Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ НАЗЕМНО-КОСМИЧЕСКИХ
РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ 14
1.1. Основные особенности наземно-космических радиотехнических
систем 14
Принципы построения НКРТС 15
Особенности бортового сегмента НКРТС 27
Особенности наземного сегмента НКРТС 30
1.2. Расчетные методы проектных исследований надежности
НКРТС 33
1.2.1. Общая характеристика методов расчета надежности
технических средств НКРТС 34
Методы расчета надежности программных средств 44
Метод расчета надежности радиолиний 47
1.3. Методики обеспечения надежности при проектировании
НКРТС 50
1.3.1. Обобщенная методика обеспечения надежности 52
Постановка задач диссертационной работы 68
Выводы по главе 1 69
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ НКРТС 71
Обоснование и выбор показателя надежности НКРТС 71
Разработка моделей надежности типовых НКРТС 75
Разработка моделей надежности составных частей НКРТС 79
2.3.1. Разработка модели надежности сегментов НКРТС для
сеансного режима работы 79
2.3.2. Разработка модели надежности радиолинии 82
2.3.3. Разработка моделей надежности наземного сегмента,
содержащего «вспомогательные» элементы 90
2.4. Выводы по главе 2 103
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
НАДЕЖНОСТИ НКРТС 105
3.1. Разработка общего алгоритма метода оценки надежности
НКРТС 105
3.2. Разработка методов расчета характеристик надежности
компонентов НКРТС . 115
Разработка метода расчета характеристик надежности радиолиний НКРТС 115
Разработка метода макромоделирования характеристик надежности электронно-вычислительных средств 119
3.3. Выводы по главе 3 125
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЦЕССА ИССЛЕДОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ НАЗЕМНО-КОСМИЧЕСКИХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА И
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 127
4.1. Разработка комплекса инженерных методик обеспечения
проектной надежности НКРТС 127
Разработка алгоритма методики обеспечения надежности НКРТС при проектировании 128
Методика оценки характеристик надежности бортового и наземного сегментов НКРТС 133
4.1.3. Методика определения характеристик надежности радиолинии
«Земля-Борт» или «Борт-Земля» 136
4.1.4. Методика оценки надежности специализированных
программных средств радиотехнических систем 149
Пример использования результатов работы при проектировании системы «Компарус» 158
Экспериментальная проверка метода на основе реальных данных подконтрольной эксплуатации 176
Сравнительный анализ результатов оценки экспериментальных данных, традиционного и предложенного методов 180
Внедрение результатов работы 182
Выводы по главе 4 183
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 185
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 188
ПРИЛОЖЕНИЯ 212
Приложение 1. Акты внедрения результатов диссертационной
работы и свидетельства об официальной регистрации для ЭВМ 213
Приложение 2. Расчет надежности элементов СЧ КРТС «Компарус» с
помощью ПК АСОНИКА-К, на примере «блока питания» 232
Приложение 3. Расчет надежности БС и НС НКРТС «Компарус» с
помощью предложенного метода 240
Введение к работе
У нас в стране и за рубежом ведутся работы по совершенствованию систем управления различными классами аппаратуры. Одной из наукоемких представителей таких систем является наземно-космическая радиотехническая система (НКРТС), которая представляет собой совокупность комплексов управления космическими аппаратами (КА). Она включает в себя бортовой комплекс управления (бортовой сегмент) -БКУ (БС) и наземный комплекс управления (наземный сегмент) - НКУ (НС). НКРТС осуществляет обмен информацией между сегментами, при этом процесс управления КА осуществляется по радиоканалу и, при необходимости, по радиоканалам телеметрической системы или целевой радиолинии [1-7, 34]. Основными требованиями, предъявляемыми при проектировании НКРТС, являются требования к баллистическому обеспечению, относительной стоимости объекта-сеанса управления, повышению пропускной способности, обеспечению радиообмена при значительном превышении уровня помехи над сигналом, снижение габаритно-весовых характеристик и энергопотребления, повышение оперативности управления КА и надежности управления.
Одним из основных факторов, влияющих на эффективность использования НКРТС, является их надежность. Низкие показатели надежности приводят к авариям и большому числу ошибок, что в значительной степени сдерживает развитие ракетно-космической отрасли, использование ее достижений в научных и прикладных программах, развитие международного рынка космических изделий и услуг [1-7]. Высокий показатель надежности очень важен для НКРТС, т.к. выход из строя средств управления КА в большинстве случаев приводит к потере этого КА, что влечет за собой дополнительные затраты на ремонт оборудования и восстановления связи с КА.
Проблеме определения надежности НКРТС на этапах проектирования уделяется особое внимание, что обусловлено не только увеличением сложности изделий и требований к их надежности, но и тем, что сложен выбор методологических основ определения надежности.
Необходимость в поэтапном подтверждении требований обусловлена невозможностью подтверждения высоких требований по надежности (на уровне вероятности безотказной работы за 5 лет не менее 0,98...0,99 и выше) на всех стадиях разработки. Стратегия поэтапного подтверждения требований по надежности позволяет подтвердить установленный в ТЗ уровень надежности. Такие дополнительные мероприятия дают ряд важных преимуществ. Их использование позволяет сократить сроки разработки, избежать конструкторских ошибок, проводить сравнение различных вариантов построения систем, оптимизировать проекты по критериям стоимости, надежности и оптимальных весовых характеристик. Это, несомненно, повысит уровень проектной надежности НКРТС в целом [36-38, 49, 50, 55].
Одно из перспективнейших направлений работы в области исследования надежности НКРТС - это введение показателя надежности, создание моделей функционирования различных типов НКРТС и методов исследования их надежности.
Существующие методы исследования надежности НКРТС позволяют проводить только анализ каждого из сегментов в отдельности (т.е. без учета влияния сегментов друг на друга) [17, 21, 26]. Это обусловлено тем, что бортовой сегмент относится к невосстанавливаемым изделиям, а наземный сегмент - к восстанавливаемым. Такой подход приводит к существенному занижению показателей надежности, что, в свою очередь, влечет удорожание системы, увеличение сроков ее проектирования и снижение норм качества проектирования.
Поэтому актуальной задачей является разработка метода расчета надежности НКРТС, позволяющего получить характеристики надежности на основе структурно-функциональных моделей НКРТС, учитывающих нево останавливаемые и восстанавливаемые сегменты и отражающих их логику работы и условия функционирования.
Исходя из научной задачи, сформулирована цель диссертационной работы: повышение эффективности и технико-экономических показателей проектирования НКРТС за счет внедрения новых автоматизированных методов исследования надежности, адекватно описывающих процесс функционирования систем.
Для достижения заданной в диссертации цели были поставлены и решены следующие задачи:
Обзор и анализ существующих методов расчета надежности, применяемых при проектировании НКРТС.
Обоснование выбора показателя надежности, отражающего условия функционирования НКРТС.
Разработка единой комплексной модели и математических моделей надежности для «типовых» схем построения НКРТС.
Разработка метода расчета надежности НКРТС при проектировании, включающего в себя:
метод расчета характеристик надежности радиолинии «земля-космос» и (или) «космос-земля»;
метод расчета характеристик надежности наземного сегмента с учетом влияния «вспомогательных» элементов (ВЭ);
метод расчета характеристик надежности компонентов вычислительной техники наземного сегмента.
5. Разработка комплекса инженерных методик для обеспечения надеж
ности НКРТС при проектировании, в том числе:
инженерную методику исследования надежности радиолинии «земля-космос» и (или) «космос-земля»;
инженерную методику исследования надежности наземного сегмента с учетом влияния «вспомогательных» элементов;
инженерную методику исследования надежности компонентов вычислительной техники наземного сегмента.
6. Экспериментальная проверка результатов работы и их внедрение на промышленных предприятиях и в вузах.
В процессе решения поставленных задач использовались принципы системного подхода, теория математического моделирования, общая теория систем, теория надёжности, теория вероятностей и математической статистики, теория однородных марковских процессов, теоретические основы проектирования радиоэлектронных средств, теория структурного анализа, теория математического анализа, теория численных методов, методы вычислительной математики, теоретические основы радиоэлектроники и связи и экспериментальные методы исследования.
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений, включающих в себя акты внедрения и результаты расчетов.
В первой главе, в соответствии с поставленной в диссертационной работе целью, проводится анализ основных особенностей наземно-космических радиотехнических систем, а также особенностей бортового и наземного сегментов. Рассматриваются методы проектных исследований надежности СЧ НКРТС - аппаратной части сегментов, программных средств, радиолинии. Также в главе рассмотрен вопрос «уязвимости» существующей методики обеспечения надежности НКРТС при проектировании, показаны ее «слабые» места и недостатки. Поставлены задачи диссертационной работы, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.
Во второй главе рассматриваются вопросы по обоснованию и выбору показателя надежности НКРТС, а также приводятся модели надежности для «типовых» схем управления. Кроме того, приведено подробное описание разработки моделей надежности сегментов НКРТС для се-ансного режима работы, модели надежности радиолинии, а также модели надежности наземного сегмента, содержащего «вспомогательные» элементы.
В третьей главе представлены результаты разработки общего алгоритма метода оценки надежности НКРТС, который положен в основу создания математического ядра программы автоматизированного расчета надежности сложных изделий. Кроме того, рассматриваются вопросы по созданию метода вычисления надежности радиолиний и прохождения информации по радиотрактам с учетом детерминированной траектории пути радиосигнала. Таюке решена задача по разработке метода макромоделирования характеристик надежности (интенсивностей отказов в различных режимах) для электронно-вычислительных средств НС НКРТС.
В четвертой главе представлены результаты разработки комплекса методик обеспечения надежности НКРТС, который отличается от существующей методики объединением этапов оценки общей надежности системы. Комплекс методик включает в себя ряд методик по определению характеристик надежности радиолиний, оценке параметров надежности по макромоделям ЭВС НЧ НКРТС и оценке надежности специализированных программных средств (СПС) НКРТС. Также рассматриваются вопросы оценки показателей надежности по результатам испытаний и подконтрольной эксплуатации реального объекта, разработанного ФГУП «НИИТП» и результаты расчета по традиционным и предложенному методам. Анализируются статистические данные с использованием критериев согласия и формулируются выводы. В главе приве-
дено описание экспериментальных исследований по оценке точности разработанных методов, а также результатов внедрения разработанных моделей, методов и методического обеспечения в практику проектирования на предприятиях и учебный процесс вузов.
При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие научные результаты:
Предложен показатель надежности НКРТС, который характеризует надежность управления.
Разработана комплексная модель надежности НКРТС, параметры которой зависят от структурно-физических свойств сегментов НКРТС, наличия «вспомогательных» элементов, надежности программных средств и радиолинии, что позволяет получить более точную и полную оценку характеристик надежности и определить «уязвимые места».
Разработан метод оценки надежности НКРТС при проектировании, который, в отличие от известных, позволяет получить количественную оценку надежности управления для систем, содержащих восстанавливаемые и невосстанавливаемые сегменты.
В рамках разработанного метода предложен метод расчета вероятности бессбойной работы радиолинии, отличающийся от известных возможностью учета влияния метеорологических параметров в месте установки наземного сегмента.
Разработан комплекс инженерных методик обеспечения надежности НКРТС при проектировании, основанный на разработанных моделях и методах. Комплекс включает в себя ряд методик, которые в совокупности позволяют провести всестороннее исследование надежности НКРТС, выявить и устранить «слабые места» и, тем самым, обеспечить требуемый уровень надежности управления.
Практическая полезность работы состоит в том, что разработанные в работе модели и методы легли в основу создания математического яд-
pa программного комплекса «АСОНИКА-К», а методическое обеспечение позволяет реализовать технологию надежностно-ориентированного проектирования при разработке образцов НКРТС, обеспечивающую высокие показатели качества и их конкурентоспособность. На защиту выносятся:
Комплексная модель НКРТС, характеризующая вероятность готовности системы к управлению и выполнению всех основных функций для систем, в состав которых входят как восстанавливаемые, так и невосстанавливаемые сегменты,
Математическая модель вероятности бессбойной работы радиолинии, отличающаяся от известных возможностью учета влияния метеорологических параметров в месте установки наземного сегмента.
Метод оценки надежности наземно-космических радиотехнических систем при проектировании, представляющий собой комбинацию аналитических и численных методов.
Комплекс инженерных методик обеспечения надежности НКРТС при проектировании, позволяющий создавать НКРТС с требуемым уровнем надежности при одновременном сокращении сроков проектирования и снижении его трудоемкости и стоимости.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования на ФГУП «Научно-исследовательский институт точных приборов» (г. Москва), ОАО «Радиотехнический институт им. академика А.Л. Минца» (г. Москва), ОАО «Концерн радиостроения «Бега» (г. Москва), ОАО «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь» (г. Каменск-Уральский), ФГУП «Научно-исследовательский институт «Аргон» (г. Москва), ЗАО «Всесоюзный институт волоконно-оптических систем связи и обработки информации» (г. Москва), а также в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики (технического университета), Астраханского госу-
дарственного университета и Пензенского государственного университета.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на LXI научной сессии, посвященной Дню Радио (Москва, 2006), Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2006), III международном симпозиуме «Качество, инновации, образование и СЖ^-технологии» (Египет, г. Хургада, 2007), Международной конференции и Российской научная школе «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий» - ИННОВАТИКА (Сочи, 2005-2007), XIV международной студенческой школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Судак, 2006-2008), Всероссийской конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2005), II всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия» (г. Каменск-Уральский, 2007), Конференции-выставке «Достижения и перспективы военной информатизации» - Модуль (Москва, 2006), Научно-практической конференции «Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества» - КБД-ИНФО (Сочи, 2005-2008), IX научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии в автоматизированных системах» (Москва, 2006), Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (Москва, 2005-2008).
По теме диссертационной работы опубликовано 26 научных трудов, в том числе 2 монографии, 12 статей, из них 2 в журнале, рекомендованном в списке ВАК, 12 тезисов-докладов и 5 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" Московского государственного института электроники и математики (технического
университета).
Работу консультировали д.т.н., профессор Кофанов Ю.Н. (по теории моделирования), д.т.н., доцент Тумковский СР. (по теории оптимизации и численным методам решения систем уравнений) и д.т.н., профессор Увайсов СУ. (по теоретическим основам проектирования радиотехнических систем).
