Компьютеры космической станции

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 (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.

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 (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.

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.

Список литературы

1. http://cosmos.ucoz.ru/publ/kompjutery_v_kosmose/121

2. http://works.tarefer.ru/69/100940/index.html

3. http://www.ekostat.ru/stati/200/