Файл: Шаталов, В. А. Применение ЭВМ в системе управления космическим аппаратом.pdf

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦВМ 8 НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Принципы использования БЦВМ на космических аппаратах различного назначения могут быть пояснены на конкретных примерах, приводимых в данной главе. Общим требованием обычно является то, что при управлении КА и контроле функ­ ционирования его подсистем БЦВМ должна работать как не­ отъемлемая часть замкнутой системы, получать сигналы рассо­ гласования между фактическим и требуемым значениями конт­ ролируемых величин, соответствующим образом обрабатывать сигналы и вырабатывать управляющие команды. БЦВМ должна обладать развитой системой прерываний с программируемыми уровнями приоритета. Такая структура позволит к БЦВМ под ключать различные по своей природе датчики и устройства, рабо­ тающие в реальном масштабе времени.

Классификация, взятая за основу, не является достаточно строгой, однако она довольно хорошо отражает этапы освоения космического пространства и позволяет на практических приме­ рах подтвердить те тенденции развития БЦВМ, о которых гово­ рилось ранее. Первыми в такой классификации являются необи­ таемые КА — искусственные спутники Земли.

8.1. БЦВМ ДЛЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ

Примерный состав датчиков, информация от которых может быть обработана на БЦВМ, и аппаратуры, функционирование которой контролируется и корректируется при помощи БЦВМ, показан на рис. 8. 1.

В качестве примера использования вычислительных машин на искусственных спутниках Земли приведена универсальная БЦВМ модульной конструкции, разработанная фирмой Westinghouse [5]. Комплектация БЦВМ и ее программное обеспечение может изменяться в зависимости от целевого назначения ИСЗ. Основной комплект включает два центральных процессора, два блока ЗУ и два устройства ввода —выдачи (рис. 8. 2). Комплект

189

система охлаждения и ее исполнительные механизмы ;

может быть легко расширен до трех процессоров, трех устройств ввода — вывода, восьми блоков ЗУ. Центральный процессор (ЦП) выполняет арифметические операции в дополнительном коде. Скорость работы БЦВМ выбиралась как компромисс между требованием высокого быстродействия и малого потреб­ ления энергии. Быстродействие центрального процессора харак­ теризуется следующими данными: время сложения 6,25 мкс, среднее время умножения 45 мкс, среднее время деления 90 мкс. Потребление энергии составляет всего 5 Вт от бортовой сети.

8.2. БЦВМ ОРБИТАЛЬНОЙ ОБИТАЕМОЙ СТАНЦИИ

Применение БЦВМ для управления обитаемой станции при­ земного космоса рассмотрим на примере американской орби­ тальной станции «Скайлэб» [5]. Программой исследований пре­

и ультрафиолетовых лучах. Эти эксперименты обусловили высо­ кие требования к точности управления угловым положением станции и формирование двух раздельных систем управления.

Одна система управляет движением станции в целом, другая —■ движением блока научных приборов. В качестве исполнитель­ ных органов системы управления станцией выбраны три двух­ степенных силовых гироскопа. Блок научных приборов управ­ ляется отдельной системой управления.

Управление угловым положением станции и блоком научных приборов выполняет бортовая цифровая вычислительная машина на основе информации, поступающей от солнечных датчиков и датчиков угловой скорости, сигналы которых используются в управлении по тангажу и рысканию. Для получения сигнала, пропорционального углу крена, интегрируется сигнал от датчика угловой скорости крена. Структурная схема системы управления угловым положением станции с использованием БЦВМ приведена на рис.-8.3. Объем памяти БЦВМ составляет 16384 16-разряд-

190

ных слова и на ~ 1 % превышает необходимый объем памяти. Для достижения высокой надежности на станции установлены две БЦВМ, одна из которых находится в горячем резерве и осу­ ществляет периодически самопроверку.

Обработка информации от датчиков угловой скорости и фор­ мирование законов управления силовыми гироскопами (быстрые вычисления) осуществляется 5 раз в секунду. Навигационные вычисления (медленные вычисления) осуществляются 1 раз в 1 с. Программа самопроверки требует ~4000 слов и работает каждую секунду в течение 60 мксек.

8.3. БЦВМ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ «АПОЛЛОН»

Одним из важных классов космических аппаратов являются обитаемые космические корабли, предназначенные для изучения

иосвоения Луны.

Всостав бортового комплекса командного модуля КК «Аполлон» входят:

— блок инерциальных измерений;

—бортовой вычислитель с индикатором и пультом управ­

ления;

—оптические средства;

—средства управления;

—двигатели ориентации;

—индикатор углового положения.

Лунный модуль содержит ряд аналогичных устройств. Борто­ вой вычислитель командного модуля (КМ) и лунного модуля (ЛМ) является основным элементом управляющего комплекса

ивыполняет следующие задачи:

—навигацию и наведение на всех этапах полета;

—рациональное управление угловым положением;

—вырабатывает сигналы для синхронизации работы различ­ ных систем;

—осуществляет информационный обмен с космонавтами через клавишный пульт и световые указатели;

—осуществляет связь с наземными станциями слежения по каналам цифровой информации.

Рис. 3. 2. Схема модульной конструкции БЦВМ для ИСЗ:

1 — процессоры ; 2 — блоки З У ; 3 — устройства ввода — выдачи

191

Орбитальная станция

Д а т ч и к и у г л о ­ вых ск о р о сте й

Да т ч и к си ст е м ы

об н а р у ж ен и я Солнца

С р е д ст в а к о н т — роля и и н в и ка —

ния бортового вычислителя в бортовой комплекс соответственно КМ и ЛМ КК «Аполлон» [1,4].

БЦВМ КК «Аполлон» обладают большими вычислительными возможностями при малых габаритах и массе. Отличительной особенностью БЦВМ является возможность решения ряда раз­ личных задач в реальном масштабе времени в одном централь­ ном процессоре на приоритетной основе. Другой особенностью является большое количество сигналов, поступающих на борто­ вой вычислитель от различных схем КК. ЦВМ «Аполлон» состоит из трех основных узлов.

Центральный узел включает в себя арифметическое устрой­ ство, дешифратор команд, дешифратор адресов запоминающего устройства и несколько регистров с фиксированными адресами специального назначения.

Второй узел — устройство управления, обеспечивающее опре­ деленную последовательность выполнения программ и блок прерывания и запроса. Генератор устройства управления выра-

192

л]

Рис. 8. 4. Функциональные схемы включения бортовых вычислителей в бортовой комплекс КМ и ЛМ космического корабля «Аполлон»:

а — связь бортового вычислителя с элементами КМ; б —- связь бортового вы­ числителя с элем ентами ЛМ

193

батывает тактовые импульсы обращения к памяти, серии управ­ ляющих импульсов, реализующих выполнение команд в машине, и включает в себя приоритетную схему прерывания.

Третий узел — запоминающее устройство, включающее посто­ янную память (только для считывания данных) емкостью 36864 слов и оперативную память емкостью 2048 слов.

Постоянная память выполнена в виде системы из переплетен­ ных проводников и сердечников и в состоянии закодировать 5-105 единиц информации. Время цикла ~12 мкс. Оперативная память выполнена на ферритовых сердечниках и имеет цикл так­ же ~12 мкс. Различие между двумя типами памяти состоит в том, что содержание постоянной памяти не могут изменить про­ граммные операции. Каждый код, хранимый в памяти, состоит из 16 двоичных разрядов (15 для записи информации и 1— до­ бавочный контрольный). Числа хранятся в виде слов, записанных в дополнительном коде и состоящих из 14 цифровых и одного знакового разряда. Команды состоят из трехразрядных кодов операций и 12-разрядных кодов адреса.

Часть вычислителя лунного модуля, используемая в контуре управления, называется цифровым автопилотом. Он занимает около 11% памяти вычислителя. Цикличность работы цифрового автопилота составляет 10 циклов/с. Цифровой автопилот наряду с формированием логики управления ориентацией обрабатывает получаемую с гироплатформы информацию, осуществляет ее пре­ образование к осям КК и вычисляет угловые скорости дифферен­ цированием угловых отклонений по осям КК. Автопилот уточ­ няет информацию, получаемую с гироплатформы. Текущее состояние параметров движения оценивается с учетом экстра­ поляции прошлого состояния, поворота двигателя посадки и включения сопел системы ориентации.

Кроме того, автопилот позволяет корректировать коэффици­ енты усиления контура стабилизации. Ускорения, измеренные инерциальным блоком, используются для оценки уменьшения массы КК за счет расхода топлива.

с системами КК. Этот обмен занимает значительную часть вре­ мени работы машины. Природа информации, передаваемой от систем к машине и от машины к системам, различна, большая часть поступающей в ЦВМ информации представлена в инкре­ ментном виде (информация в приращениях). Поступающая информация преобразуется в инкрементную форму в аналогоцифровых блоках связи корабля, куда поступают сигналы с элек­ трических датчиков угла.

При передаче сигналов из ЦВМ на элементы корабля также часто используется инкрементная передача управляющей инфор-

194

Т а б л и ц а 8. 1

мации. Объем связи БЦВМ «Аполлон» с другими системами при­ веден в табл. 8. 2.

Т а б л и ц а 8. 2

и отладке программ. В процессе этой работы были рассмотрены свыше 750 изменений программы.

В программах предусмотрены ситуации, возникающие при ошибочных сигналах с пульта управления, которые могут воз­ никнуть при перепутывании клавиш. В этом случае на пульте появляется сигнал «ошибка оператора», указывающий космонав­

заставляет вычислитель повторить вычисления. Соответствующий сеанс заставляет программу вернуться на несколько шагов назад

к точке, где результат вычислений был введен в память. Затем

сэтой точки начинаются новые вычисления. Космонавт узнает о случившемся по световым сигналам.

На борту ЛМ помимо основного вычислителя установлен дополнительный вычислитель аварийной системы управления. Он представляет собой универсальный вычислитель, выполненный

195