CoDeSys –многофункциональная система программирования на базе стандарта МЭК 61131-3.

Система CoDeSys позволят создать распределённое наращиваемое УСО тренажёра c учётом всех рассмотренных требований.

Контроллер (контроллеры в перспективе) ThinkIO осуществляется с помощью встроенной в него системы программирования PLC CoDeSys. Сбор общего поля потоков переменных ввода-вывода со всех контроллеров ThinkIO осуществляет CoDeSys Gateway Server (через порты Ethernet контроллеров ThinkIO). Обмен данными общего поля потоков переменных ввода-вывода между системой программирования CoDeSys и программами бортовых систем тренажёра осуществляется по протоколу ОРС, посредством взаимодействия CoDeSys ОРС Server с ОРС-клиентом, входящим в тренажную оболочку тренажёра предстартовой подготовки. В состав CoDeSys входит исполнительная система реального времени CoDeSys SP RTE, которая позволяет обеспечить детерминированную реакцию на события.

Система программирования CoDeSys позволяет также учесть вероятную перспективу подключения к МВС тренажёра реальных БЦВМ штатного ТПК. Кроме того, обеспечивается возможность широкого выбора технических средств для сопряжения МВС с БЦВМ штатного ТПК. Код, написанный в среде CoDeSys, может быть однозначно применён в контроллерах более 60 компаний, входящих в состав альянса CoDeSys Automation Alliance.

Заключение

В заключение ещё раз отметим те функционально-эксплуатационные требования к тренажёру предстартовой подготовки экипажей МКС, реализация которых во многом достигнута за счёт применения открытых промышленных стандартов в области оборудования и программного обеспечения:

  • возможность простого наращивания вычислительной мощности (модульного состава) крейта МВС в зависимости от текущих решаемых задач предстартовой подготовки;
  • компактность и лёгкость компонентов аппаратного состава МВС;
  • удобство при разборке и сборке компонентов крейта МВС;
  • удобство переноски МВС при транспортировке тренажёра личным составом оперативной группы РГНИИЦПК на борту самолёта;
  • учтены повышенные требования к надёжности МВС тренажера, как при его функционировании, так и при его транспортировке;
  • предусмотрена возможность использования МВС в качестве перевозимого вычислительного «ядра» для перспективного стационарного тренажёра предстартовой подготовки экипажей МКС;
  • создана программно-аппаратная база для построения распределённого наращиваемого УСО стационарного тренажёра предстартовой подготовки экипажей МКС;
  • за счёт использования распределённого УСО достигнута высокая технологичность процесса сборки, разборки тренажёра. Все основные соединения между автономными объектами тренажёра (в стационарном варианте) – пульт космонавтов «Нептун-М», МВС тренажёра, макет кабины СА, макет кабины БО могут быть выполнены всего двумя витыми парами Ethernet.

Таким образом, процесс внедрения в область космического тренажёростроения открытых промышленных стандартов, начавшийся с широкого применения оборудования стандарта VMEbus успешно продолжается.

Использование в разработке объектов космического тренажёростроения иновационных модулей, своего рода «строительных» блоков, успешно зарекомендовавших себя при разработке тысяч промышленных объектов, – это разумный выбор при создании приложений, требующих высокой надёжности, длительного жизненного цикла при разумной и конкурентоспособной стоимости всей разработки.

Поставка высоконадёжных технических решений в области отечественного космического тренажёростроения – одно из важных направлений деятельности ЗАО «РТСофт». Многолетний опыт участия в создании объектов тренажной базы РГНИИЦПК им. Ю. А. Гагарина и наличие высококвалифицированных кадров в данной области обуславливают постоянное партнёрство ЗАО «РТСофт» и РГНИИЦПК им. Ю.А. Гагарина в реализации уникальных технических разработок в сфере создания тренажных средств подготовки космонавтов.