Эксплуатация и приборное оснащение аэродромов и космодромов

Скачать PDF

Эффективная технология управления циклом жизни бортового программного обеспечения спутников связи и навигации

А.А. Колташев, ФГУП "НПО прикладной механики им. акад. М.Ф. Решетнева"

Развитие современных систем космической свя­зи и навигации, предусмотренных Федеральной космической программой, требует широкомас­штабного создания спутниковых группировок дол­говременного функционирования. В свою очередь долговременность функционирования спутников на требуемом уровне качества, оперативность их создания, восстановления и восполнения во мно­гом обеспечиваются качеством БПО, технологией его создания и сопровождения, возможностями инструментальных средств разработки и сопрово­ждения.

К этому следует добавить, что в последние годы в индустрии создания спутников связи сложилась парадоксальная ситуация: несмотря на то, что функциональные задачи, решаемые БПО, остаются от изделия к изделию в основном прежними, из экономических, технических (вес, герметичность исполнения и т.п.) и политических (ограничения стран-производителей на применение) интересов появилась необходимость использовать на функцио­нально одинаковых изделиях разные вычислитель­ные платформы, что делает актуальной задачу созда­ния переносимого БПО. Таким образом, создание эффективной технологии управления циклом жизни БПО спутников связи и навигации, т.е. методов и средств эффективной разработки и долговременного сопровождения переносимого БПО с гарантирован­ным уровнем качества, является актуальной научно-технической, технологической и экономической проблемой, решение которой вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.

Вариантом решений этой проблемы служит технология создания БПО спутников связи и нави­гации, используемая в НПО ПМ. Созданная техно­логия является результатом многолетнего сотруд­ничества НПО ПМ им. акад. М.Ф. Решетнева и ИСИ СО РАН им. акад. А.П. Ершова, современной реализации и развития принципов и подходов, из­ложенных в работе [1]. Далее приводится обзор достижений, на которых эта технология базируется.

1. Эффективная архитектурная декомпозиция БПО и типовой набор интерфейсов

Базисом технологии служат используемые принципы структурной декомпозиции и архитек­турного расслоения БПО и набор канонических интерфейсов, обеспечивающих эффективный пе­ренос БПО па новые платформы и изделия и воз­можность программирования команд управления и интегральных режимов логики функционирования подсистем и изделия в целом на проблемно-ориентированных языках сверхвысокого уровня [2]. Архитектура БПО спутников связи и навига­ции показана на рис. 1.

Рисунок 1. Архитектура БПО спутника связи с N подсистем спутника

Среда программного функционирования пре­доставляет средства для организации вычисли­тельного процесса, а среда программного управ­ления – для командного управления подсистема­ми спутника в реальном времени. В составе этой среды содержится бортовой интерпретатор команд управления, набор команд которого программиру­ется проектантами подсистем на проблемно-ориентированном языке, не зависящем от вычис­лительной платформы. ПО подсистем реализуется на языке программирования Модула-2 на базе средств, предоставляемых этими средами, и при постоянстве интерфейсов этих сред становится также независимым от применяемой платформы.

Средства интегрального управления предназна­чены для решения задач автономного управления спутником в целом и служат бортовым интерпре­татором макропрограмм интегрального управле­ния, для написания которых используется проблемно-ориентированный язык программирования, позволяющий реализовать логику функционирова­ния спутника в целом непосредственно ее проек­тантам. Такая архитектура не только существенно упрощает процесс проектирования и разработки БПО, но и делает его в значительной мере перено­симым.

2. Эффективная модель цикла жизни БПО

БПО разрабатывается как встроенное ПО под­систем спутника, объединяемых средствами ПО БКУ и макропрограммами интегрального управле­ния, что подтверждается в рамках подсистем спут­ника и спутника в целом. Привязка частей БПО к подсистемам спутника позволяет четко определить требования к ПО подсистем и БПО в целом, ответ­ственность за архитектурное проектирование, сис­темное тестирование и подтверждение БПО.

Такая созданная модель цикла жизни БПО оп­ределяет принципы структурной организации проекта БПО и уровни распределения ответственности, реализует эффективные модели управления проектом, конфигурацией и верификацией БПО и гарантирует качество разработки и сопровождения БПО. В основе этой модели лежат "три кита" технологии: разработки компонент БПО, управле­ния конфигурацией БПО и верификации БПО, рассматриваемые далее [3, 4].

3. Эффективная технология разработки компонент БПО

Технология разработки компонент БПО определяет принципы построения унифицированных компонент, требования к типовому проекту ком­поненты и сценарий разработки и сопровождения компоненты, гарантирующий ее качество. Составляющие технологии перечислены ниже.

1. Стандартное архитектурное расслоение БПО и набор стандартных интерфейсов. Реализация канонических интерфейсов слоев на про­блемно-ориентированном уровне с использованием абстрактных типов данных и строгой типизации языка Модула-2 и методические указания по при­менению конструкций языка программирования обеспечивают построение переносимого ПО.
2. Типовой сценарий детального проектирования и разработки компоненты происходит в рам­ках стандартного документа описания программы параллельно с проектированием набора тестов и кодированием программы. Сценарий предусматри­вает четыре вехи по уточнению требований к ком­поненте в процессе ее разработки – "анализ архи­тектурного проекта завершен", "проектирование завершено", "программирование завершено", "раз­работка и автономное тестирование завершены", обеспечивающих согласование позиций проектан­та ПО подсистемы и разработчика компоненты. При детальном проектировании компоненты ис­пользуется разработанный метод нисходящей де­композиции потока управления в чертежах, не­формальных обозначениях с применением графи­ческого представления.
3. Высоконадежный сильно структурирован­ный язык программирования с абстрактными ти­пами данных и со строгой типизацией данных – Модула-2 не только переносит выявление боль­шинства ошибок программиста на стадию транс­ляции, но и благодаря использованию созданных стандартных библиотек типов обеспечивает переносимость компонент на различные вычислитель­ные платформы, снижая требования к квалифика­ции программистов и увеличивая ясность, понимаемость и потенциальную модифицируемость программ для обеспечения их долговременного сопровождения [2, 5]. Для реализации таких про­грамм создана эффективная кросс-система про­граммирования для базовой вычислительной плат­формы, допускающая ее адаптацию для новых вычислительных платформ с сохранением всех поль­зовательских и программных интерфейсов (см. раздел 6).
4. Измерение проектных и эксплуатационных характеристик программ связано с методами и средствами измерения статических и динамиче­ских характеристик программ, автоматически оце­нивающими не только достигнутые эксплуатаци­онные характеристики программы (объем памяти, время выполнения, размер стека и т.п.), но и "добротность" программы (оценки выполнения проектных соглашений, уровня сложности программы. комментируемости и т.п.).
5. Повторное тестирование и автоматическое определение значений критериев полноты тести­рования входят в применяемую технологию пакет­ного тестирования компонент БПО с использова­нием платформно независимого языка тестирова­ния, что позволяет реализовать в терминах языка программирования набор тестовых процедур, га­рантирующий достижение критериев полноты тес­тирования С1 и С, автоматизацию повторного тес­тирования и сохраняющий актуальность для новых вычислительных платформ.
6. Программирование команд управления и логики функционирования изделий на проблемно-ориентированных языках осуществляется с приме­нением проблемно-ориентированных командных языков и систем программирования (см. раздел 6). Проблемно-ориентированный интерфейс этих сис­тем позволяет создавать и тестировать прикладное ПО непосредственно проектантами систем без уча­стия программистов, т.е. без "шума" (неодинаково­го понимания), возникающего в процессе создания ПО в интерфейсе "проектант системы – програм­мист ПО системы". Влияние этого шума особенно существенно для класса встроенных компьютер­ных систем, к которому относятся бортовые комплексы управления спутников связи, и при обыч­ном подходе устраняется методами п. 2 и верифи­кацией.
7. Создание компонент БПО как унифициро­ванных компонент и на унифицированных средст­вах производится в рамках не только изделия, но и объекта, унифицированного по проектным согла­шениям, интерфейсам, языку программирования, библиотекам типов данных, поэтому компонента пригодна благодаря этому свойству к заимствова­нию и переиспользованию на других изделиях. При этом компоненты разрабатываются на средст­вах, рассмотренных в разделе 6.

4. Технология управления конфигурацией БПО

Для управления конфигурацией БПО разработаны методы и средства идентификации и управления объ­ектами, работами и проблемами ПО, разработаны процедуры и средства, автоматизирующие процессы управления конфигурацией, формы и процедуры элек­тронного документооборота, созданы необходимые архивы сопровождения. Технология управления конфигурацией базируется на трех составляющих: специальных методах идентификации и представ­ления компонент; системе автоматизированного управления объектами, работами и проблемами БПО; системе автоматизированного управления архивами компонент и изделий.

Каждая конфигурационная единица БПО – программа, сборка, выпуск представляется в виде про­граммного проекта – электронной папки специаль­ной структуры, содержащей всю информацию, не­обходимую для ее разработки и сопровождения. Управление конфигурационными единицами обес­печивается через три электронных подконтроль­ных архива: сопровождения работ и проблем, про­ектов унифицированных программ, БПО изделий.

Каждый объект разработки возникает как ком­понента, специфицированная архитектурным про­ектом, в рамках конкретного изделия. После ут­верждения первой редакции архитектурного про­екта информация о всех компонентах вместе с графиком их разработки заносится в Архив сопро­вождения работ и проблем этого изделия. В итоге разработка компоненты заканчивается передачей всей документации сопровождения, оформленной как проект программы, в Архив проектов унифи­цированных программ, а сама компонента, настро­енная на конкретное применение, передается в Ар­хив БПО изделия. В рамках этого архива осущест­вляются интеграция БПО и его изготовление.

После попадания в архив ошибки в компоненте исправляются на основании отчетов о проблеме в ПО, а изменение в связи с уточнением требований осуществляется по запросам-отчетам, уточняющим требования архитектурного проекта и определяю­щим полный цикл работ, требующих повторения. Вся информация об отчетах о проблемах и запро­сах-отчетах хранится в Архиве сопровождения ра­бот и проблем. Предложенные методы и средства не только отражают историю изменения объектов БПО, но и автоматизировано управляют конфи­гурацией БПО – документируют возникшие про­блемы, инициируют работы по их устранению, контролируют завершенность проблем, целост­ность сборок БПО, санкционированность и завер­шенность всех его изменений.

5. Технология верификации и подтверждения БПО

В технологии выделены девять стандартных этапов верификации и подтверждения БПО, в рам­ках которых применены новые методы и средства: верификация требований, архитектурного проекта, средств разработки и тестирования БПО, детально­го проекта, кода; автономное тестирование компо­нент, интеграционное и системное тестирование ПО подсистем и БПО в целом на наземных отла­дочных комплексах (НОК) (рис. 2); подтверждение ПО подсистем и БПО в целом в составе подсистем на инженерных моделях и летном изделии. Часть используемых методов рассмотрена выше в рамках гарантирования качества компонент.

Рисунок 2. Архитектура НОК БПО с обозначениями: БЦВК – бортовой цифровой вычислительный комплекс; ИКБК – интерпретатор команд бортового компьютера; БД КУ – база данных команд управления; ТМИ – телеметрическая информация; ЦГ – циклограммы испытаний; АСУ ИТО – АСУ испытаний и телеметрической обработки; GUI1 – штатный интерфейс; GUI2 – отладочный интерфейс; GUI3 – технологический интерфейс

Главными достижениями для обеспечения ве­рификации и подтверждения ПО подсистем и БПО в целом являются:

1. Применение в составе средств тестирования верифицированных программных моделей борто­вого процессора, моделей устройств бортового комплекса управления, моделей поведения подсис­тем спутника, позволяющих в полном объеме про­вести автономное и системное тестирование БПО без использования реальной аппаратуры. Побоч­ным положительным эффектом этого подхода яв­ляется "вынужденное" доскональное изучение ло­гики функционирования аппаратуры и ее интер­фейсов проектантами и программистами БПО.
2. Высокий уровень пользовательского интер­фейса средств тестирования, позволяющий прово­дить системное тестирование непосредственно проектантам логики функционирования подсистем изделия и изделия в целом.
3. Полное сохранение пользовательских интер­фейсов средств тестирования при использовании моделей разных вычислительных платформ.
4. Применение не только диалоговых средств тес­тирования и отладки, но и языков и средств пакетно­го тестирования и отладки, позволяющих проектиро­вать и программировать тесты по той же технологии, что и тестируемые программы БПО. При этом ис­пользование пакетов тестов автоматизирует рег­рессивное тестирование и постоянно улучшает на­бор тестов, а переносимость компонент БПО и по­стоянство интерфейсов средств тестирования со­храняют актуальность архивов тестов для новых изделий.
5. Организация системного тестирования в со­ответствии с архитектурной декомпозицией БПО. Такой подход обеспечивает эффективное распре­деление ответственности за последовательность и уровни системного тестирования. В действующей технологии системное тестирование осуществляет­ся последовательно на пяти уровнях: среды про­граммного функционирования (на уровне опе­рационной системы), среды программного управления, ПО подсистемы в режимах системы, ПО подсистемы в режимах КА и на уровне БПО в целом (на уровне макропрограмм интегрального управления).

6. Обзор средств разработки и сопровождения БПО

Средства разработки, реализующие и поддер­живающие перечисленные выше методы, пред­ставлены Технологическим комплексом производ­ства программ (ТКПП) БПО (рис. 3).

Рисунок 3. Технологический комплекс производства программ БПО

В его составе реализованы:

1. Мобильная КСП на языке Модула-2, которая может быть адаптирована для различных целевых платформ, сохраняя все пользовательские интер­фейсы. В дополнение к стандартным средствам данная система предоставляет пакетный отладчик, позволяющий организовать регрессивное тестиро­вание, средства измерения полноты автономного тестирования (по критериям С1 и С) и средства измерения эксплуатационных характеристик ком­понент, гарантирующие требуемый уровень каче­ства компонент БПО. Созданная в сотрудничестве с ИСИ СО РАН и ООО "Эксельсиор" КСП соот­ветствует мировому уровню средств разработки падежного ПО для встроенного применения, пре­восходя его по отдельным показателям.
2. Мобильная система программирования ко­манд управления конкретным изделием – ИСПОЛКОМ, позволяющая программировать на­бор команд управления подсистемами спутника непосредственно их проектантам.
3. Мобильная система программирования логи­ки функционирования систем изделия – РЕАЛ, создающая макропрограммы интегрального управ­ления непосредственно проектантами логики функционирования спутника.
4. Независимые от вычислительной платформы ба­зовые средства разработки БПО, решающие задачи хранения и сопровождения компонент БПО и БПО в целом и задачи управления их конфигурацией. Все средства эффективно функционируют на любой ПЭВМ на платформе Intel Pentium IV в среде ОС Windows 2000 или 2003.
5. 5. НОК БПО, обеспечивающие интеграционное и системное тестирование БПО, изготовление и сопровождение БПО конкретных изделий (рис. 2). НОК содержит БПО конкретного изделия, про­граммную модель целевого БЦВК и аппаратуры БКУ, модели поведения систем изделия, средства организации модельного вычислительного процес­са и средства отладки.
   НОК предоставляет проблемно-ориенти­рованный пользовательский интерфейс, позво­ляющий проводить системное тестирование ПО систем и БПО в целом, непосредственно проектан­там подсистем спутника и логики функционирова­ния спутника в целом. Интерфейс НОК унифици­рован с интерфейсами средств заводских испыта­ний и управления при эксплуатации. Если это пре­дусмотрено контрактом, на основе НОК создается имитатор КА, предназначенный для тренировки персонала Центров управления и сопровождения спутника в режиме эксплуатации.

Заключение

Ряд составляющих технологии внедрен и отра­ботан еще в рамках первого поколения спутников с БЦВМ – в проектах "Луч", "Галс", "Экспресс", "Экспресс-А", "Сесат". Для этой вычислительной платформы программирование производилось на языке Ассемблер БЦВМ. А в полном объеме с ис­пользованием языка Модула-2 технология приме­нена для двух различных вычислительных плат­форм в рамках проектов "Глонасс-М" (4 дейст­вующих спутника на текущий момент) и "Экспресс-АМ" (5 спутников) и не только успешно решила за­дачи по созданию эффективного и надежного БПО, удобного при эксплуатации и сопровождении (проект "Глонасс-М"), но и продемонстрировала возмож­ность реального переноса значительного объема БПО и переиспользования информации сопровож­дения (исходных текстов, документации, тестов и т.п.) на существенно отличную вычислительную платформу (проект "Экспресс-АМ"). Переносимое БПО изначально разрабатывалось для 32-разрядной CISC-архитектуры с прямой эндианностью, а пе­реносилось на 16-разрядную БЦВМ с обратной эндианностыо, причем в среду другой операцион­ной системы [6].

В настоящее время данная технология развива­ется для применения на третьей вычислительной платформе с RISC-архитектурой, а также в направ­лении внедрения электронного документооборота и интеграции на его основе средств разработки в единую среду разработки и сопровождения БПО. Технология зафиксирована в стандарте предпри­ятия [7], который гармонизирован со стандартами Европейского Космического Агентства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Колташев А.А. Среда программирования для встро­енных ЭВМ: система требований и тенденции ее раз­вития / Сб. "Среда программирования: методы и ин­струменты". – Новосибирск: ИСИ СО РАН, 1992.
2. Князькин Ю.М., Колташев А.А. Гарантии качества программного обеспечения встроенных ЭВМ / Мате­риалы Межд. научно-техн. конф. "Проблемы обеспе­чения качества изделий в машиностроении". – Крас­ноярск: КГТУ, 1994.
3. Колташев А.А. Технология разработки и сопрово­ждения мобильного программного обеспечения спутников связи // Изв. вузов. Приборостроение, 2004, № 4.
4. Колташев А.А. Технологические аспекты создания бортового программного обеспечения спутников свя­зи / Вестник СибГАУ им. акад. М.Ф. Решетнева. Вып. 6. – Красноярск: СибГАУ, 2005.
5. Koltashev Audrey. A Practical Approach to Software Portability Based on Strong Typing and Architectural Stratification / Joint Modular Languages Conference, JMLC 2003, Klagenfurt, Austria, 2003. Proceedings Lec­ture Notes in Computer Science (LNCS 2789) Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, New York, 2003.
6. Колташев А.А. Технология переноса бортового программного обеспечения // Открытые системы, 2004, № 4.
7. СТП 154-123-2005. Обеспечение бортовое программ­ное. Управление проектированием, изготовлением и сопровождением. – Железногорск: НПО ПМ, 2005.