Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Предложена технология системного моделирования космического аппарата (КА) на основе цифрового двойника (ЦД). Ключевыми элементами этой технологии являются: конфигуратор ЦД КА и программный симулятор функционирования КА. Технологию целесообразно реализовать следующим образом. • инженер-специалист (в своей области) задаёт конфигурацию системы (система энергопитания, управления движением, система связи и т.п.) или начальные параметры (например, специалист по эксплуатации поддерживает актуальными орбитальные параметры) моделирования для разрабатываемого КА; • программист логики функционирования КА (бортового ПО) вносит свой вклад в цифровой двойник КА в виде кода, который будет работать на целевой процессоре (контроллере); • у инженера-специалиста и программистов есть возможность хранить различные версии своих конфигураций и устанавливать любую из них; • для оценки инженером-специалистом введённой им конфигурации будет использоваться имитационная модель функционирования КА; • для запуска процесса имитационного моделирования необходимо преобразовать информацию о КА из набора конфигураций систем и начальных параметров в исходные данные (ИД) для программы моделирования. Инструмент преобразования конфигураций и начальных параметров в ИД называется конфигуратором; • после получения ИД происходит запуск программы имитационного моделирования (ИМ), который делает доступными для пользователя (инженера, специалиста по эксплуатации, программиста) результаты моделирования — показатели эффективности функционирования виртуального КА или его нештатное поведение (или аварийное завершение работы программы моделирования). Для каждого инженера (программиста) будут важны определённые показатели эффективности, на основе которых он будет принимать решения о переконфигурации своей системы; • после перереконфигурации систем, итерация моделирования повторяется заново, пока не будут удовлетворены необходимые требования. Предлагается следующий порядок функционирования спроектированного конфигуратора. Конфигуратор ЦД КА взаимодействует с базой данных (БД) компонентов бортовых систем или начальных параметров: • Для каждой бортовой системы существует БД; • Наполнение базы данных — это ответственность инженера соответствующей предметной области; • Для работы с БД системы необходим конфигуратор системы, с которым инженер взаимодействует через GUI; • Задача конфигуратора ИД — сформировать файл с компоновкой соответствующей системы, то есть сохранить выбранный состав элементов и их расположение на конструкции КА (относительно центра масс и/или угловое положение) для хранения в своей БД и передачи этой информации в виде ИД для моделирования. «Software-In-the-Loop» (SIL): По мере проектирования КА будет уточняться реализация бортового ПО, тем самым блок модели ПО можно заменить с шаблонного на реальное бортовое ПО работающее в своей операционной системе, а к моделям бортовой аппаратуры добавить модели информационного обмена и установить логику работы, ориентируясь на конкретный прототип выбранный на стадии предварительного проектирования. Это позволит отработать не только логику бортового ПО, но и драйверов обмена с аппаратурой или возможную нештатную работу. «Hardware/Processor-In-the-Loop» (H/PIL): После того как у разработчика КА появились опытные образцы (технологические макеты) бортового оборудования и бортового вычислителя, можно перейти к следующему шагу в развитии ИМ и заменить (на сколько это возможно) программные модели бортового оборудования их аппаратными аналогами, а запуск бортового ПО осуществлять на бортовом процессоре. Когда КА будет запущен в космос на Земле останется его виртуальная (аппаратно-)программная копия, или цифровой двойник. В этом случае важной задачей будет восстановить контекст его функционирования в среде ИМ посредством телеметрической информации. В свою очередь конфигурация спутника будет уже определена и останется только уточнять отдельные параметры, например, орбитальные. Тогда под цифровым двойником (ЦД) КА в рамках разработанной при реализации технологии СМ КА будем понимать цифровую модель КА, а также физические (материальные) информационные каналы, связывающие КА с его ЦД, а также (1) множество всех конфигураций исходных данных по системам КА, в том числе их расположение на КА и параметры конструкции, (2) актуальные или предполагаемые баллистические параметры, (3) бортовое ПО (работающее на целевом оборудовании), (4) программные и аппаратные модели (макеты) бортового оборудования. При этом для ЦД КА при работе в среде имитационного моделирования должна быть реализована возможность восстановить контекст посредством ТМИ, в котором функционирует реальный КА. На основе предложенной технологии на втором этапе выполнения проекта будет быть реализован ПК. Основными IT-решения, которые будут применяться при реализации технологии СМ КА на основе ЦД: 1. Языки программирования Python, С, С++; 2. Базы данных sqllite и/или PostgreSQL; 3. OS Linux (например Ubuntu); 4. Клиент-серверная архитектура и фреймворки для их разработки Vue.js и spring; 5. Система контроля версий Git; 6. Среда программирования Qt Creator (СLion или VSCode); 7. Формат описания файлов JSON; 8. ПО с открытым исходным кодом для имитационного моделирования «Проект 42». Одним из ключевых моментов, который был отмечен ранее является доступность программных средств (IT-решений), применяемых в технологии СМ КА на основе ЦД. В связи с чем операционной системой выбран дистрибутив Linux и преимущество отдаётся ПО с открытым исходным кодом или общедоступному, например, такому как «Проект 42». В качестве среды программирования (IDE) можно использовать относительно свободно доступный Qt Creator (или полностью доступные на территории РФ – СLion или VSCode). При этом IDE обеспечивают управление не только (проектом) БПО, но и средой моделирования («Проектом 42»). Обмен между программами, БПО и средой моделирования, будет происходить на основе стандартных сокетов, а на ранней стадии проект БПО (написано на C/C++) может быть легко интегрирован в среду моделирования (написано на C).