Методы активного резервирования с восстанавливающими элементами в устройствах автоматики служебных систем космических аппаратов

Современной уровень развития ракетно-космической техники (РКТ) характеризуется разработкой высоконадежных служебных систем космических аппаратов (КА) с длительным сроком активного существования (САС), включающих в себя комплекс устройств автоматики (УА). Требования обеспечения высокой надежности при длительных САС (10 и более лет) относятся и к служебным системам КА, и к их УА, обеспечивающих энергетику, тепловые режимы, ориентацию и коррекцию КА. Требуемая для УА вероятность безотказной работы (ВБР) — не менее 0,996.

Непрерывный рост сложности УА, их миниатюризация, увеличение скорости представления, обработки и передачи информации, широкое использование микроЭВМ для сбора и обработки данных, формирования и выдачи управляющих воздействий, ответственность выполняемых функций и др. поставили перед инженером-разработчиком ряд проблем, связанных с обеспечением высокой надежности.

Решение этих проблем на этапе проектирования УА в значительной мере зависит от выбора надежных схемно-конструкторских решений, введения различных видов избыточности, обеспечения определенных запасов работоспособности. Критерием эффективности выбранных решений на данном этапе являются количественные требования в виде вероятностных показателей надежности на У А.

В общем случае УА могут содержать как цифровые, так и аналоговые устройства. Для цифровых устройств проблему обеспечения заданной надежности приходится решать с учетом дискретного характера работы элементов, наличия двух видов неисправностей (отказы и сбои). Для аналоговых устройств, для которых информация представляется в аналоговой (непрерывной) форме, эта проблема должна быть решена с учетом точности выполнения заданных функций. Учет этих особенностей приводит к тому, что оценка надежности УА должна производиться по нескольким показателям. В качестве основных показателей надежности для цифровых устройств принято использовать вероятности безотказной и бессбойной работы У, А в течение С АС [1], а для аналоговых устройств часто применяют вероятность того, что их погрешность не превысит заданного допустимого значения [2].

Для обеспечения высокой надежности УА применяют различные методы резервирования, основанные на введении структурной, временной и информационной избыточности. При недостаточно надежных электрорадиоизделиях (ЭРИ) базовыми методами резервирования, с помощью которых обеспечивают безотказность УА, являются методы, основанные на введении структурной избыточности. Временную и информационную избыточность обычно вводят дополнительно для обеспечения бессбойности и точности функционирования УА.

Однако существует определенный класс УА, специфической особенностью которых является фактор сохранения непрерывности работы при возникновении любых видов неисправностей в резервируемых устройствах (РУ) в процессе эксплуатации. Непрерывный режим работы УА предъявляет особые требования к их надежности. В этом случае проблема сохранения непрерывности работы не может быть решена без введения структурной избыточности, т.к. только структурная избыточность позволяет исправлять ошибки, вызванные как отказами, так и сбоями.

Эта особенность выдвинула в перечень актуальных проблем теоретические и прикладные вопросы «горячего» резервирования, способного исправлять возникающие в РУ ошибки без перерыва работы. Именно поэтому технический прогресс последних лет характеризуется широким внедрением структурных методов резервирования, не допускающих перерывов в работе УА при отказе или сбое в одном или нескольких РУ.

Для решения этой задачи нашли применение методы постоянного (без замещения) резервирования с восстанавливающими элементами (ВЭ) с мажоритарной функцией, в основу которых положена пассивная реакция на возникновение неисправностей в РУ. Однако основным их недостатком является малоэффективное использование резервного оборудования при исключении распространения ошибок по структуре резервирования избыточной системы. Ошибки в избыточной системе могут накапливаться и достичь критического состояния, когда ошибки уже не могут быть исправлены без перестройки структуры резервирования.

Этот недостаток может быть исключен применением методов активного резервирования с ВЭ, позволяющих адаптироваться избыточной системе к возможным видам неисправностей в РУ, количество которых достигло порога отказа начальной мажоритарной функции. Применение таких методов предполагает использование в адаптивной избыточной системе (АИС) совокупности средств восстановления, работа которых определяется наличием информации об ошибках в РУ, необходимой для организации процесса восстановления при перестройке структуры резервирования.

В настоящее время имеются публикации [3−11], затрагивающие отдельные вопросы теории и практического применения методов активного резервирования с ВЭ, однако они носят несистематизированный характер и не дают полного представления о таких методах и об особенностях их применения в УА. Последние изданные работы [9−11] явились попыткой восполнить этот пробел. Проведенный анализ этих публикаций показал, что в теории активного резервирования в основном решены вопросы, связанные с автоматическим замещением отказавшего оборудования резервным, при котором на время переключения происходит потеря непрерывности работы АИС. Этот принцип распространим и на избыточные системы с ВЭ с мажоритарной функцией, позволяющие обеспечивать непрерывность работы при отказах РУ. В этом случае отказавшие РУ любого канала АИС автоматически замещаются аналогичными РУ. Однако такой метод требует дополнительных аппаратных затрат на замещающие РУ и приводит к сложной схеме коммутации, поэтому на практике не нашел широкого применения. Существует также возможность адаптации ВЭ к ошибкам во входных сигналах и возможность целенаправленного изменения порога отказа ВЭ. В первом случае требуется статистическая обработка ошибок в сигналах, поэтому такие ВЭ отличается сложностью. Во втором случае требуется простая перестройка ВЭ внешними управляющими воздействиями, которая предполагает использование специальных средств организации перестройки структуры резервирования. В настоящей работе проведен сравнительный анализ новых более эффективных методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, основанных на автоматической перестройке структуры резервирования по результатам контроля и диагностики неисправностей в РУ, которые не требуют введения в АИС дополнительных замещающих РУ.

Применение новых методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ определило и новые подходы в проектировании УА. При этом возникли вопросы, какими дополнительными путями возможно восстановление неискаженной информации в АИС при использовании этих методов. Ответы на поставленные вопросы, могут быть получены при сравнительном анализе этих методов и исследовании особенностей их применения в АИС с различным функциональным составом и характером функционирования, позволяющих получить наиболее простые, универсальные схемотехнические решения средств восстановления, пригодные для инженерной практики.

При оценке надежности УА, для которых требуется обеспечить при возникновении неисправностей в РУ непрерывный режим работы, обычно рассматривают две задачи: задачу, связанную с выбором методов активного резервирования с ВЭ, и задачу обеспечения надежности УА с использованием выбранных методов активного резервирования с ВЭ.

При современном уровне сложности УА решение задачи выбора метода активного резервирования с ВЭ усложняется тем, что с одной стороны при имеющемся уровне качества ЭРИ приходится решать задачи обеспечения безотказности АИС даже при наличии отказов совокупности ЭРИ (кроме того, разработчики АИС часто вынуждены применять новые ЭРИ с неизвестными характеристиками надежности, поскольку с начала серийного выпуска ЭРИ до определения их характеристик надежности обычно проходит несколько лет) и с другой стороны при имеющейся чувствительности устройств к различным дестабилизирующим факторам приходится решать задачу обеспечения бессбойности и точности функционирования АИС даже при высокой интенсивности возникновения ошибок при передаче информации между отдельными устройствами (источники дестабилизирующих факторов не всегда известны заранее).

Несвоевременность поступающей информации о надежности ЭРИ и возможных источниках дестабилизирующих факторов значительно ограничивает практическую применимость различных методов теории надежности при расчете, проектировании, изготовлении и эксплуатации УА. Поэтому задача выбора достаточно эффективных методов активного резервирования с ВЭ является одной из самых актуальных задач повышения надежности УА.

Другая не менее важная задача — обеспечение надежности УА с использованием выбранного метода активного резервирования с ВЭ — также является проблематичной. Выигрыш в надежности при применении того или иного метода активного резервирования с ВЭ всегда сопровождается ухудшением ряда других характеристик УА, таких как масса, габариты, потребляемая мощность, стоимость. Для УА с различным функциональным составом и характером функционирования возникают проблемы выбора оптимального состава средств восстановления. Поэтому важно решение этой задачи с учетом минимизации структурной избыточности. При этом необходимо решать эти задачи с учетом использования современной элементной базы и новых подходов в технологии испытаний.

Таким образом, возникает объективная необходимость разработки и внедрения принципов построения АИС, определяемых методами активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ. Наиболее перспективным подходом к решению этих задач является разработка общих принципов построения АИС на основе уже существующих принципов, определяемых методами пассивного резервирования с ВЭ.

Совершенствование характеристик надежности УА, строящихся по методам активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, идет по двум основным направлениям. Первое направление предусматривает автоматическое изменение параметров структурной избыточности путем перестройки ВЭ (адаптация), эффективность которого характеризуется полнотой использования резервного оборудования при коррекции ошибок, вызванных постоянными отказами. Второе направление предусматривает автоматическую перезапись информации из исправного канала в канал, восстановивший свою работоспособность (реабилитация), эффективность которого характеризуется полнотой использования резервного оборудования при коррекции ошибок, вызванных кратковременными отказами.

В данной работе аккумулированы результаты научно-исследовательских, проектно-конструкторских изысканий, выполненных автором или под его руководством, которые легли в основу более эффективных методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, позволяющих автоматически перестраивать структуру резервирования АИС при возникновении неисправностей в РУ.

Актуальность работы.

Активное резервирование с перестраиваемыми ВЭ занимает особое место в обеспечении надежности УА и ставит своей целью сохранить работоспособность при возникновении различных неисправностей в РУ без перерыва в работе и обеспечить требуемую надежность систем КА. В связи с изложенным, недостаточно надежными ЭРИ, большой стоимости работ по повышению их надежности, необходимо обеспечить требуемую надежность УА с сохранением заложенных технических параметров в течение длительной эксплуатации (10−15 лет). Уже с первых КА вопросы совершенствования и изыскания новых методов резервирования УА постоянно в поле зрения разработчиков PKT. Указанные обстоятельства определяют актуальность работы.

Представленная диссертационная работа выполнена в НПО ПМ по планам реализации директивных документов Совмина СССР, Росавиакосмоса, направленных на увеличение САС КА, разрабатываемых НПО ПМ (Решение комиссии Президиума СМ СССР по ВПВ от 17.04.84 г. № 116 «О подготовке к представлению плана работ по дальнейшему увеличению САС КА связи», Федеральная программа России на 2001;2005гг., утвержденная постановлением Правительства РФ от 30 марта 2000 г № 288 и др.).

Цель работы — разработка более эффективных методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, позволяющих повысить эксплуатационную надежность УА служебных систем КА в течение САС в условиях возникновения различных видов неисправностей в РУ.

Научная новизна заключается в разработке методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, позволяющих строить АИС, способные сохранять непрерывность функционирования УА при возникновении неисправностей в РУ за счет автоматической перестройки структуры резервирования без введения дополнительных элементов замещения.

Основные задачи исследования:

— определение особенностей применения в АИС методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ и необходимого состава средств восстановления для исключения распространения ошибок по структуре резервирования;

— изыскание математико-алгоритмических методов выбора оптимального состава РУ в АИС для обеспечения заданного уровня надежности УА;

— разработка для трехканальных АИС алгоритмов перестройки ВЭ согласно принципам адаптации и реабилитации, которые определяют необходимый состав средств восстановления;

— изыскание схемотехнических решений средств восстановления, позволяющих при построении конкретной АИС минимизировать аппаратные затраты на средства восстановления;

— разработка рекомендаций по реализации в АИС трехканальных избыточных устройств на микросхемах с учетом ряда особенностей, характерных для интегрального базиса;

— обеспечение перехода к более эффективным методам проверок резервного оборудования при функциональном контроле и испытаниях УА, основанным на нарушении мажоритарной избыточности АИС внешними управляющими воздействиями.

Практическая ценность и реализация результатов работы подтверждаются:

— использованием предложенной методологии активного резервирования с ВЭ в практике разработки УА служебных систем КА, создаваемых и выпускаемых НПОПМ с учетом этой методологии более 15 лет, и положительными результатами их эксплуатации;

— включением научно-методических разработок в нормативно-технические и технологические документы НПО ПМ по конструированию и наземной экспериментальной отработки (НЭО) УА;

— увеличением вероятности безотказной и бессбойной работы УА, реализованных по методам активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ;

— признанием изобретениями ряда трехканальных АИС и устройств.

Личное участие автора.

Автору принадлежат разработка методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, исследование особенностей применения этих методов в трехканальных АИС, разработка математико-алгоритмических методов выбора оптимального состава РУ в структуре АИС и алгоритмов перестройки ВЭ, реализация всей совокупности средств восстановления, а также выработка рекомендаций по реализации трехканальных избыточных устройств, разработка методологии проведения экспериментальных исследований и непосредственное участие в НЭО разработок НПО ПМ, реализуемых по этим методам.

Достоверность результатов обеспечивается экспериментальным подтверждением эффективности методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ путем имитации неисправностей при испытаниях УА, расчетным оценкам ВБР, результатами натурной эксплуатации УА в составе изделий «Экран-М», «Глобус».

Практическое значение работы.

Результаты работы позволили:

— систематизировать существующие методы резервирования с ВЭ и на основе проведенной классификации выявить достоинства и недостатки при их выборе для повышения эксплуатационной надежности УА;

— расширить возможности резервирования, увеличив для разработчиков УА арсенал методов резервирования с ВЭ;

— создать базу унифицированных схемотехнических решений средств восстановления, пригодных для построения любых трехканальных АИС независимо от их функционального состава и характера функционирования;

Апробация работы.

Основные положения и научные результаты докладывались и обсуждались на научно-технических советах отделения 600 НПОПМ (1987 г, 2006 г), Международной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения качества изделий в машиностроении» (Красноярск, 1994 г), X Международной научной конференции «Решетнёвские чтения» (Красноярск, 2006 г).

Опытный образец трехканальных избыточных устройств АИС экспонировался на ВДНХ СССР «НТТМ-87» (Москва, 1987 г), а всей АИС — на выставке «ЭКСПО-91» (Пловдив, 1991 г).

Публикации.

Основные результаты работы изложены в 16 публикациях, в том числе в 4 научных статьях, 10 изобретениях, 1 репринте, 1 отчете по НЭО.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа изложена на 108 страницах машинописного текста, иллюстрирована 25 рисунками и состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы из 30 наименований и приложения, представляющего акт о внедрении результатов научных исследований.

Основные выводы и результаты.

Существующие методы резервирования с ВЭ, пришедшие из контактной и транзисторной схемотехники, в условиях применения интегральной схемотехники не в полной мере реализовали потенциальной возможности последней, что ориентировало специалистов на поиски более эффективных методов резервирования с ВЭ, позволяющих придать избыточной системе свойство адаптивности к возможным видам неисправностей в РУ, в результате чего автором получены результаты:

— разработаны новые методы активного резервирования с ВЭ, позволяющие повысить эксплуатационную надежность УА (безотказность и бессбойность) за счет автоматической перестройки ВЭ при возникновении неисправностей в РУ, количество которых достигло порога отказа начальной мажоритарной функции, и перейти к более эффективным методам контроля резервного оборудования АИС, основанным на нарушении мажоритарной избыточности внешними управляющими воздействиями;

— выявлена универсальность методов активного резервирования перестраиваемыми ВЭ, заключающаяся в общем подходе организации средств восстановления для любой АИС, независимо от ее функционального состава и характера функционирования, при котором производится одновременная перестройка ВЭ всех избыточных устройств по общему правилу;

— предложена методология выбора состава РУ при построении структуры АИС и разработки алгоритмов перестройки ВЭ, позволяющая оптимизировать аппаратные затраты на реализацию средств восстановления и более эффективно использовать резервное оборудование при исключении распространения ошибок по структуре резервирования, при которой не требуется введение дополнительных замещающих РУ, а требуется лишь при обнаружении неисправностей выбор оставшегося исправного оборудования в соответствии с алгоритмом перестройки (для трехканальной АИС обеспечено сохранение работоспособности при отказе двух каналов вместо одного);

— введен новый подход обеспечения синхронной работы РУ, предусматривающий не только синхронизацию сигналов по признаку большинства (мажоритарный режим), но и перезапись информации из исправного одиночного канала в восстанавливаемый (режим реабилитации), выработаны рекомендации по способам введения схем синхронизации в РУ при реализации различных трехканальных избыточных устройств в зависимости от выбранной элементной базы и временных расхождений синхронизируемых сигналов;

— показана возможность унификации схемотехнических решений средств восстановления для любых мажоритарно-перестраиваемых АИС с целью сокращения сроков проектирования УА.

Полученные результаты позволили ввести в практику конструирования и экспериментальной отработки УА методологию активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, подтвердить эффективность ее использования при имитации неисправностей в процессе испытаний [30] и эксплуатации УА в составе служебных систем КА.

Распространение предложенных принципов резервирования на УА позволило достигнуть ВБР значения 0,998 при САС 10 лет, привнести понимание важности использования новых методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ на этапах проектирования УА, что явилось существенным элементом повышения надежности КА с длительным САС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Методы активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ открывают широкие перспективы повышения эксплуатационной надежности УА, в которых требуется обеспечение непрерывности работы при возникновении неисправностей в РУ. Такие методы дают возможность автоматически изменять параметры структуры резервирования АИС при возникновении неисправностей, количество которых достигло порога отказа начальной мажоритарной функции, а это позволяет существенно повысить эффективность использования резервного оборудования при исключении распространения ошибок по структуре резервирования.

Исследования показали, что применение методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ приводит к дополнительным аппаратным затратам в АИС на реализацию средств восстановления, включающими в себя УКН, УДН, перестраиваемые ВЭ и схемы синхронизации. Эффективность применения таких методов, т. е. степень увеличения надежности и сложности, в значительной степени зависит от структуры резервирования АИС, характера функционирования и применяемой элементной базы. Без учета этих параметров невозможно оптимальным образом построить АИС с заданной надежностью и объемом оборудования.

Однако при правильной организации структуры резервирования АИС эти дополнительные затраты могут быть сведены к минимуму. Это в значительной мере обусловлено широким использованием интегральной технологии, которая в основном сняла ограничения, вызываемые многократным увеличением оборудования. Одной из мер, значительно упрощающих схемно-конструкторскую реализацию методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, является создание унифицированных схемотехнических решений средств восстановления на базе специализированных интегральных микросхемах, ПЛИС и микросборок частного применения. Вполне очевидно, что создание таких решений существенно упростит процесс проектирования АИС.

Вместе с тем применение методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ определило и новые подходы в проектировании УА. Перед инженером-разработчиком стал ряд задач, связанных с обеспечением правильного функционирования АИС при перестройке структуры резервирования и организации проверок функционирования резервного оборудования при испытаниях.

При разработке средств восстановления инженер-разработчик АИС должен знать методы активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ и технические характеристики РУ. Однако инженеру-разработчику при этом не обязательно разбираться детально в схемотехнических особенностях РУ. Он должен четко представлять лишь те характеристики и элементы РУ, которые имеют непосредственное отношение к средствам восстановления и влияют на их реализацию.

Приступая к разработке средств восстановления для АИС инженер-разработчик должен также знать и уметь использовать типовые технологические приемы разработки, контроля и испытаний АИС, при этом он должен заранее закладывать определенные принципы построения АИС и методы проверок резервного оборудования при функциональном контроле и испытаниях. Без этого практически нельзя изготавливать, отлаживать и эксплуатировать АИС, особенно при низком уровне резервирования.

Проведенные в данной работе исследования методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ и предложенные методы анализа и синтеза, контроля и диагностики АИС с перестраиваемыми ВЭ, в определенной степени позволяют решать эти вопросы, показав высокую эффективность в ряде разработок.