Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка многофункционального бортового комплекса управления для малых космических аппаратов с использованием радиационно-стойкой элементной базы российского производства класса "система на кристалле"

Номер контракта: 14.578.21.0021

Руководитель: Шайдуров Владимир Викторович

Должность: Директор ИВМ СО РАН

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
бортовой комплекс управления, модульно-сетевая архитектура, система на кристалле, высокоуровневое проектирование , космический аппарат, аппаратура пространственной ориентации, навигация, параллельные вычисления, алгоритм, модель, программное обеспечение.

Цель проекта:
1. Получение значимых научных результатов для построения высокотехнологичной, унифицированной платформы малых космических аппаратов на основе элементной базы российского производства пятого поколения, позволяющей комплексно решать перспективные задачи космического мониторинга, дистанционного зондирования Земли и связи. 2. Моделирование и макетирование различных технических решений и технологических условий по созданию бортового комплекса навигации, ориентации и управления, ориентированного на эффективное функционирование в течении всего срока активного существования малых космических аппаратов на основе передовых достижений отечественной микроэлектроники с использованием устройств класса «система на кристалле»

Основные планируемые результаты проекта:
1. В ходе выполнения прикладных научных исследований (ПНИ) будут получены следующие научно-технические результаты:
1.1. Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие:
- аналитический обзор научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме;
- обоснование выбора направления исследований;
- отчет о патентных исследованиях по ГОСТ 15.011-96;
- результаты анализа существующих принципов, методов и средств в области создания сетевой модульной архитектуры для бортовых комплексов управления (БКУ), навигационных приемников способных измерять пространственную ориентацию объектов;
- результаты сравнительной оценки возможных существующих принципов, методов и средств в области создания бортовых комплексов управления;
- результаты теоретических исследований путей создания модульной сетевой архитектуры бортового комплекса управления, навигационных приемников способных измерять пространственную ориентацию объектов;
- результаты экспериментальных исследований и численного моделирования с использованием разработанных моделей алгоритмов обработки сигналов для определения пространственной ориентации;
- обобщение и выводы по результатам ПНИ;
- технико-экономическую оценку результатов ПНИ;
- рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках;
1.2. Отчет о патентных исследованиях.
1.3. Программная документация центрального процессора управления.
1.4. Программная документация процессора пространственной ориентации.
1.5. Эскизная конструкторская документация экспериментального образца бортового комплекса управления с модульно-сетевой архитектурой для малых космических аппаратов (БКУ МКА).
1.6. Рабочая конструкторская документация на программно-аппаратный комплекс специальных испытаний радиоэлектронной аппаратуры КА.
1.7. Экспериментальные образцы основных функциональных узлов БКУ МКА.
1.8. Комплект прикладных программ для реализации алгоритмов измерения координат и пространственной ориентации малых космических аппаратов (МКА).
1.9. Экспериментальный образец БКУ МКА.
1.10. Программно-аппаратный комплекс специальных испытаний радиоэлектронной аппаратуры КА (ПА КСИ РЭА).
1.11. Проект технического задания на выполнение ОКР по разработке многофункционального комплекса управления платформы МКА, аппаратурой пространственной ориентации, связи, навигации и дистанционного зондирования Земли».
2. Основные характеристики планируемых результатов
2.1 Должен быть выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2013 гг.
2.2. Должны быть выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
2.3. Должны быть выполнены исследования, обоснование и выбор принципов, методов и средств создания сетевой, модульной архитектуры для бортовых комплексов управления (БКУ), помехоустойчивой навигационной аппаратуры, оснащенной функцией измерения пространственной ориентации объектов.
2.4. Должны быть разработаны варианты возможных решений задачи проектирования БКУ, аппаратуры ориентации МКА и целевой аппаратуры.
2.5. Должно быть выполнено теоретическое обоснование возможности использование результатов фундаментальных исследований путем решения модельных задач, демонстрирующих наличие эффектов измерения пространственной ориентации, в том числе разработана концепция активной трехосной системы ориентации микроспутника.
2.6. Должны быть разработаны математические модели угломерной навигационной аппаратуры КНС, предназначенной для измерения пространственного положения МКА, навигационных сигналов, принимаемых на разнесенные антенны, инерциальных навигационных датчиков.
2.7. Должны быть разработаны алгоритмы для программной реализации пространственного подавления помех в том числе:
- алгоритм разрешения фазовой неоднозначности принимаемых на разнесенные антенны навигационных сигналов;
- алгоритм калибровки угломерных каналов в НАП, размещенной на движущемся объекте;
- алгоритмы подавления помех, основанные на применении угломерных каналов в качестве дополнительных;
- алгоритм восстановления фазовых соотношений сигналов принятых на разные антенны после проведения адаптации, с целью достижения возможности определения пространственного ориентации объектов.
2.8. Должен быть разработан комплект прикладных программ для:
- численного моделирования алгоритмов измерения координат и пространственной ориентации МКА;
- разрешения фазовой неоднозначности переборными и одномоментными методами;
- калибровки угломерных каналов НАП раскрытия антенной системы, проведения маневров МКА;
- контроля идентичности угломерных каналов при изменении параметров окружающей среды.
2.9. Должны быть разработаны, изготовлены и исследованы экспериментальные образцы основных функциональных узлов БКУ МКА (контроллеры и коммутаторы SpaceWire, модуль процессора пространственной ориентации, Модуль центрального процессора, модуль НЧ) на основе технологий «система на кристалле».
2.10. Должна быть разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец БКУ МКА в соответствии с ГОСТ 2.125-2008.
2.11. Должен быть разработан комплект БПО и программная документация для центрального процессора управления и процессора пространственной ориентации БКУ МКА в соответствие с ГОСТ серии 9.
2.12. Должен быть разработан, изготовлен и испытан ПА КСИ РЭА.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Будут созданы следующие продукты:
1.1. Экспериментальный образец БКУ с модульно-сетевой архитектурой для МКА:
-экспериментальные образцы основных функциональных узлов БКУ МКА;
-эскизная конструкторская документация.
1.2. Программное обеспечение для БКУ МКА:
-программная документация центрального процессора управления и процессора пространственной ориентации;
-комплект прикладных программ для реализации алгоритмов измерения координат и пространственной ориентации МКА;
-комплект бортового программного обеспечения.
1.3. Программно-аппаратный комплекс специальных испытаний радиоэлектронной аппаратуры КА и комплект конструкторской и программной документации.
1.4. Проект технического задания на выполнение ОКР «Разработка многофункционального комплекса управления платформой МКА, аппаратной пространственной ориентации, связи, навигации и дистанционного зондирования Земли».
2.Решение поставленной задачи основывается на использовании передовых достижениях российской микроэлектроники при проектировании сверхбольших интегральных схем (СБИС) и систем по технологии «система на кристалле». Режим определения пространственной ориентации обладает научной новизной, а способы определения не имеют мировых аналогов, При этом применяемый подход существенно расширяет функциональные возможности навигационной аппаратуры КА, обеспечивает наиболее эффективное комплексирование навигационной аппаратуры потребителей (НАП) с инерциальными навигационными системами. Следует отметить, что использование в составе БКУ НАП определения пространственной ориентации, фазовых измерений сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) предъявляет повышенные требования к погрешности измерения фазы несущей частоты сигнала, вносимой трактами его обработки, что существенно затрудняет разработку методов обработки сигналов в такой НАП. Именно данное обстоятельство обуславливает повышенную наукоемкость разработки НАП определения пространственной ориентации объектов и сдерживает появление на рынке СБИС для ее реализации. В связи с тем, что во всех основных элементах, входящих в состав служебных систем КА, необходимо использовать технологии класса система на кристалле (СнК) и система в корпусе (СвК), а работа этих элементов производится в тесном взаимодействии, в рамках проекта все элементы будут интегрированы в единый комплекс, объединенный общими технологическими, программными, интерфейсными и конструктивными
решениями.
3. Комплексирование космических и автономных систем управления и навигации в настоящее время является наиболее перспективной тенденцией мирового уровня, определяющей облик КА и навигационной аппаратуры на ближайшие годы. Решаемые в рамках данного проекта задачи направлены на расширение функциональных возможностей КА в том числе НАП космической навигационной системы путем реализации более сложных многоканальных схем обработки сигналов НКА, в том числе реализации алгоритмов определения угловой ориентации,
алгоритмов быстрого поиска сигналов НКА, алгоритмов борьбы с помехами при одновременном уменьшении габаритов, массы и потребляемой мощности аппаратуры за счет реализации в виде специализированных СБИС.
Бортовой комплекс управления КА обладает набором характеристик, позволяющим его поставить в один ряд с мировыми аналогами, разрабатываемыми иностранными фирмами-производителями в области космического приборостроения работающими в сотрудничестве с ESA, NASA, Surrey Space Centre, Guildford (Англия), Astrium SAS, Velizy (Франция) и др.
4. В рамках разработки универсального, многофункционального БКУ нового поколения с увеличенным сроком активного существования для малых космических аппаратов необходимо последовательно (поэтапно) решить следующие основные задачи:
- Разработать модульно-сетевую архитектуру БКУ малых КА и отработать применение реконфигурируемых процессорных ядер отечественного производства, имеющих отказоустойчивую архитектуру, разработанную для применения в аэрокосмической отрасли;
- Разработать унифицированную реконфигурируемую платформу для реализации сверхмалых КА разных классов, а так же разработать и изготовить угломерную аппаратуру, структурная схема которой была бы адаптирована к реализации в виде СБИС;
- Разработать и провести функциональные испытания основных узлов БКУ с модульно-сетевой архитектурой (контроллеры и коммутаторы SpaceWire, функциональные IP-core) на основе технологий «система на кристалле».
- Разработать и изготовить опытный образец (технологический демонстратор) БКУ с модульно-сетевой архитектурой.
- Разработать комплект бортового программного обеспечения (БПО).
- Выполнить функциональные испытания БКУ.
- Разработать методы определения пространственной ориентации при использовании многочастотных (L1, L2, L3) измерений по сигналам НКА;
- Разработать антенны для приема сигналов НКА с высоким уровнем стабильности фазового центра;
- Разработать специализированные имитаторы сигналов НКА КНС ГЛОНАСС/GPS/GALILEO, обеспечивающие отработку и метрологическую поверку угломерной навигационной аппаратуры;
- Разработать, реализовать и выполнить лабораторное тестирование комплекта библиотек реконфигурируемых сложно-функциональных (СФ) блоков интеллектуальной собственности, имеющих отказоустойчивую архитектуру, разработанную для применения в аэрокосмической отрасли;
- Разработать технологические основы комплексирования навигационной аппаратуры, работающей по сигналам КНС, с инерциальными навигационными датчиками и системами, и алгоритмы калибровки угломерной системы для подвижных объектов;
- Разработать функциональный состав, поведенческие модели и отработать алгоритмы функционирования однокристальных вычислителей для центрального процессора пространственной ориентации в симуляционном и эмуляционном режимах функционирования;
- Разработать прототипы технических решений на базе HDL-кода, скрипты синтеза, план верификации и тестовое окружение для библиотек СФ-блоков, выполнить функциональное и временное моделирование;
- Разработать и реализовать мобильный измерительный комплекс для специальных испытаний радиоэлектронной аппаратуры малых КА
- Разработать прототипы технических решений и реализовать прототип бортового комплекса управления;
- Разработать архитектуру интегрированной информационной среды поддержки жизненного цикла НАП;
- Создать модель информационных потоков предприятия, обеспечивающих реализацию жизненного цикла изделия (ЖЦИ), провести их исследования, оптимизацию и реализовать корректный обмен данными на этапах схемного, конструкторского и технологического проектирования в интегрированной среде предприятия;
- Выполнить анализ эффективности вариантов новых технологических процессов и выбор технологического оборудования нового поколения для создания высокотехнологичного производства НАП на базе СБИС.
Технологические риски внедрения качественно новой архитектуры сетевого БКУ, могут быть существенно снижены за счет применения последних достижений в области отечественной микроэлектроники, углубленной наземной экспериментальной отработки прототипа БКУ и проведения лётно-космических испытаний в составе технологических КА. В настоящее время в космической отрасли РФ, создан необходимый научно-технический задел, позволяющий разработать единую унифицированную аппаратно-программную платформу для бортовых комплексов управления КА различного класса на основе высокоэффективных информационно-управляющих бортовых сетей и модульной конструкции, объединяющей все функциональные узлы БКУ в единый малогабаритный аппаратно-программный комплекс с широкими возможностями функционально-аппаратной модернизации.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1.Результаты проекта планируется использовать на предприятиях космической отрасли, при выполнении ОКР по проектированию реконфигурируемых бортовых систем малых КА, распределенных систем управления и модулей технического зрения портативных устройств, а так же встраиваемых процессорных ядер для микроэлектронных систем на кристалле.
2. Результаты работы могут быть использованы для создания малых и сверхмалых космических аппаратов, лабораторных и рабочих мест по их изготовлению, наземной экспериментальной отработки бортовой аппаратуры для платформ космических аппаратов. Возможными потребителями результатов работы являются разработчики и производители космических аппаратов и их компонентов, в том числе: ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина», ОАО «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф. Решетнёва», ВНИЭМ и др.
3. Результаты проекта позволят создать необходимый научно-технический задел для внедрения единой унифицированной аппаратно-программной платформы для бортовых комплексов управления малыми КА на основе высокоэффективных информационно-управляющих бортовых сетей и модульной конструкции, объединяющей все функциональные узлы БКУ в единый малогабаритный аппаратно-программный комплекс с широкими возможностями функционально-аппаратной модернизации. Вместе с тем, в сопутствующих секторах рынка должно произойти качественное увеличение спроса на БКУ ответственного применения и распределенные системы управления.
4. В области международного сотрудничества, развития систем демонстрации и популяризации науки науки и образования, результаты исследований позволят значительно повысить эффективность соответствующих мероприятий, будут способствовать развитию материально-технической базы и информационной инфраструктуры, а так же осуществить подготовку кадров высшей квалификации, кандидатов и
докторов наук, внедрить в учебный процесс, передовые технологии освоения космического пространства, микроэлектроники и вычислительной техники для параллельных вычислений, что позволит повысить качество подготовки специалистов.

Текущие результаты проекта:
За 2014 год.
1. Выполнен аналитический обзор научных и информационных источников. Проанализирована научно-техническая литература в нескольких аспектах, касающихся разработки бортового комплекса управления (БКУ) для малых космических аппаратов (МКА): архитектура БКУ, бортовое программное обеспечения, организация внутрисистемных и бортовых интерфейсов, навигационная аппаратура.
2. Разработан регламент проведения патентных исследований, осуществлен поиск патентной документации по Российским и международным базам данных.
3. Выполнено исследование, обоснование и выбор принципов, методов и средств создания системы сетевой, модульной архитектуры для БКУ МКА.
4. Проработаны варианты возможных решений задачи и их сравнительный анализ. Обоснован выбор оптимального варианта решения задачи проектирования БКУ МКА, аппаратуры ориентации МКА и целевой аппаратуры.
5. Разработан технический проект, конструкторская и программная документация на Программно-аппаратного комплекса специальных испытаний радиоэлектронной аппаратуры (ПА КСИ РЭА).
6. Изготовлен и испытан отладочный комплект ПА КСИ РЭА.
7. Разработана программная документация для IP-блоков БКУ.

За 2015 год.
Выполнено теоретическое обоснование возможности использования результатов фундаментальных исследований путем решения модельных задач при большом числе упрощений, позволяющих создать БКУ МКА.
Выполнено обоснование и осуществлен выбор моделей, методов, программ и алгоритмов, позволяющих осуществить моделирование и сформировать пути применения результатов фундаментальных исследований.
Разработан «План эксперимента» в соответствии с ГОСТ 24026-80 и Р 50.1.040-2002 для проведения моделирования.
Разработаны функциональные модели и выполнено математическое моделирование системыы пространственной ориентации БКУ МКА.
Разработаны алгоритмы измерения пространственной ориентации.
Разработаны алгоритмы разрешения фазовой неоднозначности переборными и одномоментными методами.
Разработана математическая модель наблюдаемых навигационных сигналов;
Разработаны алгоритмы калибровки угломерных каналов НАП раскрытия антенной системы, проведения маневров МКА;
Разработаны поведенческие модели и алгоритмы функционирования однокристальных вычислителей для субпроцессора подавления помех.
Разработан комплект прикладных программ для реализации алгоритмов измерения координат и пространственной ориентации МКА;
Выполнена обработка и интерпретация результатов моделирования с исследованием их чувствительности к допущениям, сделанным при построении модели.
Разработаны модели основных сложно-функциональных (СФ) блоков системы на кристалле для центрального процессора управления и процессора пространственной ориентации.
Изготовлены макеты и выполнены лабораторные исследования основных функциональных IP- блоков для БКУ МКА
Выполнено исследование существующей элементной базы Российского производства, обоснованы и выбраны виды экспериментальной реализации БКУ МКА.
Разработан комплект ЭКД экспериментального образца БКУ МКА.
Разработан функциональный состав и сформировано библиотечное окружение для центрального процессора управления и процессора пространственной ориентации.
Изготовлены лабораторные макеты центрального процессора управления и процессора пространственной ориентации.
Выполнены экспериментальные исследования лабораторных макетов центрального процессора управления и процессора пространственной ориентации.
Осуществлена закупка расходных материалов и комплектующих.
Разработаны лабораторные макеты сетевых узлов БКУ.
Выполнены экспериментальные исследования лабораторных макетов сетевых узлов БКУ.