RU2653243C1

RU2653243C1 - Control system of spacecraft

Info

Publication number: RU2653243C1
Application number: RU2017117371A
Authority: RU
Inventors: Леонид Рувимович Варенбуд; Артем Олегович Тищенко; Игорь Михайлович Шаталов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Орбита"
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2018-05-07

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used in autonomous power systems for space vehicles, as well as in other devices requiring high reliability. For this purpose, a control system for the instruments of the spacecraft is proposed, which includes three computational complexes (CC), a driver of reconfiguration commands (DRC), the majority elements (ME, additionally contains three registers with Z-state, and between each two inputs of each ME a resistor ME is installed. DRC is made in the form of a restartable monostable, and the power outputs of the DRC, registers and each CC are designed to be connected to an independent power source.

EFFECT: technical result is an increase in reliability and a decrease in the mass of the spacecraft.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных системах электроснабжения космических аппаратов, а также в других приборах, требующих высокой надежности. Техническим результатом является повышение надежности и снижение массы системы управления космического аппарата.The invention relates to electrical engineering and can be used in autonomous power supply systems for spacecraft, as well as in other devices requiring high reliability. The technical result is to increase reliability and reduce the mass of the spacecraft control system.

Известна 4-канальная отказоустойчивая система бортового комплекса управления (СБКУ) повышенной живучести для космических применений (патент РФ 2449352), содержащая 4 вычислительных комплекса (БЦВС), блок управления и контроля (БУК), 5 блоков управления (БУ), мажоритарные элементы (МЭ), а также несколько подсистем, обеспечивающих контроль и реконфигурацию системы.Known 4-channel fault-tolerant system of the onboard control complex (SBKU) of increased survivability for space applications (RF patent 2449352), containing 4 computer systems (BCVS), control and monitoring unit (BUK), 5 control units (BU), majority elements (ME ), as well as several subsystems that provide control and reconfiguration of the system.

СБКУ обеспечивает повышенную живучесть и работу системы при возникновении двух отказов в системе.SBKU provides increased survivability and system operation in the event of two failures in the system.

Недостатком известной системы является большое количество подсистем, и, как следствие, очень высокая масса и стоимость, что резко снижает ценность достижения требуемой надежности в космической аппаратуре.A disadvantage of the known system is a large number of subsystems, and, as a consequence, a very high mass and cost, which dramatically reduces the value of achieving the required reliability in space equipment.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является система управления по схеме мажоритарного резервирования БЦВС бортового комплекса управления (БКУ) с адаптивным мажоритарным элементом (МО) по схеме, приведенной на рисунках 3 и 4 статьи (Л.В. Савкин, Аппаратная реализация логики «один из трех» в схемах мажоритарного резервирования бортовых цифровых вычислительных систем космических аппаратов. «Промышленные АСУ и контроллеры, 2016, №3»), принятой в качестве прототипа.Closest to the proposed invention is a control system according to the majority redundancy scheme of the BCBC airborne control complex (BKU) with an adaptive majority element (MO) according to the scheme shown in Figures 3 and 4 of the article (L. V. Savkin, Hardware implementation of the logic “one of three "In the majority redundancy schemes for onboard digital computer systems of spacecraft." Industrial Automated Control Systems and Controllers, 2016, No. 3 "), adopted as a prototype.

БКУ содержит три вычислительных комплекса (ВК), мажоритарные элементы (МЭ) и формирователь команд реконфигурации (ФКР), при этом выходы В К подключены к мажоритарным элементам, выходы которых являются входами управления силовых модулей, а входы и выходы ФКР соединены с ВК и МЭ. ФКР в свою очередь включает реконфигурируемые измерительные каналы (РИК), реконфигурируемые дублирующие поля (РДП), реконфигурируемые тестовые каналы (РТК), модули памяти с конфигурационными наборами РИК, РДП, РТК, коммутаторы, базу данных классификатора…BKU contains three computing complexes (VK), majority elements (ME) and reconfiguration command generator (FCR), while outputs B To are connected to majority elements, the outputs of which are control inputs of power modules, and the inputs and outputs of FCR are connected to VK and ME . FKR, in turn, includes reconfigurable measuring channels (RIC), reconfigurable duplicate fields (RDP), reconfigurable test channels (RTK), memory modules with configuration sets RIK, RDP, RTK, switches, classifier database ...

БКУ также обеспечивает работоспособность при двух отказах системы при использовании трех ВК. К недостатку системы следует отнести, как и у аналога очень большое количество сопутствующих подсистем, обеспечивающих реконфигурацию БКУ, а следовательно, сложность разработки и отладки, высокую стоимость и массу БКУ. При этом, масса, стоимость и количество элементов ПКИ не только соизмеримо с аналогичными параметрами ВК, но зачастую и превышает их.BKU also provides performance in case of two system failures when using three VK. The disadvantage of the system should be attributed, like the analogue, to a very large number of related subsystems that ensure reconfiguration of the control panel, and therefore, the complexity of development and debugging, the high cost and weight of the control panel. At the same time, the mass, cost and number of CRP elements are not only commensurate with similar VC parameters, but often exceed them.

Задачей предлагаемого технического решения является существенное снижение массы и стоимости изделия, упрощение системы, с обеспечением работоспособности при двух отказах, а также снижение сроков разработки аппаратного и программного обеспечения.The objective of the proposed technical solution is to significantly reduce the mass and cost of the product, simplify the system, ensuring operability in case of two failures, as well as reducing the development time of hardware and software.

Поставленная задача решается тем, что система управления приборами космического аппарата (КА), включающая три вычислительных комплекса (ВК), формирователь команд реконфигурации (ФКР), мажоритарные элементы (МЭ), выходы которых предназначены для подключения к управляющим входам объекта управления, выходной контрольный порт каждого ВК соединен с соответствующим входом ФКР, причем входы ВК являются входами системы управления, дополнительно включает три регистра с Z-состоянием, а между каждыми двумя входами каждого МЭ установлен резистор, причем одноименные информационные входы регистров с Z-состоянием соединены с соответствующими одноименными выходными портами ВК, а их выходы с входами МЭ, при этом значения сопротивлений резисторов на порядок больше выходного сопротивления регистров с Z-состоянием и на порядок меньше входного сопротивления МЭ.The problem is solved in that the spacecraft (SC) instrument control system, including three computer systems (VC), reconfiguration command shaper (FCR), majority elements (ME), the outputs of which are designed to connect to the control inputs of the control object, the output control port each VC is connected to the corresponding input of the FCR, and the VC inputs are inputs of the control system, additionally includes three registers with a Z-state, and a resistor is installed between each two inputs of each ME When in use, the same name data inputs of registers with Z-connected condition with the same corresponding output ports VC, and their outputs to the inputs of the ME, the value of resistors order of magnitude greater output resistance registers with Z-state and on the order of less than the input resistance of the ME.

Предусмотрено, что ФКР выполнен в виде перезапускаемого одновибратора с возможностью самотестирования и выдачей по выходному контрольному порту импульсов типа «меандр», при этомIt is envisaged that the FCR is made in the form of a restartable single-vibrator with the possibility of self-testing and the issuance of meander pulses along the output control port, while

T_PQM/T_OB=(1,3-1,5),T _PQM / T _OB = (1.3-1.5),

гдеWhere

T_PQM - период импульсов ВК типа «меандр»,T _PQM - pulse period VK type "meander",

Т_ОВ - период импульса одновибратора ФКР, выходы которого подключены к Z-входам регистров.T _OV is the pulse period of the single-shot FCR, the outputs of which are connected to the Z-inputs of the registers.

Предусмотрено также, что выводы питания ФКР, регистров и каждого ВК предназначены для подключения к независимому источнику питания.It is also provided that the power outputs of the FCR, registers and each VC are designed to be connected to an independent power source.

Работа системы управления поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема системы управления, на фиг. 2 - диаграмма работы одновибратора ОВ при нормальной работе и отказе вычислительного комплекса ВК, а на фиг. 3 - диаграмма работы одновибратора ОВ при отказе и восстановлении вычислительного комплекса ВК.The operation of the control system is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a structural diagram of a control system; FIG. 2 is a diagram of the operation of the single-shot OB during normal operation and failure of the VC computing complex, and in FIG. 3 is a diagram of the operation of a single-shot OB in case of failure and restoration of a VC computing complex.

На фигурах представлены:The figures show:

1-1, 1-2, 1-3 - вычислительные комплексы, ВК;1-1, 1-2, 1-3 - computer systems, VK;

2-1, 2-2, 2-3 - формирователь команд реконфигурации, ФКР, выполненные в виде одновибраторов, работающих в режиме перезапуска;2-1, 2-2, 2-3 - shaper reconfiguration commands, FCR, made in the form of single-vibrators operating in restart mode;

3-1, 3-2, … 3-n - мажоритарные элементы в количестве, соответствующем количеству входов управления силовыми модулями объекта управления;3-1, 3-2, ... 3-n - majority elements in an amount corresponding to the number of control inputs of the power modules of the control object;

4-1, 4-2, 4-3 - регистры с Z-состоянием;4-1, 4-2, 4-3 - registers with Z-state;

5 - резисторы, соединяющие входы мажоритарных элементов МЭ;5 - resistors connecting the inputs of the majority elements of the ME;

6 - объект управления с управляемыми силовыми модулями (СМ),6 - control object with controlled power modules (SM),

7 - мультиплексный канал обмена (МКО) информацией КА.7 - multiplex channel exchange (MCO) information of the spacecraft.

Система управления функционирует следующим образом.The control system operates as follows.

Вычислительные комплексы (1-1, 1-2, 1-3), выполненные на основе микроконтроллеров (например, 1986 ВЕ1), получают по МКО 7 командную информацию, а от объекта управления 6 - телеметрическую информацию о состоянии системы. При отсутствии отказов в системе, определяемых анализом сигналов на входах Pin1…Pin_n ВК (1-1, 1-2, 1-3), последние выдают по выходным портам (Pq1….Pqn) требуемые сигналы управления для объекта управления 6 и сигнал «меандр» по контрольному выходному порту (Pqm).Computing complexes (1-1, 1-2, 1-3), based on microcontrollers (for example, 1986 BE1), receive command information from MCO 7, and telemetry information about the state of the system from control object 6. In the absence of failures in the system, determined by the analysis of the signals at the inputs Pin1 ... Pin_n VK (1-1, 1-2, 1-3), the latter give the required control signals for the control object 6 and the signal "at the output ports (Pq1 ... .Pqn) meander "at the control output port (Pqm).

При поступлении сигнала «меандр» на вход одновибратора (2-1, 2-2, 2-3) ФКР, последний в соответствии с рисунком на фиг. 2 вырабатывает на выходе непрерывно восстанавливаемый сигнал «0», который подается на Z-вход регистров (4-1, 4-2, 4-3), в соответствии с которым регистры (4-1, 4-2, 4-3) на выходе повторяют сигналы входов и передают на входах МЭ (3-1, 3-2, 3-n), «правильные сигналы» ВК (1-1, 1-2, 1-3).Upon receipt of a meander signal at the input of a single-shot (2-1, 2-2, 2-3) FCR, the latter in accordance with the figure in FIG. 2 generates a continuously restored signal "0" at the output, which is fed to the Z-input of the registers (4-1, 4-2, 4-3), in accordance with which the registers (4-1, 4-2, 4-3) at the output, the signals of the inputs are repeated and transmitted at the inputs of the ME (3-1, 3-2, 3-n), “correct signals” of the VK (1-1, 1-2, 1-3).

Поскольку значения сопротивлений 5 существенно выше выходных сопротивлений регистров (4-1, 4-2, 4-3) установка резисторов 5 никак не влияет на работу МЭ (3-1, 3-2, 3-n), которые работают, как им и положено в режиме мажоритара путем выбора двух одинаковых сигналов из трех.Since the values of the resistances 5 are significantly higher than the output resistances of the registers (4-1, 4-2, 4-3), the installation of resistors 5 does not affect the operation of the MEs (3-1, 3-2, 3-n), which work as they and set in the majority mode by selecting two identical signals from three.

При возникновении отказа одного из ВК (1-1, 1-2, 1-3), одновибратор (2-1, 2-2, 2-3) ФКР переходит в состояние «1», соответствующий регистр (4-1, 4-2, 4-3) переходит в состояние «Z», а соответствующий вход МЭ (3-1, 3-2, 3-n), благодаря сопротивлениям 5 устанавливается в состояние одинаковое с двумя оставшимися входами, обеспечивая безотказную работу системы управления при одном отказе.In the event of a failure of one of the VK (1-1, 1-2, 1-3), the one-shot (2-1, 2-2, 2-3) FCR switches to state “1”, the corresponding register (4-1, 4 -2, 4-3) goes into the “Z” state, and the corresponding ME input (3-1, 3-2, 3-n), thanks to the resistances 5, is set to the same state as the two remaining inputs, ensuring the failure-free operation of the control system at one failure.

Указанная работа МЭ (3-1, 3-2, 3-n 3) обеспечивается при значении сопротивлений резисторов 5 на порядок меньше входного сопротивления МЭ (3-1, 3-2, 3-n), например, типа 1564ЛП23.The indicated operation of the ME (3-1, 3-2, 3-n 3) is ensured when the resistance values of the resistors 5 are an order of magnitude less than the input resistance of the ME (3-1, 3-2, 3-n), for example, type 1564ЛП23.

Временная диаграмма изменения сигналов на входе и выходе одновибратора (2-1, 2-2, 2-3) ФКР приведена на фиг. 2, из которой видно, что вне зависимости от конкретного состояния на выходе ВК (1-1, 1-2, 1-3),, выходные порты регистров (4-1, 4-2, 4-3) переходят в Z-состояние, отключая отказавшие выводы ВК (1-1, 1-2, 1-3), от выходов системы управления.The timing diagram of changes in the signals at the input and output of a single-shot (2-1, 2-2, 2-3) FCR is shown in FIG. 2, from which it can be seen that regardless of the specific state at the VC output (1-1, 1-2, 1-3), the output ports of the registers (4-1, 4-2, 4-3) go to Z- state, disconnecting the failed VK outputs (1-1, 1-2, 1-3) from the outputs of the control system.

При возникновении отказа одновременно в двух ВК (1-1, 1-2, 1-3) уже два одновибратора (2-1, 2-2, 2-3) ФКР, переходят в состояние «1», и два соответствующих регистра (4-1, 4-2, 4-3) переходят в состояние «Z», а два соответствующих входа МЭ (3-1, 3-2, 3-n) устанавливаются в состояние одинаковое с оставшимся (правильным) входом, обеспечивая безотказную работу системы управления при двух отказах. При этом, в соответствии с фиг. 3 видно, что при восстановлении работоспособности отказавшего ВК, выводы последней также восстанавливают работоспособность СУ.In the event of a failure at the same time in two VK (1-1, 1-2, 1-3), already two single-vibrator (2-1, 2-2, 2-3) FCRs go into state “1”, and two corresponding registers ( 4-1, 4-2, 4-3) go into the “Z” state, and the two corresponding ME inputs (3-1, 3-2, 3-n) are set to the same state with the remaining (correct) input, ensuring failure-free operation of the control system in two failures. Moreover, in accordance with FIG. Figure 3 shows that when recovering a failed VK, the conclusions of the latter also restore the working capacity of the control system.

Технический эффект изобретения заключается в упрощении системы реконфигурации, обычно соизмеримой с микроконтроллерными вычислительными комплексами, до трех регистров, трех одновибраторов и резисторов на входах МЭ.The technical effect of the invention is to simplify the reconfiguration system, usually commensurate with microcontroller computing systems, to three registers, three single-vibrators and resistors at the ME inputs.

Таким образом, разработанное устройство обеспечивает:Thus, the developed device provides:

- существенное снижение массы и стоимости системы управления при обеспечении высокой надежности и обеспечении безотказной работы при двух отказах;- a significant reduction in the mass and cost of the control system while ensuring high reliability and ensuring trouble-free operation with two failures;

- упрощение устройства и уменьшение сроков разработки аппаратного и программного обеспечения;- simplification of the device and reducing the time for the development of hardware and software;

- возможность использования ПКИ только производства РФ (микроконтроллеры серии 1986, микросхемы серий 1564, 1594), что необходимо при создании продукции спецназначения;- the possibility of using PKI only made in the Russian Federation (microcontrollers of the 1986 series, microcircuits of the 1564, 1594 series), which is necessary when creating special-purpose products;

- возможность использования системы управления в режиме холодного резерва одного микроконтроллерного вычислительного комплекса, что повышает ресурс системы и позволяет рассасывать накопленную дозу радиации путем ротации ВК, находящихся в холодном резерве.- the possibility of using the control system in the cold reserve mode of one microcontroller computing complex, which increases the system resource and allows you to absorb the accumulated dose of radiation by rotating VK in the cold reserve.

Claims

1. The spacecraft instrument control system, which includes three computer systems (VC), reconfiguration command generator (FCR), majority elements (ME), the outputs of which are designed to connect to the control inputs of the control object, the output control port of each VC is connected to the corresponding input of the FCR moreover, the VC inputs are inputs of the control system, characterized in that it additionally includes three registers with a Z-state, a resistor is installed between each two inputs of each ME, and the same the information inputs of the registers with the Z-state are connected to the corresponding VK output ports of the same name, and their outputs are with the ME inputs, while the output of the reconfiguration command generator is connected to the Z-input of the corresponding register with the Z-state, and the resistor resistances are an order of magnitude greater than the output resistance registers with Z-state and an order of magnitude less than the input resistance of the ME.

2. The system according to claim 1, characterized in that the FCR is made in the form of a restartable one-shot with the possibility of self-testing and the issuance of meander pulses along the output control port, while

T _PQM / T _OB = (1.3-1.5),

Where

T _PQM - pulse period VK type "meander",

T _OB is the pulse period of the single-shot FCR, the outputs of which are connected to the Z-inputs of the registers.

3. The system according to claim 1, characterized in that the power outputs of the FCS, registers and each VC are designed to be connected to an independent power source.