Особенности подготовки специалистов для разработки бортовых систем управления космическими аппаратами

Подготовка специалистов для создания встроенных систем управления в космической отрасли обладает рядом особенностей [1], каждая из которых встречается и в других областях применения средств вычислительной техники, но по отдельности.

• Отсутствие возможности непосредственного контакта с бортом автономного космического аппарата исключает прямой путь внесения доработок в процессе эксплуатации.

• Наличие различного вида воздействий в виде излучений и длительного (до 15 лет) срока эксплуатации приводит необходимости аппаратного резервирования и динамического перераспределения ресурсов вычислительного процесса.

• Длительные сроки разработки и эксплуатации заставляют беспокоиться о смене персонала, участвующего в процессах разработки и эксплуатации.

• Особенности конструкции бортовых вычислителей приводят к необходимости использования инструментальной кросс-среды разработки бортового программного обеспечения, существенно отличающейся от целевой среды эксплуатации.

• Решение задач стабилизации, ориентации и управления траекторией космического аппарата требует специальной математической подготовки.

Попытки найти приемлемые формы подготовки специалистов, с учетом столь широкого круга требований, привели в созданию учебно-промышленных объединений ВУЗ-предприятие, в которых именно ВУЗ берет на себя ведущую роль, а, так называемое, базовое предприятие предоставляет свои площади и производственную базу для выполнения курсовых проектов и дипломных работ. При этом сотрудники предприятия выполняют в большей степени роль консультантов, чем руководителей. Такая практика оправдывает себя во многих случаях, но не всегда.

Для поиска более результативного способа подготовки специалистов нового образца при факультете «Робототехнические и интеллектуальные системы» МАИ была создана базовая кафедра ФГУП МОКБ «МАРС» - одного из ведущих предприятий космической отрасли. При определении учебного плана подготовки было выбрано направление 161101 «Системы управления летательными аппаратами» по которому в университете уже был накоплен значительный опыт на факультете «Системы управления, информатика и электроэнергетика».

Однако, ни одна из предложенных в проекте специальности специализаций не подходила ко всем аспектам создания систем управления беспилотных летательных аппаратов, под которыми по традиции понимались исключительно атмосферные летательные аппараты. Ученый совет МАИ принял решение ходатайствовать об открытии дополнительной инновационной специализации «Системы управления беспилотными летательными аппаратами» (СУ БЛА), что дало в учебном плане 13 зачетных единиц трудоемкости (ЗЕТ) собственных предметов для базовой кафедры.

Дополнительные возможности подготовки обеспечивались за счет вариативной составляющей ФГОС-3, которая добавила еще 12 ЗЕТ, что, конечно, не было достаточным для отражения всей специфики, которую хотелось бы вместить в образовательный процесс.

Наконец, основную часть подготовки обеспечило основное свойство базовой кафедры. То есть кафедры, на которой специальные курсы читаются сотрудниками промышленного предприятия. Комплексное решение проблемы специальной подготовки, поддержанное руководством базового предприятия и университета, привело к тому, что объем аудиторных часов, читаемых специалистами предприятия, начинается с 8-ми в неделю в первом семестре и постепенно увеличивается до 23-х в девятом.

Наиболее важным является распределение различных читаемых базовой кафедрой предметов по семестрам, которое, по необходимости, учитывает не только ориентацию на разработку СУ БЛА, но и интересы других факультетов и кафедр, обеспечивающих гуманитарную и обще инженерную подготовку.

Из за отсутствия специальных знаний в области высшей математики, механики, электротехники и электроники, первые семестры сформированного учебного плана посвящены практически исключительно программистской подготовке. Все начинается с общего вводного курса в специальность и общего же курса информатики, в котором значительно усилена технологическая составляющая разработки программного обеспечения, но системы программирования ограничены одним языком высокого уровня - «С».

Далее, следуя рекомендациям Computing Curricula [2], параллельно читаются курсы по дискретной математике и программным системам реального времени, рассматривающие дискретные структуры и алгоритмы их обработки. В состав рассматриваемых структур данных включены темы: списки, списки с ограниченным доступом (lifo, fifo), представление списков в последовательной и связанной памяти, деревья и правила их обходов, сортировки и методы хеширования.

Следом за ними, рассматриваются технологические комплексы разработки и верификации встроенных программных систем. Отдельное место в курсе отведено бортовой операционной системе. В том числе той ее части, которая связана с реконфигурацией вычислительного процесса на различных фазах полета космического аппарата.

Кроме того в рамках курса предусмотрено освоение инструментальных средств поддержки разработки встроенного программного обеспечения, в состав которых включены специальные кросс-системы программирования, почти полностью исключающие работу программиста-кодировщика, стенды алгоритмической и полунатурной отладки, испытательные стенды аппаратуры и т. п.

Наконец, с пятого семестра параллельно с техническими средствами навигации и управления движением начинает в полном объеме рассматриваться программно-технический комплекс управления беспилотным летательным аппаратом и начинаются семестровые курсовые проекты, обеспечивающие индивидуальную специализацию студента.

Значительную роль в этом играет тот факт, что «МАРС», как базовое предприятие, является организацией, осуществляющей разработку как программного, так и аппаратного обеспечения системы управления беспилотного летательного аппарата. Поэтому в рамках курса «Программно-технический комплекс управления беспилотных летательных аппаратов» рассматриваются не только аспекты проектирования, но и технологические процессы изготовления бортовой системы управления.

Стоит еще раз подчеркнуть, что все вышеперечисленные курсы читаются сотрудниками базового предприятия с использованием конкретных примеров из разработок систем управления МОКБ «МАРС», как в области собственно космических аппаратов (спутников различного назначения), так и разгонных блоков [3], обеспечивающих вывод космических аппаратов на целевую орбиту.

Далее при формировании планов подготовки специалистов оказалось необходимым учесть еще одну особенность той отрасли, которая является потребителем выпускников. В ней мы сталкиваемся не просто с мелкосерийным много-номенклатурным производством, а скорее с высоко-технологичным производством уникальной продукции. Практически каждый новый космический аппарат обладает собственными специфическими характеристиками.

Это приводит к тому, что классическая обще инженерная подготовка специалиста тоже должна быть изменена [4]. Отсутствие повторений отнюдь не означает отсутствие преемственности или не использование опыта предшествующих проектов, но приводит к переносу типизации на более низкий уровень технологических операций. Аналогично этому трансформируются и многие приемы информационной поддержки производства, в котором отсутствует тиражируемость изделий.

Именно в силу этого важнейшее значение приобретает использование систем автоматизированного проектирования и систем поддержки жизненного цикла изделия от формирования концепции до летных испытаний или утилизации. Причем, последняя задача решается не столь тривиально, как в автомобиле или даже авиастроении.

Утилизация космического аппарата приводит к построению и предварительной отладке в наземных условиях сложнейшей программы посадки (приземления) КА или к перевода его на орбиту захоронения. В любом случае для расчета подобных маневров необходимо с высокой точностью знать все текущие параметры аппарата. Дополнительную сложность подобных расчетов составляет частичная потеря работоспособности систем КА. Ибо обычно только после этого принимается решение об утилизации аппарата.

Поэтому в планах подготовки специалиста предусмотрены, читаемые сотрудниками базового предприятия следующие дисциплины: «Основы автоматизированного проектирования», «Основы информационной поддержки изделий», «Системы менеджмента качества».

В настоящий момент значительная доля времени в курсе «Основы автоматизированного проектирования» посвящена вопросам проектирования цифровых устройств и собственно вычислителя, включая их разработку, моделирование, подготовку конструкторской документации и изготовление печатных плат,. Меньшая — конструкторской и технологической подготовке для механо-обработки.

Однако и алгоритмическая и программная подготовка системы управления также оказываются интегрированы в автоматизированную систему проектирования и, соответственно, находят свое отражение учебных курсах «Методы повышения надежности систем управления беспилотными летательными аппаратами» и «Проектирование комплексов управления беспилотными летательными аппаратами».

Наконец, следует отметить некоторую «архитектурную» особенность систем управления космическими аппаратами проистекающую из той же уникальности продукции. Суть ее в том, что часто до последнего момента не известны точные параметры всего беспилотного аппарата. Причина — распараллеливание разработки управляющей и функциональной аппаратуры. Следовательно, архитектура системы управления космического аппарата должна предусматривать средства параметрической настройки в достаточно широком диапазоне, позволяющие конкретизировать значения параметров объекта управления, как при конечной компоновке космического аппарата, так и на начальных стадиях его эксплуатации.

Вторая сторона уникальности проявляется в организации процесса отладки и верификации системы управления. Специфика этих процессов заключается в отсутствии некоторых объектов управления, так сказать, в живую. Более того, для некоторых компонент могут отсутствовать адекватные модели объектов, из-за того, что они тоже находятся в стадии конструирования и производства.

Соответственно, будущие специалисты должны быть обучены не только технологии верификации, но и навыкам создания тестовой оснастки, имитационных комплексов как в реальном, так и в модельном времени.

На практике верификационные процедуры приходится выполнять на нескольких уровнях. Первичные стадии, в силу уникальности производства, имеют достаточно выраженный исследовательский характер и ориентированы на контроль отдельных блоков и алгоритмов. В процессе их выполнения собираются и обрабатываются данные, используемые на более поздних стадиях в качестве эталонных значений.

Спроектированная разработчиком электронная плата после изготовления попадает на верификацию в группу разработки, где устанавливается ее соответствие требованиям, проводится необходимая доводка. Одним из результатов этого этапа является создание тестовой оснастки, выработка и утверждение методики производственных испытаний.

Параллельно с этим процессом производится разработка и реализация в программном коде алгоритмов. На первом этапе еще не используются коды целевого процессора. Верификационные процедуры направлены на контроль необходимой функциональности, оценки скорости и точности вычислений. В результате этих испытаний оказывается возможным рассчитать диапазоны и масштабы переменных, что позволяет потом автоматически сгенерить целевой программный код.

Последующие верификационные процедуры носят в той или иной степени комплексный характер, так как одновременно затрагивают как программную, так и аппаратную составляющие системы управления.

Если попробовать рассмотреть основные цифры, получившегося учебного плана (основной образовательной программы), то наблюдается следующее. В математическом и естествнно-научном цикле из 12 ЗЕТ связанных с ИТ-подготовкой базовое предприятие курирует 9 ЗЕТ. В области профессиональных дисциплин из 38 ЗЕТ ИТ-подготовки только 3 не попадают о область влияния базового предприятия, а в вариативной части не попадают 4 из 32. Как уже говорилось раньше все 13 ЗЕТ специализации полностью закрываются сотрудниками базового предприятия. Такой расклад в сочетании с проведением практик и дипломного проектирования под руководством специалистов позволяет сформировать высокий уровень профессиональных компетенций у обучающихся.

Таким образом, доклад посвящен обсуждению структуры учебного плана и приемов его реализации, ориентированных на получение специалистов высокой квалификации, практически владеющих технологиями базового предприятия, работающего в высокотехнологичной космической отрасли.