МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
Кафедра №27 «МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ»
Курс «Локальные сети ПК»
«РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЕ СЕТИ В КОСМОСЕ»
Выполнила студентка группы А9-11:
Потемкина Т. С.
Проверил преподаватель:
Доц. Лапшинский В.А.
Москва
2013
СОДЕРЖАНИЕ:
Реферат 3
Глоссарий 3
Введение 3
Глава 1. ЭВОЛЮЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ КОМПЬЮТЕРОВ 5
Глава 2.МАТЕРИАЛЫ 12
Глава3. АСТРОНАВТЫ МКС ВЫШЛИ В ОТКРЫТЫЙ КОСМОС ДЛЯ ПРОКЛАДКИ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ 14
Заключение 15
Список литературы 17
ГЛОССАРИЙ
МКС — международная космическая станция.
Лаптопы — переносные портативные компьютеры.
COTS (Commercial Off-The-Shelf) — "готовые к использованию" базовые компьютерные аппаратно-программные компоненты.
ПЛИС — Программируемая логическая интегральная схема.
ЦОС —цифровая обработка сигналов.
Ethernet —семейство технологий пакетной передачи данных для компьютерных сетей.
ESA (англ. European Space Agency) —европейское космическое агентство; международная организация, созданная в 1975 году в целях исследования космоса.
NASA (англ. National Aeronautics and Space Administration) — национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства; ведомство, принадлежащее федеральному правительству США, подчиняющееся непосредственно вице-президенту США. Ответственно за гражданскую космическую программу страны.
ВВЕДЕНИЕ
Международная космическая станция — сложнейший орбитальный комплекс, собираемый из космических объектов-модулей, которые создаются в различных странах, выводятся на орбиту в различное время различными носителями, но образуют на орбите единый сложный динамический объект с едиными параметрами движения, единой внутренней средой, множеством единых внутренних ресурсов (электропитание, топливо, газы и т.д.) и единым экипажем.
Такой сложный динамический объект требует постоянного управления, контроля и поддержания заданных параметров по множеству контуров управления. Естественно, учитывая ограниченность численности экипажа, необходимость максимального использования экипажа для выполнения научных экспериментов в космосе, были предприняты все усилия для максимальной автоматизации процессов функционирования бортовых систем станции, поддержания параметров внутренней среды и заданной динамики полета. Все эти задачи максимально возложены на бортовые компьютерные системы.
При завершении строительства станции на борту будет более ста управляющих компьютеров, которые будут контролировать более 30000 параметров бортовых систем и внутренней и внешней окружающей среды. Часть этих компьютеров располагается внутри станции, в герметизированных отсеках, а часть снаружи, в условиях открытого космоса, — например, компьютеры управления ориентацией панелей солнечных батарей (которые в свою очередь имеют площадь, соизмеримую с футбольным полем!) или компьютеры роботизированных транспортных систем и манипуляторов.
Так как большинство процессов, происходящих на станции, взаимосвязано, станционным компьютерам приходится постоянно обмениваться информацией друг с другом по специальным бортовым информационным сетям, проложенным через все модули МКС.
Ответственность задач, возлагаемых на бортовые компьютерные системы МКС, сложность орбитального комплекса, растянутая во времени этапность строительства МКС, необходимость интеграции на борту в реальном времени сложнейших программных систем, разработанных многочисленными коллективами специалистов в различных странах, потребовали создания достаточно сложной отказоустойчивой иерархической архитектуры бортовой вычислительной системы МКС.
На вершине этой архитектуры находится целая система компьютеров интерфейса с экипажем. Международная космическая станция по своему внутреннему интерьеру значительно отличается от космических кораблей предыдущих поколений. Если ранее внутренний интерьер космического корабля характеризовался огромным числом различных приборов, табло, индикаторов, ручек переключателей, то теперь, например, основной модуль американского сегмента МКС выглядит как широкий коридор с гладкими стеновыми панелями, в которых тут и там расположены гнезда для подключения переносных портативных компьютеров — лаптопов.
Все управление станцией, ее бортовыми системами со стороны экипажа осуществляется только через переносные компьютеры интерфейса экипажа (в принципе, по аппаратной части это обычные ноутбуки, но со специальным программным обеспечением), которые могут быть подключены к бортовой вычислительной сети станции в любом модуле любым членом экипажа. Станция управляется с помощью так называемых "программных переключателей", расположенных на графических дисплеях компьютеров интерфейса экипажа.
Член экипажа с основной страницы, где изображены все модули станции в текущей конфигурации, переходит на страницу определенного модуля, затем на страницу определенной подсистемы модуля (например, управления атмосферой, термоконтроля, движением или электропитанием), оттуда получает доступ к информации и телеметрии по выбранной подсистеме и программным переключателям для управления данной подсистемой МКС. На эти же компьютеры выводится аварийно-предупредительная сигнализация (например, о пожаре или разгерметизации), что позволяет быстро установить источник тревоги и предпринять необходимые действия по ликвидации или локализации аварии. Компьютеры интерфейса экипажа легко переносятся по МКС, поэтому управление станцией может осуществляться не только с центрального поста управления, но и с любой точки подключения из любого модуля станции.
Другим важным преимуществом использования лаптопов является возможность их модификации. Станция рассчитана на эксплуатацию в течение десятков лет, и при необходимости на станцию могут быть доставлены новые, более мощные переносные компьютеры.
Переносные компьютеры на станции используются не только для управления бортовыми системами станции. На борту также разворачивается Ethernet-сеть вспомогательных компьютеров информационной системы, где находится необходимая экипажу техническая документация, планы работ, система инвентарного учета оборудования станции, бортовые тренажеры — симуляторы различных операций для поддержания навыков экипажа в течение длительного полета (например, операций сближения и стыковки или аварийного спуска на транспортном корабле), а также привычные для нас средства Microsoft Office для личной работы каждого члена экипажа, включая электронную почту для связи с Землей.
На борту МКС находятся также специальные лаптопы для медицинского контроля членов экипажа, для проведения научных экспериментов, для управления роботизированными комплексами, находящимися вне герметизированных отсеков. Так что каждый член экипажа даже на орбите значительную долю своего рабочего времени проводит в общении с компьютером.
Но космонавты взаимодействуют лишь с интерфейсными компьютерами экипажа, предназначенными только для установления связи экипажа с основной управляющей вычислительной системой МКС. Основные компьютеры, управляющие станцией, не видны экипажу, они находятся в запанельном пространстве, в различных стойках, около исполнительных механизмов — клапанов, двигателей, датчиков, и, как уже упоминалось, часть управляющих компьютеров находится снаружи станции — на фермах солнечных батарей, панелях терморегулирования, около антенн связи, на руке-манипуляторе, на транспортной тележке-роботе, двигающейся вдоль основной фермы станции (длиной более 100 метров).
Эти компьютеры мало похожи на привычные офисные РС — у них нет монитора, клавиатуры, мыши — только один системный блок, да и тот в специальном металлическом корпусе. Но специалисты по промышленной автоматизации сразу бы узнали привычный для них объект. Да, это магистрально-модульная система, т.е. крейт с объединительной шиной на задней стенке, в которую вставляются различные платы определенного формата — платы с процессорами, платы с накопителем информации на жестком диске, платы с устройствами подключения к сети, платы ввода-вывода дискретных сигналов и преобразования дискретных сигналов в аналоговые и т. д.
Все управляющие компьютеры Международной космической станции максимально стандартизованы, например, в рамках Американского сегмента МКС они собраны по единому стандарту в однотипных крейтах, отличающихся только размером и максимальным количеством плат, которые в них могут быть вставлены. Процессорная плата космического компьютера стандартна, она выполнена на процессоре Intel 386, который, в настоящее время, конечно, не является чемпионом по производительности, но этот выбор объясняется тем, что быстродействия данного процессора достаточно для выполнения требуемых задач, он потребляет меньше электроэнергии и выделяет меньше тепла, чем самые современные процессоры, и умещается на заданной площади процессорной платы. Некоторые из космических компьютеров выполняются в расширенной модификации: имеют математический сопроцессор, дополнительную оперативную память, более мощный источник питания и, возможно, дополнительный накопитель на жестком диске.
Такая типовая архитектура аппаратной части космических компьютеров на базе магистрально-модульного стандарта и унификация применяемых плат значительно облегчает возможный необходимый ремонт и модификацию космических компьютеров в течение десятилетий полета. Ведь резерв запасных частей на МКС ограничен, а до ближайшего компьютерного магазина быстро не доберешься. К тому же из-за высокой радиации, воздействующей на компьютерные компоненты в космосе, ожидаемый процент отказов компьютеров достаточно высок (и практика длительных космических полетов это подтверждает).
Рассчитано, что после полной сборки МКС около 20 компьютеров в год будут иметь серьезные отказы, требующие технического обслуживания. Поэтому космонавтам на орбите приходится быть не только продвинутыми пользователями и администраторами бортовой сети, но и выполнять работы по ремонту компьютерного оборудования. Замена карт — стандартная операция при обслуживании бортовых ЭВМ, и экипажи к таким операциям хорошо подготовлены.
Следует отметить, что в половине случаев отказывают компьютеры, расположенные снаружи станции. Поэтому для их ремонта требуется либо наличие запасных частей при выходе в открытый космос, либо два выхода в открытый космос: один — чтобы забрать компьютер на станцию для проведения ремонта и второй — для возвращения компьютера на его место.
Карты внутренних и наружных космических компьютеров одинаковы, а корпуса наружных компьютеров имеют более мощную защиту от радиации и микрометеоритов. Все космические компьютеры спроектированы таким образом, чтобы постепенно выравнивать давление с окружающей средой, что особенно важно при перемещении внешних компьютеров из открытого космоса на станцию и обратно за её пределы.
Глава 1.
ЭВОЛЮЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ КОМПЬЮТЕРОВ
На заре космонавтики (совпадающей по времени с началом эпохи компьютеризации в целом) выбор готовых компьютерных средств, т.е. технологической основы для создания космических систем был достаточно ограничен. Но зато практически неограниченное финансирование космонавтики позволяло привлекать целые специализированные институты для разработки под каждый космический объект своей специализированной бортовой электронно-вычислительной машины.
В последние десятилетия ситуация кардинально изменилась. С одной стороны, рынок предлагает широкий выбор COTS (Commercial Off-The-Shelf) — "готовых к использованию" базовых компьютерных аппаратно-программных компонентов: магистрально-модульных систем, процессоров, устройств ввода-вывода, шин, операционных систем — стандартизованных, апробированных и проверенных в области промышленной автоматизации и в тоже время по своим потребительским качествам удовлетворяющих высоким техническим требованиям космонавтики. С другой стороны, возрастающие потребности в компьютеризации на борту космических аппаратов (на борту космического объекта могут требоваться сотни управляющих компьютерных систем) и все более ограниченные возможности финансирования космической отрасли уже не позволяют разрабатывать "с нуля" под каждый контур управления "заказную" специализированную бортовую ЭВМ.
Путь один — максимальное использование в космической отрасли COTS-аппаратуры для создания на базе открытых стандартов и апробированных промышленностью технологий специализированных бортовых компьютерных систем. Именно этим путем пошла не только отечественная космонавтика, но и космические отрасли зарубежных стран — США, Европы, Японии, Канады и др.
Полезным следствием подобного единодушия явился тот факт, что когда человечество пришло к идее и возможности построения Международной космической станции (МКС) из орбитальных модулей различных стран, задача интеграции бортовых и наземных компьютерных систем могла быть решена на основе некой общей технологической базы. Компьютерные специалисты космических отраслей различных стран имели схожий опыт работы с одной и той же стандартизированной базовой аппаратурой: одинаковыми наборами процессорных систем, шин обмена данными, стандартами магистрально-модульных систем, стандартными устройствами сетевого взаимодействия, стандартными типами устройств ввода-вывода. Был и опыт работы с одинаковыми или похожими базовыми программными средствами: операционными системами, сетевыми протоколами, языками программирования, средствами разработки прикладного программного обеспечения и пр.
Это не означает, что интеграция компьютерных систем интернациональных партнеров по Международной космической станции была простой задачей. Просто без той единой основы, которая априорно была создана широким применением открытых технологий и стандартов в космических отраслях стран-участников строительства МКС, интеграция столь сложных комплексов была бы практически невозможна.
Что же делают компьютеры на Международной космической станции, какие они и как взаимодействуют?
Международная космическая станция — сложнейший орбитальный комплекс, собираемый из космических объектов-модулей, которые создаются в различных странах, выводятся на орбиту в различное время различными носителями, но образуют на орбите единый сложный динамический объект с едиными параметрами движения, единой внутренней средой, множеством единых внутренних ресурсов (электропитание, топливо, газы и т.д.) и единым экипажем (Рис. 1).
Рисунок 1 - Международная космическая станция
Такой сложный динамический объект требует постоянного управления, контроля и поддержания заданных параметров по множеству контуров управления. Естественно, учитывая ограниченность численности экипажа, необходимость максимального использования экипажа для выполнения научных экспериментов в космосе, были предприняты все усилия для максимальной автоматизации процессов функционирования бортовых систем станции, поддержания параметров внутренней среды и заданной динамики полета. Все эти задачи максимально возложены на бортовые компьютерные системы.
При завершении строительства станции на борту будет более ста управляющих компьютеров, которые будут контролировать более 30000 параметров бортовых систем и внутренней и внешней окружающей среды. Часть этих компьютеров располагается внутри станции, в герметизированных отсеках, а часть снаружи, в условиях открытого космоса, — например, компьютеры управления ориентацией панелей солнечных батарей (которые в свою очередь имеют площадь, соизмеримую с футбольным полем!) или компьютеры роботизированных транспортных систем и манипуляторов.
Так как большинство процессов, происходящих на станции, взаимосвязано, станционным компьютерам приходится постоянно обмениваться информацией друг с другом по специальным бортовым информационным сетям, проложенным через все модули МКС.
Ответственность задач, возлагаемых на бортовые компьютерные системы МКС, сложность орбитального комплекса, растянутая во времени этапность строительства МКС, необходимость интеграции на борту в реальном времени сложнейших программных систем, разработанных многочисленными коллективами специалистов в различных странах, потребовали создания достаточно сложной отказоустойчивой иерархической архитектуры бортовой вычислительной системы МКС.
На вершине этой архитектуры находится целая система компьютеров интерфейса с экипажем. Международная космическая станция по своему внутреннему интерьеру значительно отличается от космических кораблей предыдущих поколений. Если ранее внутренний интерьер космического корабля характеризовался огромным числом различных приборов, табло, индикаторов, ручек переключателей, то теперь, например, основной модуль американского сегмента МКС выглядит как широкий коридор с гладкими стеновыми панелями, в которых тут и там расположены гнезда для подключения переносных портативных компьютеров — лаптопов (рис. 2).
Рисунок 2 - Внутренний вид основного модуля американского сегмента МКС: на гладких стеновых панелях расположены многочисленные гнезда для подключения лаптопов
Все управление станцией, ее бортовыми системами со стороны экипажа осуществляется только через переносные компьютеры интерфейса экипажа (в принципе, по аппаратной части это обычные ноутбуки, но со специальным программным обеспечением), которые могут быть подключены к бортовой вычислительной сети станции в любом модуле любым членом экипажа. Станция управляется с помощью так называемых "программных переключателей", расположенных на графических дисплеях компьютеров интерфейса экипажа (рис. 3). Член экипажа с основной страницы, где изображены все модули станции в текущей конфигурации, переходит на страницу определенного модуля, затем на страницу определенной подсистемы модуля (например, управления атмосферой, термоконтроля, движением или электропитанием), оттуда получает доступ к информации и телеметрии по выбранной подсистеме и программным переключателям для управления данной подсистемой МКС. На эти же компьютеры выводится аварийно-предупредительная сигнализация (например, о пожаре или разгерметизации), что позволяет быстро установить источник тревоги и предпринять необходимые действия по ликвидации или локализации аварии. Компьютеры интерфейса экипажа легко переносятся по МКС, поэтому управление станцией может осуществляться не только с центрального поста управления, но и с любой точки подключения из любого модуля станции.
Рисунок 3 - Центральный пост управления космической станцией: компьютеры интерфейса экипажа (фото вверху справа), с помощью которого экипаж управляет любым элементом станции
Другим важным преимуществом использования лаптопов является возможность их модификации. Станция рассчитана на эксплуатацию в течение десятков лет, и при необходимости на станцию могут быть доставлены новые, более мощные переносные компьютеры.
Переносные компьютеры на станции используются не только для управления бортовыми системами станции. На борту также разворачивается Ethernet-сеть вспомогательных компьютеров информационной системы, где находится необходимая экипажу техническая документация, планы работ, система инвентарного учета оборудования станции, бортовые тренажеры — симуляторы различных операций для поддержания навыков экипажа в течение длительного полета (например, операций сближения и стыковки или аварийного спуска на транспортном корабле), а также привычные для нас средства Microsoft Office для личной работы каждого члена экипажа, включая электронную почту для связи с Землей.
На борту МКС находятся также специальные лаптопы для медицинского контроля членов экипажа, для проведения научных экспериментов, для управления роботизированными комплексами, находящимися вне герметизированных отсеков. Так что каждый член экипажа даже на орбите значительную долю своего рабочего времени проводит в общении с компьютером (рис.4).
Рисунок 4 - Частое общение с компьютером норма жизни экипажа МКС на орбите. На фото российский космонавт Юрий Гидзенко
Основные компьютеры, управляющие станцией, не видны экипажу, они находятся в запанельном пространстве, в различных стойках, около исполнительных механизмов — клапанов, двигателей, датчиков, и, как уже упоминалось, часть управляющих компьютеров находится снаружи станции — на фермах солнечных батарей, панелях терморегулирования, около антенн связи, на руке-манипуляторе, на транспортной тележке-роботе, двигающейся вдоль основной фермы станции (длиной более 100 метров). Эти компьютеры мало похожи на привычные офисные РС — у них нет монитора, клавиатуры, мыши — только один системный блок, да и тот в специальном металлическом корпусе. Но специалисты по промышленной автоматизации сразу бы узнали привычный для них объект. Да, это магистрально-модульная система (рис. 5), т.е. крейт с объединительной шиной на задней стенке, в которую вставляются различные платы определенного формата — платы с процессорами, платы с накопителем информации на жестком диске, платы с устройствами подключения к сети, платы ввода-вывода дискретных сигналов и преобразования дискретных сигналов в аналоговые и т. д.
Рисунок 5 - Управляющие бортовые компьютеры построены на принципах магистрально-модульных систем
Все управляющие компьютеры Международной космической станции максимально стандартизованы, например, в рамках Американского сегмента МКС они собраны по единому стандарту в однотипных крейтах, отличающихся только размером и максимальным количеством плат, которые в них могут быть вставлены. Процессорная плата космического компьютера стандартна, она выполнена на процессоре Intel 386, который, в настоящее время, конечно, не является чемпионом по производительности, но этот выбор объясняется тем, что быстродействия данного процессора достаточно для выполнения требуемых задач, он потребляет меньше электроэнергии и выделяет меньше тепла, чем самые современные процессоры, и умещается на заданной площади процессорной платы. Некоторые из космических компьютеров выполняются в расширенной модификации: имеют математический сопроцессор, дополнительную оперативную память, более мощный источник питания и, возможно, дополнительный накопитель на жестком диске.
Такая типовая архитектура аппаратной части космических компьютеров на базе магистрально-модульного стандарта и унификация применяемых плат значительно облегчает возможный необходимый ремонт и модификацию космических компьютеров в течение десятилетий полета. Ведь резерв запасных частей на МКС ограничен, а до ближайшего компьютерного магазина быстро не доберешься. К тому же из-за высокой радиации, воздействующей на компьютерные компоненты в космосе, ожидаемый процент отказов компьютеров достаточно высок (и практика длительных космических полетов это подтверждает). Рассчитано, что после полной сборки МКС около 20 компьютеров в год будут иметь серьезные отказы, требующие технического обслуживания. Поэтому космонавтам на орбите приходится быть не только продвинутыми пользователями и администраторами бортовой сети, но и выполнять работы по ремонту компьютерного оборудования. Замена карт — стандартная операция при обслуживании бортовых ЭВМ, и экипажи к таким операциям хорошо подготовлены.
Следует отметить, что в половине случаев отказывают компьютеры, расположенные снаружи станции. Поэтому для их ремонта требуется либо наличие запасных частей при выходе в открытый космос, либо два выхода в открытый космос: один — чтобы забрать компьютер на станцию для проведения ремонта и второй — для возвращения компьютера на его место.
Карты внутренних и наружных космических компьютеров одинаковы, а корпуса наружных компьютеров имеют более мощную защиту от радиации и микрометеоритов. Все космические компьютеры спроектированы таким образом, чтобы постепенно выравнивать давление с окружающей средой, что особенно важно при перемещении внешних компьютеров из открытого космоса на станцию и обратно за её пределы.
Так что, действительно, открытые стандарты и открытые технологии магистрально модульных систем выходят в открытый космос!
Создание стандартизованной аппаратной платформы космических компьютеров — это лишь первый шаг в автоматизации управления космической станцией. Следующая проблема — объединить десятки и сотни работающих на орбите компьютеров в единую сеть, обеспечить возможность построения единой комплексной, распределенной, отказоустойчивой, работающей в реальном времени компьютерной сети автоматического управления сложнейшим динамическим объектом с множественными контурами управления большим числом взаимодействующих между собой бортовых систем МКС. Задача усложняется еще и тем, что отдельные орбитальные модули и, соответственно, отдельные бортовые вычислительные подсети МКС изготавливаются в различных странах различными коллективами разработчиков, с различными технологическими традициями и различным опытом создания компьютерных систем управления космическими аппаратами. Собрать полный натурный комплекс МКС где-нибудь в одном месте на Земле для проведения отладок и испытаний практически невозможно, орбитальные модули реально стыкуются только в космосе и там они сразу становятся единым космическим объектом с общей динамикой полета, единой внутренней средой, единой системой электропитания и терморегулирования, с общими ресурсами и единым международным экипажем. Все это требует быстрых, продуманных и отлаженных механизмов интеграции управляющих вычислительных комплексов отдельных модулей и систем МКС в единую управляющую компьютерную сеть станции в целом.
Определяющую роль для решения этих задач выполняют базовые архитектурные принципы построения вычислительной сети МКС и широкое применение открытых стандартов и технологий всех уровней — от совместимости разъемов до совместимости операционных систем, протоколов передачи данных и прикладного программного обеспечения. Архитектурные принципы построения управляющей вычислительной сети МКС жестко привязывают каждый управляющий компьютер МКС к одному из трех уровней управления (рис. 6).
Рисунок 6 - Архитектура бортовой вычислительной системы МКС
На первом (высшем) уровне обеспечивается управление в масштабах всей Международной космической станции.
Хотя каждый космический модуль или отдельные системы МКС имеют собственные компьютерные управляющие сети, на станции выделены "главные" управляющие компьютеры первого уровня управления (для надежности их три одинаковых: "основной" — работающий; резервный — дублирующий, в режиме "горячего" резерва; и запасной — в режиме "холодного" резерва, т.е. выключенный). Именно с этими "главными" компьютерами взаимодействуют компьютеры интерфейса экипажа и Центров управления полетами.
Именно эти "главные" компьютеры обеспечивают управление на уровне режимов станции: на основании сбора и анализа обобщенной информации о состоянии всех подсистем МКС и команд, поступающих от интерфейсных компьютеров экипажа или с Земли, определяется один из заранее заданных режимов, в которых может находиться станция: стандартный, режим микрогравитации для выполнения научных экспериментов; режим сближения и стыковки с транспортными кораблями; режим для выхода экипажа в открытый космос; режим выживания с отключением наименее важных экспериментов и систем; режим аварийного покидания экипажем МКС.
Компьютеры следующего, второго уровня управляют модулями МКС и отдельными подсистемами в целом, например, системами движения, электропитания, термоконтроля и т.д.
И только на третьем уровне управления находятся компьютеры, непосредственно управляющие датчиками и исполнительными механизмами (клапанами, двигателями, насосами, переключателями и т.д.), относящимися к конкретной системе.
Все компьютеры бортовой сети связаны с целым набором шин, проложенных как по каждому модулю (локальные шины), так и через все модули станции (общие шины), что обеспечивает обмен командами и данными, как по вертикали через все уровни управления, так и по горизонтали — между компьютерами, относящимися к одной системе и расположенными в разных местах станции.
Общие шины проложены по всем модулям станции и выведены на специальные разъемы в стыковочных узлах, таким образом при стыковке МКС с новым модулем или транспортным кораблем происходит объединение бортовой вычислительной сети МКС с компьютерной сетью вновь прибывшего космического объекта.
В качестве стандартной шины обмена на МКС применяется шина стандарта MIL1553В. Хотя передача данных по шине MIL1553В весьма медленна (1 Мбит/с), скоростью было пожертвовано по нескольким причинам. Шина MIL1553В хорошо себя зарекомендовала в условиях космоса, она имеет хорошие характеристики по резервированию. Каждая шина состоит из двух каналов. Если один из каналов отказывает, другой принимает на себя его функции с минимальным отрицательным воздействием на операции. Каналы прокладываются отдельно, обычно по разным сторонам космических модулей.
Вообще, резервированию бортовой вычислительной системы по вполне понятным причинам уделяется большое внимание. Главные компьютеры имеют трехкратное аппаратное резервирование, компьютеры второго уровня — двукратное. Уровень резервирования в Российском сегменте МКС в целом выше, чем у зарубежных партнеров, все наши компьютеры имеют трехкратное резервирование. Существуют также специальные программные средства для обеспечения отказоустойчивости, то есть выявления, локализации и устранения отказов как шин обмена данными, так и компьютерного оборудования.
Таким образом, архитектурное построение бортовой вычислительной системы предусматривает поэтапное наращивание вычислительной сети МКС и ее надежное и длительное функционирование на орбите — ведь эксплуатация станции предусматривается в течение десятков лет.
Глава 2.
МАТЕРИАЛЫ
Компания Xilinx анонсировала производство своего нового семейства радиационно-стойких ПЛИС для аэроксмического применения -Virtex®-5QV. Семейство обладает стойкостью к ионизирующей дозе более 1Mrad(Si), что делает его привлекательным для использования в широком спектре изделий аэрокосмической отрасли. Микросхемы семейства Virtex®-5QV первые в своем роде перепрограммируемые радиационно стойкие ПЛИС, специально разработанные для противостояния жесткому радиационному излучению. Это дает разработчикам возможность использовать как встроенные функции микросхем, значительно сокращающие время разработки, так и проектировать на их базе сложные высокопроизводительные аэрокосмические системы, которые можно перепрограммировать даже после запуска в космос.
«Уровень радиационной стойкости превзошел даже наши собственные ожидания, что открывает микросхемам Virtex®-5QV широкие возможности для применения в оборонной, коммерческой и аэрокосмических областях», как отметил Харви Стил младший (Harvey Steele Jr.), вице-президент по маркетингу и бизнес-операциям компании Xilinx.
Радиационная стойкость, присущая устройствам Virtex®-5QV опирается на богатый опыт и многолетние тесты консорциума Xilinx Radiation Test Consortium (XRTC). К примеру, конфигурируемая память обладает стойкостью к однократным восстанавливаемым сбоям(SEU) почти в 1000 раз выше чем стандартная ячейка памяти микросхемы для коммерческого применения, в то время как модули конфигурируемой контрольной логики и JTAG контроллер защищены от радиации и имеют тройное модульное резервирование.
Рисунок 7 - Радиационно-стойкая ПЛИС для аэроксмического применения -Virtex®-5QV
До сих пор системы подобного класса полагались на низкопроизводительные однократно программируемые решения. Теперь же применение перепрограммируемых радиационно-стойких микросхем открывает новые функциональные рубежи таким устройствам как спутники телекоммуникационных сетей, оборонные системы и системы исследования космоса.
«Мы предвидели необходимость в микросхемах Virtex®-5QV для следующего поколения космических систем в оборонной промышленности»,- сказал Крейг Парсел (Craig Purcell), руководитель программы Advanced Global Communications компании Lockheed Martin Space Systems. «Для повышения доступности и гибкости наших систем в настоящее время мы прилагаем все усилия для внедрения перепрограммируемых ПЛИС в наши будущие изделия».
Семейство микросхем Virtex®-5QV построено на базе архитектуры второго поколения ASMBL™, применяемой в лидере продаж - семействе микросхем Virtex-5 и поддерживаемой программный пакетом Xilinx's ISE® Design Suite. ПЛИС семейства Virtex®-5QV обладает множеством таких же модулей как и Virtex-5: блочная память 36-Kbit/18-Kbit block RAM/FIFOs, ячейки ЦОС второго поколения 25x18, оптимизированные скоростные приемопередатчики для высокоскоростного последовательного соединения, интегрированные аппаратные блоки PCI Express®. Микросхемы Virtex®-5QV предоставляет около 130000 логических ячеек, 320 ячеек ЦОС поддерживающих операции с фиксированной и плавающей запятой, 836 пользовательских порта ввода-вывода, поддерживающих более чем 30 стандартов. Кроме того, Virtex®-5QV обладает поддержкой передовых в своем классе высокоскоростных соединений, благодаря 18ти каналам высокоскоростного 3Gbps приемопередатчика для связи между чипами, между платами а также между устройствами. Радиационно-стойкая версия успешной коммерческой ПЛИС Virtex-5 была разработана при поддержке лаборатории AFRL Space Vehicles Directorate.
Компания Atmel предоставляет клиентам доступ к самым последним инновационным коммерческим технологиям, адаптируя их к жестким требованиям радиационно-стойких приложений. Одни и те же производственные линии и маски используются для производства коммерческих и радиационно-стойких устройств. Этот подход двойного применения позволяет выпускать высоко конкурентоспособные решения и обеспечивает быстрое время выхода на рынок. Микросхемы Atmel доступны в радиационностойком исполнении и отвечают самым строгим требованиям (по накопленной дозе, тиристорным эффектам и переходным явлениям) для космической техники. Центры разработки и производство отвечают международным стандартам качества и сертифицированы QML-V.
Преобразователи VPT для космических аппаратов:
Соответствие MIL-PRF-38534 Class K,Н
Высокая плотность мощности
Одно-, двух-, трехканальные
Гарантированная стойкость к радиационному воздействию:
TID/ELDRS = 100 кРад (суммарная доза воздействия)
LET = 85,4 МэВ/мг/см2 (устойчивость к единичному воздействию)
Без отклонения от заявленных параметров
Без фатальных отказов
Соединители оптические однополюсные, построенные на принципе физического (точечного) контакта оптических наконечников со сферической поверхностью торцов и кабели соединительные, в том числе с минимизированными значениями потерь на отражение и радиационно-стойкие, предназначены для оптического соединения компонентов волоконно-оптических локальных информационных сетей подвижных и стационарных объектов.
Рисунок 8 - Радиационно-стойкий кабель
Глава 3. АСТРОНАВТЫ МКС ВЫШЛИ В ОТКРЫТЫЙ КОСМОС ДЛЯ ПРОКЛАДКИ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ
Астронавты МКС, Кристофер Кэссиди из NASA и Лука Пармитано из ESA, вышли в открытый космос. Кэссиди и Пармитано должны проложить по внешней стороне станции Ethernet-кабель к месту, куда будет пристыкован российский научный модуль. Подробнее о работах на МКС 16 июля сообщают сайты NASA и Роскосмоса, а ESA начало прямую трансляцию выхода в открытый космос.
Главной задачей астронавтов во время выхода станет прокладка кабелей к будущему российскому МЛМ, многофункциональному лабораторному модулю. Как сообщил РИА Новости представитель подмосковного Центра управления полетами, к МЛМ проложат в том числе и кабель Ethernet сети.
Кроме того, Кэссиди и Пармитано предстоит установить несколько перемычек на внешних фермах космической станции. Последние используются для крепления солнечных батарей и оборудования, которому не требуется герметичность. На фермах смонтированы гироскопы, радиаторы системы охлаждения, антенны и рельсы для перемещения крана-манипулятора.
В это же время командир экипажа Павел Виноградов (до этого совершавший семь выходов в космос, один из которых пришелся на эту экспедицию) вместе с Александром Мисуркиным и Федором Юрчихиным займутся плановым обслуживанием системы жизнеобеспечения станции. Космонавты очистят вентиляционную систему, заправят водой баки системы получения кислорода «Электрон» и вынесут часть использованного оборудования в грузовой «Прогресс», который будет затем отстыкован и затоплен.
Рисунок - Зоны проведения работ
МЛМ, также известный как модуль «Наука» начал строиться еще в 1995 году, однако с тех пор сроки его достройки и доставки на МКС неоднократно переносились. Предполагается, что лабораторный модуль запустят до конца 2013 года, а после стыковки он позволит не только проводить дополнительные научные эксперименты, но и возьмет на себя часть служебных функций. Установленные на МЛМ двигатели позволят управлять ориентацией всей станции, через модуль будет перекачиваться топливо от пристыкованных «Прогрессов», а снаружи установят европейский манипулятор.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Компьютеры интерфейса экипажа легко переносятся по МКС, поэтому управление станцией может осуществляться не только с центрального поста управления, но и с любой точки подключения из любого модуля станции. Важным преимуществом использования лаптопов является возможность их модификации. Станция рассчитана на эксплуатацию в течение десятков лет, и при необходимости на станцию могут быть доставлены новые, более мощные переносные компьютеры.
Переносные компьютеры на станции используются не только для управления бортовыми системами станции. На борту также разворачивается Ethernet-сеть вспомогательных компьютеров информационной системы, где находится необходимая экипажу техническая документация, планы работ, система инвентарного учета оборудования станции, бортовые тренажеры — симуляторы различных операций для поддержания навыков экипажа в течение длительного полета (например, операций сближения и стыковки или аварийного спуска на транспортном корабле), а также привычные для нас средства Microsoft Office для личной работы каждого члена экипажа, включая электронную почту для связи с Землей.
На борту МКС находятся также специальные лаптопы для медицинского контроля членов экипажа, для проведения научных экспериментов, для управления роботизированными комплексами, находящимися вне герметизированных отсеков. Так что каждый член экипажа даже на орбите значительную долю своего рабочего времени проводит в общении с компьютером.
Но космонавты взаимодействуют лишь с интерфейсными компьютерами экипажа, предназначенными только для установления связи экипажа с основной управляющей вычислительной системой МКС. Основные компьютеры, управляющие станцией, не видны экипажу, они находятся в запанельном пространстве, в различных стойках, около исполнительных механизмов — клапанов, двигателей, датчиков, и, как уже упоминалось, часть управляющих компьютеров находится снаружи станции — на фермах солнечных батарей, панелях терморегулирования, около антенн связи, на руке-манипуляторе, на транспортной тележке-роботе, двигающейся вдоль основной фермы станции (длиной более 100 метров).
Эти компьютеры мало похожи на привычные офисные РС — у них нет монитора, клавиатуры, мыши — только один системный блок, да и тот в специальном металлическом корпусе. Но специалисты по промышленной автоматизации сразу бы узнали привычный для них объект. Да, это магистрально-модульная система, т.е. крейт с объединительной шиной на задней стенке, в которую вставляются различные платы определенного формата — платы с процессорами, платы с накопителем информации на жестком диске, платы с устройствами подключения к сети, платы ввода-вывода дискретных сигналов и преобразования дискретных сигналов в аналоговые и т. д.
Все управляющие компьютеры Международной космической станции максимально стандартизованы, например, в рамках Американского сегмента МКС они собраны по единому стандарту в однотипных крейтах, отличающихся только размером и максимальным количеством плат, которые в них могут быть вставлены. Процессорная плата космического компьютера стандартна, она выполнена на процессоре Intel 386, который, в настоящее время, конечно, не является чемпионом по производительности, но этот выбор объясняется тем, что быстродействия данного процессора достаточно для выполнения требуемых задач, он потребляет меньше электроэнергии и выделяет меньше тепла, чем самые современные процессоры, и умещается на заданной площади процессорной платы. Некоторые из космических компьютеров выполняются в расширенной модификации: имеют математический сопроцессор, дополнительную оперативную память, более мощный источник питания и, возможно, дополнительный накопитель на жестком диске.
Такая типовая архитектура аппаратной части космических компьютеров на базе магистрально-модульного стандарта и унификация применяемых плат значительно облегчает возможный необходимый ремонт и модификацию космических компьютеров в течение десятилетий полета. Ведь резерв запасных частей на МКС ограничен, а до ближайшего компьютерного магазина быстро не доберешься. К тому же из-за высокой радиации, воздействующей на компьютерные компоненты в космосе, ожидаемый процент отказов компьютеров достаточно высок (и практика длительных космических полетов это подтверждает).
Рассчитано, что после полной сборки МКС около 20 компьютеров в год будут иметь серьезные отказы, требующие технического обслуживания. Поэтому космонавтам на орбите приходится быть не только продвинутыми пользователями и администраторами бортовой сети, но и выполнять работы по ремонту компьютерного оборудования. Замена карт — стандартная операция при обслуживании бортовых ЭВМ, и экипажи к таким операциям хорошо подготовлены.
Следует отметить, что в половине случаев отказывают компьютеры, расположенные снаружи станции. Поэтому для их ремонта требуется либо наличие запасных частей при выходе в открытый космос, либо два выхода в открытый космос: один — чтобы забрать компьютер на станцию для проведения ремонта и второй — для возвращения компьютера на его место.
Карты внутренних и наружных космических компьютеров одинаковы, а корпуса наружных компьютеров имеют более мощную защиту от радиации и микрометеоритов. Все космические компьютеры спроектированы таким образом, чтобы постепенно выравнивать давление с окружающей средой, что особенно важно при перемещении внешних компьютеров из открытого космоса на станцию и обратно за её пределы.
Так что, действительно, открытые стандарты и открытые технологии магистрально модульных систем выходят в открытый космос!
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. cosmos-x.ru - космические тайны рядом.../ Компьютеры космической станции
http://cosmos-x.ru/publ/kompjutery_v_kosmose/kompjutery_kosmicheskoj_stancii/121-1-0-363
2. Средства и системы компьютерной автоматизации/ Космические компьютеры: открытые стандарты и технологии выходят в открытый космос /В. Куминов (ЗАО "РТСофт"), Б. Наумов (ЦПК им. Ю.А. Гагарина)
http://asutp.ru/?p=600440
3. МАКРО ГРУПП/ Новое семейство радиационно-стойких микросхем от Xilinx
http://www.macrogroup.ru/catalog/newsone/18/5768
4. LENTA.RU/ Наука и техника / Астронавты МКС вышли в космос для прокладки локальной сети
http://lenta.ru/news/2013/07/16/spacewalk/
5. Федеральное Космическое Агентство ФГУП ЦНИИМАШ/Центр управления полетами/МКС: ВЫХОД В КОСМОС/ СПРАВКА по выходу экипажа МКС в открытый космос 16-17 августа 2013 года
http://www.mcc.rsa.ru/out160813.htm |
