Систематизация задач и выбор схемы построения бортового управляющего комплекса

Содержание

Список сокращений

Введение

1 Систематизация задач и выбор схемы построения бортового управляющего комплекса

1.1 Анализ типовых функций БКУ сверхмалой космической платформы

1.2 Обоснование схемы построения и выбор элементной базы реализации БКУ

1.3 Выбор способа кроссплатформенной программной реализации функций БКУ

2. Разработка кроссплатформенной программной реализации бортового управляющего комплекса

2.1 Разработка SF-модели алгоритма приема и обработки командно-программной информации

2.2 Разработка SF-модели алгоритма сбора и обработки телеметрической информации

2.3 Разработка SF-модели алгоритма управления системой энергоснабжения

3. Практическая реализация бортового управляющего комплекса в базисе ПЛИС FPGA

3.1 Создание лабораторного макета БКУ сверхмалой космической платформы

3.2 Автоматическая генерация кода конфигурации ПЛИС на базе модели БКУ

3.3 Верификация кода конфигурации по технологии Model-Based Design

Заключение

Список использованных источников

Список сокращений

АБ	- аккумуляторная батарея
БКУ	- бортовой комплекс управления
БРТК	- бортовой радиотехнический комплекс
КА	- космический аппарат
КИА	- контрольно-измерительная аппаратура
НКУ	- наземный комплекс управления
ПЛИС	- программируемая логическая интегральная схема
ПН	- полезная нагрузка
ПО	- программное обеспечение
РК	- разовые команды
САПР	- система автоматизированного проектирования
СБ	- солнечная батарея
СМКА	- сверхмалый космический аппарат
СЭС	- система энергоснабжения
ТМ	- телеметрия
ТМИ	- телеметрическая информация
ASIC	- Application Specific Integrated Circuit (интегральная схема специального назначения)
CCSDS	- Consultative Committee for Space Data Systems (Международный Консультативный Комитет по космическим системам передачи данных)
GMSK	- Gaussian Minimum Shift Keying (Гауссова модуляция с минимальным сдвигом частоты)
HIL	- Hardware-in-the-Loop (аппаратное тестирование в петле)
FIL	- FPGA-in-the-Loop (тестирование FPGA в петле)
FPGA	- Field Programmable Gate Array (программируемая логическая интегральная матрица)
IP-core	- Intelligent Property Core (ядро интеллектуальной собственности)
MIL	- Model-in-the-Loop (модельное тестирование в петле)
MPPT	- Maximum Power Point Tracking (отслеживатель максимальной силовой точки)
RTOS	- Real Time Operation System (операционная система реального времени)
RTW	- Real Time Workshop (мастерская реального времени)
SIL	- Software-in-the-Loop (программное тестирование в петле)
SF	- Stateflow (диаграмма состояний)

 

Введение

 

Разработка и верификация программного обеспечения для бортовых комплексов управления космических аппаратов является сложной многоуровневой задачей, выполнение которой в настоящее время занимает годы. Существует возможность значительно уменьшить это время за счет автоматизации разработки программного обеспечения на базе средств и методов компании MathSoft, обеспечивающих процесс автоматической генерации программных кодов для выбранных аппаратных платформ из визуальных моделей Stateflow и Simulink среды MATLAB. Разработка ПО сводится, таким образом, к построению визуальных моделей управляющих алгоритмов, проверке их адекватности с использованием моделей источников сигналов и генерации программного кода, оптимизированного под особенности аппаратной платформы (процессоры, контроллеры, ПЛИС).

С учетом новизны предлагаемого подхода для отечественных разработчиков и наличия определенной степени недоверия к технологии Model-based Design со стороны заказчиков ПО, актуальным является подтверждение функциональности автоматически сгенерированного в среде MATLAB ПО.

Целью работы является выбор концепции построения бортового управляющего комплекса научно-образовательной микроспутниковой платформы, а также его программная реализация по технологии Model-Based Design. Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие задачи: выбор схемы построения на основе анализа распространено-используемых, разработка имитационной модели в среде Simulink и Stateflow, автоматическая генерация HDL кода и его верификация, отработка кода конфигурации на лабораторном макете.

В первом разделе решается задача выбора схемы построения бортового управляющего комплекса наноспутника и способа программной реализации.

бортовой управляющий комплекс космический

Во втором разделе решаются задачи разработки кроссплатформенной программной реализации бортового управляющего комплекса на базе Stateflow -моделей трех его подсистем: приема и обработки командно-программной информации, сбора и обработки телеметрической информации и управления системой энергоснабжения.

В третьем разделе решается задача практической реализации созданного программного обеспечения для работы бортового управляющего комплекса в базисе ПЛИС. Проводится верификация моделей по технологиям Model-Based Design с использованием лабораторного макета. Также рассматривается вопрос о проблемах автоматической генерации HDL -кода из имитационной модели Simulink.

Материалы работы прошли апробацию на всероссийских научно-технических конференциях "Молодежь. Техника. Космос" и "Инновационный арсенал молодежи", опубликованы в сборниках "Молодежь. Техника. Космос: труды IV Общероссийской молодежной науч. - техн. конф. / Балт. гос. техн. ун-т. - СПб.; 2012. (Библиотека журнала "ВОЕНМЕХ. Вестник БГТУ", № 15)"; "Инновационный арсенал молодежи: труды III науч. - техн. конф. / ФГУП "КБ "Арсенал"; Балт. Гос. Техн. ун-т. - СПб.; 2012".

Заключение

 

Цель работы - выбор концепции построения бортового управляющего комплекса научно-образовательной микроспутниковой платформы, а также его программная реализация по технологии Model-Based Design - достигнута.

Обоснование и выбор схемы построения бортового комплекса управления выполнены в полном объеме. В результате обзора типичных схем реализации БКУ наноспутников была выбрана централизованная как наиболее компромиссная и простая в реализации. На основе результатов исследования эксплуатируемых КА было принято решения отказаться от использование операционной системы реального времени в пользу концепции построения БКУ на основе конечных автоматов. В соответствии с этим было принято решение о использовании технологии Model-Based Design для разработки программного обеспечения на базе ПЛИС FPGA, поскольку она обеспечит необходимую многозадачность и компактность реализации узлов БКУ.

Поставленная задача разработки имитационной модели в среде Simulink и Stateflow выполнена полностью. В результате была разработана визуальная модель трех подсистем БКУ: приема и обработки командно-программной информации, сбора и обработки телеметрической информации и управления энергоснабжением.

Автоматическая генерация HDL кода выполнена в полном объеме. Успешно проведена верификация на основе технологий Software-in-the-Loop и FPGA-in-the-Loop, подтвердившая функциональность сгенерированного кода VHDL. Был создан лабораторный макет на основе отладочной платы с ПЛИС Xilinx Spartan 6 и платы с датчиками, используемыми на платформе "Синергия". На основе результатов автоматической генерации кода с помощью программы Xilinx ISE был получен код конфигурации ПЛИС. Впоследствии он был загружен в память отладочной платы лабораторного макета и успешно автономно проверен.

Материалы работы прошли апробацию на всероссийских научно-технических конференциях "Молодежь. Техника. Космос" и "Инновационный арсенал молодежи", опубликованы в сборниках "Молодежь. Техника. Космос: труды IV Общероссийской молодежной науч. - техн. конф. / Балт. гос. техн. ун-т. - СПб.; 2012. (Библиотека журнала "ВОЕНМЕХ. Вестник БГТУ", № 15)"; "Инновационный арсенал молодежи: труды III науч. - техн. конф. / ФГУП "КБ "Арсенал"; Балт. Гос. Техн. ун-т. - СПб.; 2012".

Результаты работы внедрены при разработке бортового радиотехнического комплекса микроспутниковой платформы "Синергия" ООО "Лаборатория "Астрономикон".

Содержание

Список сокращений

Введение

1 Систематизация задач и выбор схемы построения бортового управляющего комплекса

1.1 Анализ типовых функций БКУ сверхмалой космической платформы

1.2 Обоснование схемы построения и выбор элементной базы реализации БКУ

1.3 Выбор способа кроссплатформенной программной реализации функций БКУ

2. Разработка кроссплатформенной программной реализации бортового управляющего комплекса

2.1 Разработка SF-модели алгоритма приема и обработки командно-программной информации

2.2 Разработка SF-модели алгоритма сбора и обработки телеметрической информации

2.3 Разработка SF-модели алгоритма управления системой энергоснабжения

3. Практическая реализация бортового управляющего комплекса в базисе ПЛИС FPGA

3.1 Создание лабораторного макета БКУ сверхмалой космической платформы

3.2 Автоматическая генерация кода конфигурации ПЛИС на базе модели БКУ

3.3 Верификация кода конфигурации по технологии Model-Based Design

Заключение

Список использованных источников

Список сокращений

АБ	- аккумуляторная батарея
БКУ	- бортовой комплекс управления
БРТК	- бортовой радиотехнический комплекс
КА	- космический аппарат
КИА	- контрольно-измерительная аппаратура
НКУ	- наземный комплекс управления
ПЛИС	- программируемая логическая интегральная схема
ПН	- полезная нагрузка
ПО	- программное обеспечение
РК	- разовые команды
САПР	- система автоматизированного проектирования
СБ	- солнечная батарея
СМКА	- сверхмалый космический аппарат
СЭС	- система энергоснабжения
ТМ	- телеметрия
ТМИ	- телеметрическая информация
ASIC	- Application Specific Integrated Circuit (интегральная схема специального назначения)
CCSDS	- Consultative Committee for Space Data Systems (Международный Консультативный Комитет по космическим системам передачи данных)
GMSK	- Gaussian Minimum Shift Keying (Гауссова модуляция с минимальным сдвигом частоты)
HIL	- Hardware-in-the-Loop (аппаратное тестирование в петле)
FIL	- FPGA-in-the-Loop (тестирование FPGA в петле)
FPGA	- Field Programmable Gate Array (программируемая логическая интегральная матрица)
IP-core	- Intelligent Property Core (ядро интеллектуальной собственности)
MIL	- Model-in-the-Loop (модельное тестирование в петле)
MPPT	- Maximum Power Point Tracking (отслеживатель максимальной силовой точки)
RTOS	- Real Time Operation System (операционная система реального времени)
RTW	- Real Time Workshop (мастерская реального времени)
SIL	- Software-in-the-Loop (программное тестирование в петле)
SF	- Stateflow (диаграмма состояний)

 

Введение

 

Разработка и верификация программного обеспечения для бортовых комплексов управления космических аппаратов является сложной многоуровневой задачей, выполнение которой в настоящее время занимает годы. Существует возможность значительно уменьшить это время за счет автоматизации разработки программного обеспечения на базе средств и методов компании MathSoft, обеспечивающих процесс автоматической генерации программных кодов для выбранных аппаратных платформ из визуальных моделей Stateflow и Simulink среды MATLAB. Разработка ПО сводится, таким образом, к построению визуальных моделей управляющих алгоритмов, проверке их адекватности с использованием моделей источников сигналов и генерации программного кода, оптимизированного под особенности аппаратной платформы (процессоры, контроллеры, ПЛИС).

С учетом новизны предлагаемого подхода для отечественных разработчиков и наличия определенной степени недоверия к технологии Model-based Design со стороны заказчиков ПО, актуальным является подтверждение функциональности автоматически сгенерированного в среде MATLAB ПО.

Целью работы является выбор концепции построения бортового управляющего комплекса научно-образовательной микроспутниковой платформы, а также его программная реализация по технологии Model-Based Design. Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие задачи: выбор схемы построения на основе анализа распространено-используемых, разработка имитационной модели в среде Simulink и Stateflow, автоматическая генерация HDL кода и его верификация, отработка кода конфигурации на лабораторном макете.

В первом разделе решается задача выбора схемы построения бортового управляющего комплекса наноспутника и способа программной реализации.

бортовой управляющий комплекс космический

Во втором разделе решаются задачи разработки кроссплатформенной программной реализации бортового управляющего комплекса на базе Stateflow -моделей трех его подсистем: приема и обработки командно-программной информации, сбора и обработки телеметрической информации и управления системой энергоснабжения.

В третьем разделе решается задача практической реализации созданного программного обеспечения для работы бортового управляющего комплекса в базисе ПЛИС. Проводится верификация моделей по технологиям Model-Based Design с использованием лабораторного макета. Также рассматривается вопрос о проблемах автоматической генерации HDL -кода из имитационной модели Simulink.

Материалы работы прошли апробацию на всероссийских научно-технических конференциях "Молодежь. Техника. Космос" и "Инновационный арсенал молодежи", опубликованы в сборниках "Молодежь. Техника. Космос: труды IV Общероссийской молодежной науч. - техн. конф. / Балт. гос. техн. ун-т. - СПб.; 2012. (Библиотека журнала "ВОЕНМЕХ. Вестник БГТУ", № 15)"; "Инновационный арсенал молодежи: труды III науч. - техн. конф. / ФГУП "КБ "Арсенал"; Балт. Гос. Техн. ун-т. - СПб.; 2012".

Систематизация задач и выбор схемы построения бортового управляющего комплекса