ПОДХОД К ФОРМИРОВАНИЮ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ В ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

Максимов В.А.¹, Дудкин А.С.²

¹Адъюнкт, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, ²Кандидат технических наук, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского.

ПОДХОД К ФОРМИРОВАНИЮ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ В ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

Аннотация

Предложен подход к формированию модели системы хранения данных, основанный на использовании обобщенного показателя живучести. Обобщенный показатель живучести позволяет производить комплексное оценивание функционирования системы хранения данных, учитывать, как аппаратные характеристики системы (надежность, энергопотребление, время доступа), так и вероятность выполнения целевой задачи. Представлена модель хранения специальной информации в космических аппаратах дистанционного зондирования земли, состоящая из модели системы хранения данных и модели процесса хранения информации. Данная модель позволяет оценивать значения показателей живучести системы хранения данных в зависимости от состояния структуры системы и управляющих воздействий на систему.

Ключевые слова: космический аппарат дистанционного зондирования земли, система хранения данных, живучесть, устойчивость.

Maksimov V.A.¹, Dudkin A.S.²

¹Postgraduate Student, A. F. Mozhaiskiy Military Space Academy, ²PhD in Engineering, A. F. Mozhaiskiy Military Space Academy.

THE APPROACH TO EARTH REMOTE SENSING SPACECRAFTS STORAGE SYSTEM MODEL CREATION

 Abstract

Purposed the approach to storage system model creation, based on usage of generalized index of  survivability. Generalized index of  survivability allows to make complex evaluation of storage system function with reckon both hardware system properties (reliability, energy consumption, access time) and probability of achieving target.   Presented earth remote sensing spacecraft storage process model, consisting of data storage model and information storage process model. This model allows to evaluate the survivability index in depending from system structure and managing influence.

Keywords: earth remote sensing spacecraft, onboard storage system, survivability, sustainability.

Конструкция отечественных космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) в плане компоновки основных систем является достаточно хорошо отработанной и устоявшейся, также хорошо отработаны вопросы обеспечения живучести основных систем (системы ориентации, системы управления движения и т.п.). Однако в последние годы наблюдается низкая надежность отдельных узлов космических аппаратов, основанных на цифровых интегральных схемах, что приводит как к отдельным сбоям в работе систем КА, так и к нарушениям функционирования КА в целом. Все это существенно снижает качество эксплуатации космических аппаратов и сокращает срок их активного существования.

Для КА ДЗЗ одной из ключевых систем, обеспечивающих выполнение задачи по предназначению, является система хранения данных (СХД).

Предлагаемый подход к построению модели процесса хранения специальной информации позволяет оценивать живучесть системы хранения данных (путем расчета основных параметров функционирования СХД), а также определять управляющие воздействия на СХД с целью оптимизации качества ее функционирования в условиях воздействия факторов космического пространства.

Показатель живучести СХД КА ДЗЗ

Живучесть определяется как свойство системы сохранять и восстанавливать способность к выполнению основных функций в заданном объеме и в течение заданной наработки при изменении структуры системы и (или) алгоритмов и условий ее функционирования вследствие непредусмотренных регламентом нормальной работы неблагоприятных воздействий [1]. Так как СХД КА ДЗЗ является сложной технической системой, ее живучесть невозможно оценивать только с точки зрения эксплуатационных показателей и технического состояния системы. Необходимо также учитывать и целевую функцию СХД – сохранение в неизменном состоянии и выдача в канал «борт-земля» результатов ДЗЗ.  Таким образом ключевыми целевыми функциями являются процессы чтения и записи результатов ДЗЗ в СХД.

Для оценивания живучести СХД, целесообразно использовать обобщённый показатель живучести СХД:

   (1)

 где Р_БР   – вероятность безотказной работы СХД ДЗЗ;

К_Т – нормированный показатель времени доступа к ячейкам памяти СХД;

К_Е – нормированный показатель потребляемой мощности СХД;

Р_чт – вероятность успешного проведения чтения результатов ДЗЗ, хранящихся в СХД.

Р_зап – вероятность успешной записи результатов ДЗЗ в СХД.

Элементами  являются показатели , которые характеризуют технические характеристики СХД (вероятность безотказной работы СХД, время доступа к СХД, потребляемую  мощность СХД), а также целевые показатели – вероятность успешного проведения операций записи и чтения. Под успешным проведением операций понимается процесс в результате которого в канал «борт-земля» передается та же информация, что и поступила в СХД от целевой аппаратуры.

Для свертки всех значений вектора ϒ в обобщённый показатель [2] нормируем показатели К_Т,К_Е в пределах [0;1].

Нормированный показатель времени доступа к информации в СХД К_Т:

  (2)

где    время доступа к СХД в условиях текущей структуры S';

–минимальное время доступа к СХД (в начале функционирования с структурой S₀);

T_tr – максимально допустимое время доступа к СХД.

Нормированный показатель потребляемой мощности СХД К_Е:

  (3)

где   – энергопотребление в условиях текущей структуры S';

 – мощность, потребляемая в СХД в начале функционирования;

E_tr - максимально допустимое энергопотребление СХД.

Предлагаемый показатель живучести позволяет оценивать функционирование СХД КА ДЗЗ не только с точки зрения технических параметров СХД, но и с точки зрения выполнения ею своего целевого предназначения.

Модель функционирования системы хранения данных КА ДЗЗ в условиях влияния неблагоприятных факторов космического пространства

В общем случае процесс хранения информации в СХД можно описать следующим образом [3] (рис.1):

Рис. 1 - Общая схема модели хранения специальной информации в СХД КА ДЗЗ

Таким образом, предлагаемая модель структурно представляет собой совокупность двух моделей: модели СХД (позволяет оценивать надежность и технические параметры системы) и модели процесса хранения специальной информации (СИ) (позволяет оценивать вероятность выполнения целевых функций системы) в зависимости от времени активного существования КА и воздействий на систему.

Процесс хранения информации в СХД КА ДЗЗ может быть описан следующим образом (рис.2).

В результате работы специальной аппаратуры (СА) генерируется информация I₀(π), имеющая приоритет π. Приоритет характеризует собой важность информации для наземного комплекса управления (НАКУ) и задается в ходе выдачи команды на проведение сеанса ДЗЗ.

СИ  I₀(π) подвергается преобразованию (блоковое помехоустойчивое кодирование) μ₁(π) с параметрами  в результате чего вводится информационная избыточность , позволяющая восстанавливать исходную информацию  в случае утери одного или нескольких блоков информации.

Рис. 2 - Процесс хранения информации в СХД КА ДЗЗ

СИ  подвергается преобразованию (линейное помехоустойчивое кодирование) μ₂(π) с параметрами  в результате чего вводится избыточность , позволяющая исправлять ошибки, вызванные ошибками в каналах связи и одиночными сбоями в ячейках памяти (ЯП). При этом параметры кодирования μ₁(π), μ₂(π) выбираются исходя из приоритета поступающей информации и текущего состояния СХД S' (в частности доступного объема свободной памяти и параметров надежности элементов).

СИ  подвергается распределению  по структуре S' (n блоков по i модулям j-го типа) в соответствии с правилом .

Далее n блоков, поступивших на модуль накопителя (МН) m_ij подвергается распределению  по страницам МН P_ijk МН m_ij в соответствии с правилом . Параметры распределения СИ по МН и ЯП выбираются исходя из приоритета поступающей информации и текущего состояния СХД S' (в частности доступного объема свободной памяти и параметров надежности элементов).

При проведении сеанса связи с наземным комплексом управления (НАКУ) СИ выдается в канал «борт-земля». При этом, на выходе СХД существует возможность искажения битов целевой информации, вызванная неустранимыми искажениями исходной информации при хранении в СХД. Оценка возможности искажения битов происходит при расчете вероятности успешного чтения СИ Р_чт. Очевидно, что Р_чт прямо пропорциональна избыточности , вносимой помехоустойчивым кодированием и зависит от распределения ,  СИ по структурным элементам СХД.

Таким образом, предложенный подход позволяет провести дальнейшую детальную проработку моделей СХД и модели процесса хранения данных в СХД. Представленный показатель живучести учитывает, как технические параметры СХД (энергопотребление, время доступа, надежность системы), так и целевые показатели функционирования системы (вероятность успешного проведения процессов записи и чтения специальной информации).

Литература

1. Черкесов Г.Н. Методы и модели оценки живучести сложных систем. – М.: Знание, 1987 г.
2. Кирилин А.Н. Методы обеспечения живучести низкоорбитальных автоматических КА зондирования Земли / А.Н. Кирилин, Р.Н. Ахметов, А.В. Сологуб, В.П. Макаров – М.: Машиностроение, 2010. – 66 с.
3. И.В. Захаров, Г.В. Кремез, В.А. Максимов / Построение распределенных запоминающих устройств бортовых вычислительных систем космических аппаратов дистанционного зондирования земли // Труды военно-космической академии имени А.Ф.Можайского – СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2016 – Вып.652. – С.160-166.

References

1. Cherkesov G.N. Metody i modeli ocenki zhivuchesti slozhnyh system [Methods and models of complex systems survivability evaluation]. – M.: Znanie, 1987 g. P. 43. [in Russian]
2. Kirilin A.N. Metody obespechenija zhivuchesti nizkoorbital'nyh avtomaticheskih KA zondirovanija Zemli [Methods of low-orbit automatic earth remote sensing spacecraft’s survivability maintaince]/ A.N. Kirilin, R.N. Ahmetov, A.V. Sologub, V.P. Makarov – M.: Mashinostroenie, 2010. – 66 s. [in Russian]
3. I.V. Zakharov, G.V. Kremez, V.A. Maksimov / Postroenie raspredelennyh zapominajushhih ustrojstv bortovyh vychislitel'nyh sistem kosmicheskih apparatov distancionnogo zondirovanija zemli [Designing of Earth remote sensing spacecraft onboard distributed storage devices ]// Trudy voenno-kosmicheskoj akademii imeni A.F.Mozhajskogo [Proceedings of the Military Space academy named after A.F. Mozhaisky]. – SPb.: MSA named after A.F. Mozhaisky, 2016. – Release 652. - P. 160-166. [in Russian]