يوري تيابتشينكو، نائب كبير المصممين ورئيس شعبة نظم عرض المعلومات على متن الطائرة (1993-2002) في مكتب التصميم التجريبي المتخصص لتكنولوجيا المركبات الفضائية. إلى اليسار: لوحة العدادات للمركبة الفضائية فوستوك
نظام عرض المعلومات المتكامل لسويوز-TMA ووحدة التحكم المتكاملة لحلقة التحكم اليدوي للجزء الروسي من محطة الفضاء الدولية
بواسطة يوري تيابتشينكو
تقدم الورقة نظام عرض معلومات نبتون-مي (IDS) كوحدة تحكم فضائية (SC) لوحدة الهبوط لسفينة الفضاء للنقل التجريبية سويوز-TMA، ووحدة التحكم المتكاملة (IC) لحلقة التحكم اليدوية لمعدات الوحدة النمطية في الجزء الروسي من محطة ألفا الفضائية الدولية. نبتون-مي هي نسخة مطورة من وحدة تحكم نبتون-إم لسفينة الفضاء سويوز-TM. تم إجراء الترقية باستخدام تقنيات الحوسبة الحديثة وأساليب تصميم واجهة الإنسان والحاسوب (MCI). هذه هي معرفات الجيل الخامس في مجال الطيران الكوني التجريبي. تتوافق واجهة أداة SC الجديدة مع واجهة الأداة السابقة. MCI لوحدة التحكم قيد النظر هي في الأساس غير Neptune-M MMI. يحل IC محل وحدات التحكم في الأوامر "بلوتون" و"ميركوري" التي تستخدم على نطاق واسع في المحطة المدارية MIR. يمكن لمرافق وأساليب تصميم وحدة التحكم المقترحة في الورقة أن تجد استخداما واسعا في أنظمة التطبيقات المختلفة.
أنظمة عرض المعلومات لسفن الفضاء سويوز
استخدمت أنظمة التحكم في "Soyuz-7K" و"Soyuz-A8" (برنامج سويوز أبولو) ومحطة ساليوت التي صممتها شركة Energiia الفضائية الروسية Sirius IDS. يوضح الشكل 1 المنظر العام لوحدات التحكم في سفينة الفضاء الرئيسية للوحة العدادات. كان هذا هو نظام الجيل الثالث القائم على مفاهيم ضغط معلومات القيادة وتقنيات عرض المعلومات الزمنية المبرمجة. يتمتع النظام بخصائص تقنية واقتصادية عالية. لأول مرة في الممارسة العالمية، تم استخدام شاشات متعددة الوظائف تعتمد على CRT والأنابيب الكهروluminescent في هذا النظام. كانت وحدة التحكم الرئيسية عبارة عن شاشة كهروميكانيكية. لأول مرة تعرض شاشة فيديو معلومات التلفزيون والقياس في أوضاع فردية ومدمجة. تم إرسال المعلومات المعروضة على CRT إلى الأرض عبر قناة تلفزيونية.
ومع ذلك، في حين تم حل مشاكل دعم المعلومات لمعرف سيريوس، لم يتم النظر في توصيات البحوث المريحة وميزات وحدة موظفي اختبار النظام الفضائي بالكامل. ونتيجة لذلك، تم استبدال Sirius IDS ب Neptune IDS خلال الترقية الأولى لسفينة الفضاء سويوز.
يظهر العرض العام لوحدة التحكم الرئيسية لمعرف نبتون في الشكل. 2. يتم توفير مهام IDS لسفينة الفضاء بواسطة أنظمة عرض Simvol وKL-110. أظهرت سفينة الفضاء "سويوز تي" العودة إلى IDS للجيل السابق في التحكم في المعدات على متنها والانتقال إلى الجيل الرابع من IDS في صيانة معدات حوسبة سفن الفضاء، والتحكم في حركة سفينة الفضاء.
تم استخدام المبادئ المنفذة في هذا النظام على نطاق واسع في وقت لاحق في تطوير IDS لجميع المركبات الفضائية والمحطات الفضائية المنتجة منزليا، بما في ذلك طائرة بوران الفضائية. بعد ذلك، تمت ترقية وحدة التحكم في النظام مرة أخرى. تم استبدال النظام التناظري لتحويل المعلومات وعرضها بمراقب. لم يكن لدى الشاشة أي وسيلة للمقياس. تم إنشاء المقاييس إلكترونيا. كانت وحدة التحكم في رواد الفضاء في هذا التصميم (انظر الشكل 3) تعمل على "سويوز-TM" حتى عام 2002.
الغرض من معرفات "Soyuz-TM"
تم تصميم نظام عرض المعلومات:
· للتحكم في أنظمة سفن الفضاء؛
· لعرض معلومات الطيران والملاحة؛
· للتفاعل مع الكمبيوتر الموجود على متن الطائرة لأداء مهام الملاحة في سفن الفضاء والتحكم في الحركة أثناء الالتقاء والالتحام والمناورات والتوجيه والنزول والهبوط؛
· لعرض معلمات النظام الرئيسية وهوامش الكتلة الدافعة ومعلمات الغلاف الجوي في وحدات سفينة الفضاء وما إلى ذلك. ;
· للتحكم في أجهزة الراديو؛
· لإنشاء الأوامر الرئيسية وإخراجها؛
· لإخراج معلومات الطوارئ والإنذار باستخدام الإشارات الضوئية والصوتية؛
· لعرض معلومات التلفزيون والقياس والإشارة على شاشة التلفزيون في أوضاع فردية ومشتركة.
يتم التحكم في سفينة الفضاء من قبل اثنين من رواد الفضاء كحد أدنى.
تصميم وهيكل وحدة تحكم سويوزTM
تم تصميم وحدة التحكم كإطار تثبيت. توجد شاشات العرض وعناصر التحكم على اللوحة الأمامية. يتم تركيب وحدات الإلكترونيات داخل الإطار. تم العثور على أنظمة العرض "Simvol" وKL-110 غير المدمجة في وحدة التحكم، في الوحدة المحلية، وبالتالي في DM. إشارة الإنارة الكهربائية وشاشات تناسب الأحرف وشاشات CRT هي وسائل العرض الأساسية لوحدة التحكم.
تتضمن إشارات الإدخال ما يلي:
- إشارات متوازية ذات موضعين على حالة وأنماط تشغيل الوحدات والأنظمة التي سيتم عرضها في حقول إشارة وحدة التحكم؛
- إشارات الطوارئ والإنذار المتوازية ذات الموضعين؛
- إشارات تلفزيونية من كاميرات التلفزيون وأنظمة عرض Simvol وKL-110. أثناء الالتحام، تأتي إشارات كاميرات التلفزيون وشاشة "سيمفول" في شكل مشترك. يتم توفير توقيت الإشارة والخلط بواسطة نظام تلفزيوني. ;
- إشارات متوازية من أجهزة الاستشعار التناظرية للنظام لمعالجة وعرض المعلمات المقاسة على شاشة CRT لشاشة وحدة التحكم (النظام الفرعي لوحدة التحكم Strelka)؛
- سلسلة من النبضات لمراقبة استهلاك الوقود على عداد كهروميكانيكي. يوفر العداد الإعداد اليدوي لحمل الوقود؛
- علامات الثواني على الساعة على متن الطائرة وأمر التحكم لعداد الثواني؛
- علامات الثواني لتوفير تشغيل شاشة التنقل المدمجة؛
- الجهد التناظري والإشارات الحالية لعرض المعلمات الرئيسية لنظام الطاقة الكهربائية على شاشة قائمة بذاتها؛
- رمز BCD متوازي ليتم عرضه على شاشة إدخال معلومات يدوية قائمة بذاتها (MIID) في نظام الكمبيوتر المركزي على متن الطائرة.
تتضمن إشارات الإخراج ما يلي:
- إشارات مثل إغلاق التلامس الجاف التي تدخل مصفوفات الأوامر لنظام التحكم في الكمبيوتر على متن الطائرة؛
- إشارات من أزرار الأوامر الرئيسية؛
- إشارات من لوحة المفاتيح العشرية لإدخال نقطة الضبط إلى الكمبيوتر الموجود على متن الطائرة؛
- إشارة تلفزيونية من محولات المعلمات التناظرية لعرض المعلومات على الشاشة.
تنتقل جميع الإشارات، باستثناء إشارة التلفزيون، عبر خطوط اتصال ثلاثية الأسلاك.
وبالتالي، فإن الاتصال بين وحدة التحكم والأنظمة الموجودة على متن الطائرة هو واجهة تسلسلية متوازية ومتوازية (BCD) وعدد تسلسلي وواجهة تلفزيونية. يتطلب تنفيذ مثل هذه الواجهة عددا كبيرا من الأسلاك والموصلات. يتم استخدام 47 موصلا مع 1809 جهة اتصال لتوفير الاتصال إلى المجمع الموجود على متن الطائرة.
مهام ترقية وحدة التحكم "Soyuz-TM"
المهام الرئيسية لترقية وحدة التحكم هي كما يلي:
· تقليل عمق وحدة التحكم وارتفاعها لتوفير الرحلات الجوية لرواد الفضاء بحجم أكبر من تلك المقبولة لسفن الفضاء "سويوز-TM".
· استبدال الأدوات التي لم تعد تنتج.
· التحكم في سفينة الفضاء من محطة عمل واحدة، وهي محطة عمل القائد.
أنظمة عرض المعلومات لمحطة MIR ووحدة الخدمة لمحطة الفضاء الدولية
وفقا للبرنامج الروسي لتطوير الملاحة الفضائية المأهولة، تم بناء الوحدة الأساسية لمحطة الفضاء الدولية (ISS) باستخدام الوحدة الأساسية لمحطة MIR-2. استخدمت محطة MIR IDS التي تشمل المكونات الرئيسية التالية (انظر الشكل 4 أ و ب و ج):
- أنظمة العرض Simvol، STEK، Svet،
- نظام إنذار طارئ متعدد القنوات،
- حلقة التحكم اليدوي مع الطريقة الهرمية لاختيار كائن التحكم والشكل الموسع لعرض المعلومات،
- لوحات قياس معلمات النظام المباشرة (انظر الشكل. 5)،
- نظام تلفزيوني.
كان من المقرر استخدام معرفات "ميركوري" (انظر الشكل 6) التي استخدمت في حلقات التحكم اليدوية في النظام للوحدات الكمومية والطيف وما إلى ذلك، في حلقة التحكم اليدوية للوحدة الأساسية MIR-2. ومع ذلك، انتهى إنتاج الأدوات المدرجة في هذه المسندات. استئناف تصنيعها ليس مربحا.
وهكذا، نشأت الحاجة الموضوعية في ترقية IDS أثناء تطوير مثل هذه الأنظمة لوحدات الجزء الروسي (RS) من محطة الفضاء الدولية.
اختيار طريقة ترقية IDS؟
تم تقديم الاقتراح القائم على بعض التحقيقات في توليف IDS لأنظمة التحكم الآلي للمنشآت المعقدة /1،2،3،3 لتطبيق تكامل وحدات العرض باستخدام تقنيات الحوسبة والمعلومات الأرضية كوسيلة رئيسية للترقية.
يقترح وحدة تحكم متكاملة (ICC) وهي أجهزة وبرامج متوافقة مع جهاز كمبيوتر IBM، كوحدة تحكم أساسية لحلقة التحكم اليدوية. تظهر وحدة التحكم في الشكل. 7.
تتكون وحدة التحكم من لوحة ألوان إلكهرولومينيسسينت مصممة مع الإلكترونيات كشاشة VGA قائمة بذاتها. تم بناء قسم الحوسبة باستخدام وحدات الكمبيوتر الصغيرة. تحتوي وحدة التحكم على وحدات واجهة مضمنة للتفاعل مع الأنظمة الداخلية ونظام المصفوفة لاختيار كائن التحكم. عدد الأوامر المرسلة من خلال لوحة مفاتيح المصفوفة لمجمع التحكم على متن الطائرة (OCC) هو 18*9 /4,5/. عدد الإشارات المستلمة ذات المركزين هو 192 إشارة.
توفر تسجيل أوامر المشغل ونقل هذه المعلومات إلى نظام القياس عن بعد لمزيد من السقوط إلى الأرض. يتم تثبيت اثنين من ICCs في وحدة الخدمة. يقترح استخدام لوحات مفاتيح مماثلة في الأنظمة الأخرى لمحطة الفضاء الدولية RS. تم دمج الدوائر المتكاملة لجميع وحدات محطة الفضاء الدولية RS في نظام التحكم عن بعد اليدوي (MRC). إنها متصلة بحافلة متعددة الإرسال مشتركة مع واجهة GOST 18977-79 (ARINC429). يظهر هيكل الحلقة في الشكل. 8. يوفر هذا التكوين التمديد المحتمل للجنة نهر الميكونج أثناء تشغيل المحطة في المدار.
تعتمد واجهة الإنسان والحاسوب (MCI) على تصميم هرمي باستخدام قائمة. يتم إعطاء الشكل الأول ل MCI في الشكل 9. تنفذ المحكمة الجنائية الدولية 14 صيغة روسية و14 صيغة إنجليزية. تتوفر احتياطيات كبيرة لزيادة عدد تنسيقات العرض. يتم توفير اختيار التنسيق واختيار الأوامر وإرسالها بواسطة علامة يتم التحكم فيها من لوحة المفاتيح مماثلة لتلك المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الشخصية القياسية.
تم تصميم البرنامج بحيث بعد تسليم وحدة نمطية جديدة إلى محطة الفضاء الدولية، يتم تحميل تنسيقات غرفة التجارة الدولية لهذه الوحدة في غرفة التجارة الدولية لوحدة الخدمة. يوفر ذلك فرصة للتحكم في الأنظمة الموجودة على متن الطائرة من كل من وحدة الخدمة ومباشرة غرفة التجارة الدولية لوحدة المحطة المناسبة.
تم استخدام النتائج التي تم الحصول عليها في تطوير غرفة التجارة الدولية لمحطة الفضاء الدولية RS لحل مشاكل ترقية IDS ل "Soyuz-TMA" المخصصة لإنقاذ الطاقم من محطة الفضاء الدولية.
ميزات Neptune-ME IDS لسفينة الفضاء "Soyuz-TMA"
وفقا لبرنامج ترقية "Soyuz-TM" لمهام محطة الفضاء الدولية، يجب أن يوفر نظام عرض المعلومات "Soyuz-TMA" التحكم والمراقبة بنفس القدر مثل النظام السابق بنفس واجهة الأجهزة للأنظمة الداخلية. يظهر تحليل مشاكل الترقية أنه لا يمكن حلها إلا باستخدام شاشات العرض المسطحة وأجهزة الكمبيوتر الحديثة. تم تطوير IDS شاشتين استنادا إلى شاشات فيديو CRT ضمن برامج Almaz و Energiia-Buran الفضائية.
ومع ذلك، فإن التغيير إلى IDS الإلكترونية المدمجة على أساس شاشتين يقلل من بقاء IDS لسفينة الفضاء "Soyuz-TMA". من الممكن تحسين القدرة على البقاء من خلال توفير التكرار للشاشات وبالتالي جميع وحدات الحوسبة ووحدات الإدخال والمخرجات. لا يتم حل المشكلة بهذه الطريقة لأبعاد ووزن معينين.
لأول مرة في الممارسة، يقترح المشروع وينفذ مفهوم IDS بشاشة واحدة. تستند جدوى مثل هذا النظام إلى نهج جديد بشكل أساسي لتصميم واجهة بين الإنسان والحاسوب (MCI). يعتمد النهج المقترح لتصميم MCI على:
- مفهوم العرض الهرمي المحتمل لأنظمة الكائنات؛
- مفهوم العرض الهرمي المحتمل لأهداف ومهام نشاط النظام المعقد؛
- مفهوم العرض المبرمج المحتمل لأهداف ومهام نشاط النظام المعقد وعدد محدود من هذه البرامج؛
- مبدأ ضرورة وكفاية المعلومات المعروضة في شكل شاشة واحدة لحل مهمة فردية؛
- إدارة النشاط باستخدام المبادئ المنفذة في أنظمة الكمبيوتر التفاعلية مثل بيئة ويندوز.
يعرض الشكل 10 المنظر العام لوحدة التحكم الجديدة في السيارة القابلة لإعادة الاستخدام. يتم الاحتفاظ بأنظمة العرض "سيمفول" و"KL-110"، وكما ذكر أعلاه، يتم الاحتفاظ بجميع الروابط إلى مجمع التحكم على متن الطائرة واستخدامها في المرحلة الأولى من تحديث IDS ونظام التحكم المعقد على متن الطائرة (OCCS). يتم تضمين رابط MIL-STD-1553B جديد لنظام الكمبيوتر الجديد. تتضمن وحدة التحكم /6/:
- اثنان من ICCs أحدهما يحتوي على شاشات فيديو VGA: شاشة ملونة (8 ألوان بدون تدرج) وشاشة أحادية اللون (16 مستوى رمادي)؛
- وحدتان للتحكم في العلامات (MCU) (انظر الشكل. 11)
- ثلاث وحدات كمبيوتر (CM) وهي برامج وأجهزة متوافقة مع جهاز كمبيوتر IBM. يشكل نظامي المحتوى مع شاشات الفيديو ووحدة التحكم في العلامات اثنين من ICCs، أي جهازي كمبيوتر شخصيين على متن الطائرة. تم تصميم CM الثالث لتلقي المعلومات التناظرية ومعالجتها ونقلها إلى غرفة التجارة الدولية CM؛
- وحدات إدخال وإخراج المعلومات لنظام الكمبيوتر على متن الطائرة عبر واجهة مماثلة لواجهة "Soyuz-TM" Neptune IDS؛
- وحدة واجهة الاتصال باستخدام ناقل MIL-STD-1553B إلى جهاز كمبيوتر KSO20 مدمج في معدات "Soyuz-TMA" DM على متن الطائرة؛
- معالجات الفيديو لإدخال المعلومات التلفزيونية إلى المحكمة الجنائية الدولية ونقل المعلومات من المحكمة الجنائية الدولية إلى نظام تلفزيوني لمزيد من الإرسال إلى مركز مراقبة البعثة؛
- اتصالات المحكمة الجنائية الدولية مع القياس عن بعد؛
- إدخال إشارة من عناصر التحكم في وحدة التحكم ونظام الإنذار في حالات الطوارئ؛
- نظام إنذار طارئ خفيف/صوتي؛
- إخراج الأوامر مع الحماية الميكانيكية من التشغيل العرضي؛
- حماية طاقة سفينة الفضاء من ماس كهربائى في وحدة التحكم وبعض المكونات الأخرى.
تم تطوير الأجهزة واختيارها لتلبية متطلبات العمليات في ظل ظروف انعدام الوزن وضغط DM، أي عمليات رواد الفضاء المناسبين.
تحتوي قاعدة النظام على مرافق حوسبة النظام والشاشات ودعم المعلومات (IS) والبرامج (SW). يوفر النظام IS وS SW واجهة الإنسان والحاسوب (MCI) /7/.
في المرحلة الأولى من الترقية، يتم اتخاذ الإجراءات للاحتفاظ بواجهة وحدة التحكم السابقة إلى أقصى حد. لا تنفذ وحدة التحكم الجديدة أي تحكم زمني مبرمج يقلل بشكل كبير من فعالية أنشطة رواد الفضاء. يتكون IS من 58 تنسيقا لعرض المعلومات. الشكل الأول الوارد في الشكل 12. أساسي. يتم تعيين حقل للمعلومات المعروضة باستمرار في بنية التنسيق. هذا مجال يتم فيه تقديم المعلومات المتعلقة بالموقف المكاني بالنسبة للأرض والوقت ومعلمات السلامة الرئيسية لرواد الفضاء. يعرض التنسيق قائمة نظام الحوار. يتم توفير الإجراءات المتعلقة بالقائمة بواسطة لوحات مفاتيح ICC وMCU.
يوضح الشكل 13 مثالا على تنسيق التحكم والاختبار لأحد الأنظمة الداخلية والشكل 14 مثالا على تنسيق واجهة OCCS لإدخال نقطة محددة. يتم عرض معلومات نظام العرض "سيمفول" في النافذة.
يوضح الشكل 15 تنسيق التنقل. الوظائف الرئيسية للبرنامج هي:
- التوليد المبرمج لتنسيقات العرض؛
- المسح المستمر للإشارات والمعلومات التناظرية والتحكم في عناصر العرض على التنسيقات؛
- تسجيل إشارات أطول من 10 مللي ثانية وهو أمر مهم بشكل خاص أثناء الاختبارات الأرضية والتحقق من الكائن؛
- تسجيل ونقل المعلومات المتعلقة باستلام الإشارة من الأنظمة الداخلية وضوابط وحدة التحكم إلى نظام القياس عن بعد، أي مراقبة كل من تشغيل الأنظمة على متن الطائرة وإجراءات رواد الفضاء مع وحدة التحكم. يسمح SW لرائد الفضاء بالنظر في المعلومات المسجلة؛
- إدارة التفاعلات بين Argon-16 OCCS وكمبيوتر KSO20 المثبت في DM (العملية أثناء النقل) أثناء إدخال النقاط المحددة والتحقق منها؛
- إدارة التفاعل مع KSO20 في الوضع الملاحي ل IDS؛
- إدخال وتحديث البيانات الأولية (الوقت، هامش الكتلة الدافعة، ساعة الإنذار، وزن سفينة الفضاء ولحظات الجمود، وما إلى ذلك).
يتضمن SW على متن الطائرة عددا من برامج الخدمة:
- تعديل نظام معالجة المعلومات التناظرية باستخدام أجهزة استشعار حقيقية؛
- توليد التسامح لفحص التسامح التناظري (لا يستخدم في المرحلة الأولى من الترقية)؛
- التفاعل مع جهاز كمبيوتر شخصي خارجي؛
- عناصر تصميم تنسيق العرض التلقائي ضمن فئة معينة من الرموز والإجراءات وما إلى ذلك. ;
- البرامج الأخرى التي تسهل استكشاف الأخطاء وإصلاحها أثناء اختبارات وحدة التحكم المثبتة على الكائن.
يحتوي SW على 100 ألف سطر نصي في باسكال و30 ألف سطر في المجمع.
الاستنتاجات والتوصيات.
1. لأول مرة في الممارسة المحلية والعالمية، تم تطوير معرفات شاشة واحدة على متن جسم معقد على أساس التقنيات الأرضية.
2. يقترح تصميم أساسي لوحدة التحكم المدمجة ل IDS للكائن المعقد.
3. تم تطوير برنامج للمعرفات الإلكترونية التي يمكن استيعابها واستخدامها في تصميم IDS للأجسام المعقدة الأخرى.
4. تسمح بنية IDS المقبولة بزيادة تحسين MCI لتوفير مهام التحكم في حركة سفينة الفضاء في جميع مراحل الطيران وتقليل وزن أجهزة IDS.
5. تعد إدارة واجهة الإنسان والحاسوب مشكلة علمية وعملية صعبة تتطلب تغييرات كبيرة في مناهج التصميم لنظام التحكم الآلي والبحث المريح الشامل وما إلى ذلك.
6. توضح الممارسة أن الترقية الكبيرة ل IDS لكائن معقد ممكنة، مع الاحتفاظ بواجهة الأجهزة الخاصة به.
7:25 مساءً · 21 يناير 2023
