Программно ориентированный подход к разработке космических аппаратов в СШАКаштан 1 ранга Д. Длугоцкий, По мере развития новых технологий вооруженные силы США при выполнении определенных задач отказываются от закупки и использования дорогих больших космических систем и комплексов в пользу малогабаритных и недорогих космических аппаратов (КА). Но в то же время при создании малогабаритных КА разработчики сталкиваются с рядом конструктивно-функциональных ограничений и вынуждены искать пути их преодоления. Назначение современных КА определяет аппаратное обеспечение. Находящиеся сейчас на орбите спутники невозможно переориентировать на выполнение других задач. Например. КА связи может осуществлять только связь, а с помощью КА оптико-электронного наблюдения возможно получить только изображения земной поверхности. При израсходовании аппаратом запаса топлива он выводится из состава орбитальной группировки и заменяется новым. Оперативность доставки космических данных на настоящий момент также стала недостаточна. Так, получение изображений земной поверхности из космоса является довольно затратной по времени задачей. Для этого на КА необходимо заложить полетное задание, дождаться пока аппарат появится в зоне радиовидимости наземного пункта приема. Далее спутник передает изображение по радиоканалу для последующей обработки. Все эти операции в среднем занимают несколько часов. Создание мобильных устройств (например, смартфонов) показало, что потребитель с помощью приложений может изменять возможности устройства. Ограничением при этом являются его аппаратные возможности. Аналогичный подход используется при создании современных космических аппаратов. Если потребитель захочет перейти от получения изображений к обеспечению связью, он может удаленно (дистанционно) обновить программное обеспечение (ПО) космического аппарата или подключиться к группе КА, объединенных в единую сеть с целью использования возможностей других аппаратов. Кроме того, новый программно ориентированный подход поможет улучшить кибербезопасность в космосе. Для нейтрализации новых угроз пользователи смогут систематически и автономно устанавливать актуальные обновления к ПО, чтобы обезопасить систему аппарата. В настоящее время вычислительные возможности бортовой аппаратуры спутника возросли до уровня, когда больше не нужно загружать данные на наземные пункты приема и тем самым тратить ценную пропускную способность и время. Данные могут обрабатываться на орбите, а затем отправляться потребителям. Такой программно ориентированный подход к созданию и использованию КА военного назначения позволит оперативно расширять его возможности по обработке данных на борту, быстро переназначать на выполнение актуальных задач, продлевая тем самым срок активного существования аппарата и защитить группировку от РЭП. Военные потребители смогут быстро перенастроить КА на работу в заданной области, например, при возникновении стихийного бедствия или боестолкновения. при необходимости повышения возможностей системы управления и связи, предупреждения о ракетном нападении, а также ведения разведки. Ожидается, что до 2030 года на орбиту Земли будет выведено более 13 тыс. американских КА. В этой связи в процессе разработки программно ориентируемых аппаратов могут возникнуть проблемы не только технического, но и административного характера. Необходимо учитывать положения ряда нормативно-правовых государственных документов, прежде всего по вопросам обеспечения безопасности полетов в околоземном космическом пространстве. Для безопасного управления программно ориентированными КА на орбите необходимо будет иметь средства быстрой обработки разнородной информации, интегрировать их в общую структуру управления орбитальными группировками с использованием наземных станций. Специфика большинства аппаратных средств, используемых на современных КА, не позволяет изменять их функциональное назначение и перенастраивать для выполнения других задач. Ключевым элементом, на который направлены усилия разработчиков программно ориентированных КА, являются высокопроизводительные контроллеры интерфейса. Одной из первых компаний, реализующих стратегию программной ориентированности КА, является компания "Вектор лонч". Она занимается созданием единого каталога ПО по аналогии с AppStore или GooglePlay для поиска и загрузки ПО на аппаратные средства КА. Для этого создана стандартизированная платформа GalacticSky с одноименной операционной системой (ОС), благодаря которой на КА можно будет устанавливать различные приложения. Доступ к таким аппаратам будет предоставлен компаниям, участвующим в разработках специализированного программного обеспечения. С помощью GalacticSky разработчики смогут создавать, тестировать и проводить испытания приложений без необходимости строить или запускать специализированные КА. Новые технические возможности этой ОС включают в себя инструменты по разработке ПО для малогабаритных КА моделирования космических сетей и управления данными на основе облачных вычислений.
GalacticSky позволит потребителям обрабатывать значительно больше данных без передачи их на Землю. В отличие от классического способа получения информации ОС GalacticSky за счет использования совместных ресурсов орбитальной группировки позволяет выбирать, какие данные и от какого КА хочет получить пользователь. Предоставляется возможность получать изображения с одного аппарата и передать их через другой, а также контролировать функционирование сразу нескольких. Полученные данные от КА распределяются в группировке, объединенной в общую сеть, для их совместной обработки и хранения. В военной сфере ОС GalacticSky может быть использована для выполнения различных задач, начиная от обнаружения пусков баллистических ракет до обеспечения управления войсками (силами), решения задач ситуационной осведомленности на ТВД или оценки нанесенного ущерба. Помимо этого, система позволит расширить функции обеспечения связью. В настоящее время МО США для осуществления спутниковой связи (СС) использует различные орбитальные группировки соответствующих КА. в том числе систему узкополосной связи "Муос" (MUOS), обеспечивающая каналам: связи объекты ВС США, в частности подразделения и части ВМС. морской пехоты. Кроме того, используется система защищенной СС "Аехф" (AEHF), которая обеспечивает засекреченную помехоустойчивую связь органов управления и боевых подразделений стратегических сил. оперативно-тактических группировок сил общего назначения на ТВД. Для широкополосной С С применяется система нового поколения "Вгс" (WGS). Военный потребитель сможет иметь все три источника связи вместе под управлением ОС GalacticSky, используя при этом все многообразие диапазонов. Таким образом, возможно комбинировать широкополосную связь "Вгс" совместно с системой "Аехф" на одной платформе, предоставляя пользователям различные услуги в зависимости от потребностей. Компания "Вектор лонч" подписала соглашение на 60 млн долларов с компанией "Йорк спенс системс", которая разрабатывает стандартизированные КА. Первый такой аппарат с одноименным названием GalacticSky планируется запустить в 2020 году, работы по его сборке уже завершены. Наибольшая эффективность от применения ОС GalacticSky достигается тогда, когда у пользователя есть доступ к множеству КА. каждый из которых может быть оснащен различными типами бортового оборудования, что позволит изменять их назначение, переориентировать на выполнение других задач. Например, если имеется возможность получать изображения земной поверхности, то можно перенастроить аппарат для наблюдения за погодой над конкретным объектом в специализированном приложении с учетом того, что траектория его полета проходит над ним. При этом будет иметься возможность запуска различных сборок ОС. которые могут быть оперативно задействованы посредством виртуальных машин (виртуальные ОС внутри ОС), которые в компании "Вектор лонч" называют "логическими". Таким образом, появляется возможность получать данные с одного КА, хранить их на другом, обрабатывать на третьем, осуществлять приемо-передачу информации на четвертом и загружать новые виртуальные машины, в том числе для того чтобы перенастраивать "логический" КА для выполнения новой задачи. Если потребуется переключиться и. например, перейти с оптико-электронного наблюдения в режим РСА (радиолокационных синтезированных апертур), "логический" КА может заменить оптико-электронную камеру одного КА на РСА, находящуюся на другом КА. Благодаря этому появляется больше возможных вариантов выполнения альтернативных задач из объединенного набора ресурсов в орбитальной группировке. Для обеспечения кибербезопасности ОС GalacticSky будет иметь несколько встроенных уровней защиты, начиная с зашифрованной связи КА-Земля, Каждая ОС или любое другое ПО, которое может быть запущено на КА, будет работать под управлением собственной виртуальной машины, чтобы защитить их друг от друга, поэтому даже сбой одного программного компонента не повлияет на работу других. Кроме того, компания "Вектор лонч" создала области безопасности, в которых ПО и его ресурсы (данные, поступающие от аппаратного компонента) могут быть расположены в определенной области. Это должно полностью обеспечить безопасную передачу информации. Аналогичное решение будет использоваться в связке с гипервизором "Ситрикс кзен сервер" - облачной платформой серверной виртуализации. Виртуализация - это представление набора вычислительных ресурсов или их логического объединения, абстрагированное от аппаратной реализации и обеспечивающее при этом логическую изоляцию друг от друга вычислительных процессов, выполняемых на одном физическом ресурсе. Такое программное обеспечение используется в различных отраслях - от больниц до инвестиционных банков. Гипервизор "Ситрикс" является примером использования виртуализации и предназначен для обеспечения одновременной параллельной работы нескольких операционных систем на одном устройстве. Предполагается, что это поможет КА поддерживать или увеличивать свою эффективность за счет использования общих вычислительных ресурсов и возможности установки или замены ПО, а также удаленно получать доступ к системам и управлять ими. Указанные решения позволят снизить сложность разработки и создания космических систем и комплексов. Компания "Вектор лонч" предполагает использовать возможности гипервизора "Ситрикс" для обеспечения виртуализации на своих КА. Это позволит большему количеству потребителей задействовать один и тот же аппарат. С помощью виртуализации предложено осуществлять управление вычислительными ресурсами, распределяя их между пользователями. Таким способом можно трансформировать КА-связи в КА-разведки и одновременно обеспечить его использование разными потребителями. Применение гипервизора "Ситрикс" предусматривает установку нескольких ОС и работу каждой из них одновременно. Например, пользователь может установить две копии Linux на одном КА, полностью изолировать их, и обе ОС будут работать так, как будто каждая работает на своем КА хотя на самом деле они используют только общие ресурсы. Это обеспечивает безопасную среду для обмена данными каждого пользователя. Загрузка и установка различных версий ПО и их обновлений позволят управлять ресурсами: один потребитель может использовать КА более экономично, в то время как другие будут нагружать его интенсивно. Другим ключевым компонентом гипервизора "Ситрикс" является возможность переноса, что позволяет пользователю перенести виртуальную машину с одного компьютера на другой, не прерывая работу виртуальной машины. В ИТ-технологиях это часто используется для исправления и обслуживания компьютерных серверов. В основе гипервизора "Ситрикс" лежит ОС "Линукс", но любая ОС может быть запущена поверх нее, такая как Windows или менее известная. Компания "Вектор лонч" имеет полные версии гипервизора "Ситрикс", необходимые для виртуализации и установки их на опытные КА. Вероятнее всего, аппаратное обеспечение и платформа будут использоваться для создания безопасных хранилищ, высокоскоростной связи, а также проведение автономной аналитики. Еще одной компанией, добившейся значительных успехов в реализации программно ориентированного подхода, является "Локхид-Мартин". Она разработала программно ориентируемую спутниковую архитектуру под названием "Смартсат" (SmartSat). Вместо аппаратного устройства, способного выполнять только то, что было настроено при запуске КА, используются программные средства, которые можно менять путем простой установки. Например, если пользователь КА связи хочет расширить зону обслуживания в районе стихийного бедствия, он может установить новое ПО и использовать его по мере необходимости. Основой аппаратного обеспечения таких КА является мощный радиационно стойкий компьютер производства центра космических высокопроизводительных и отказоустойчивых вычислений "Чриси" (CHREC - Center for High-Performance Reconfigurable Computing) национального научного фонда США "Неф" (NSF - National Science Foundation). ПО "Смартсат" позволяет компьютеру-хосту управлять множеством клиентских виртуальных машин. Таким образом максимально эффективно используются вычислительные ресурсы: память, пропускная способность сети и процессорные циклы. Это позволяет обрабатывать большие массивы данных без избыточной нагрузки на аналитиков наземных станций. ПО "Смартсат" лучше всего работает на КА имеющих разнообразное бортовое оборудование. Чем больше таких датчиков, тем шире спектр решаемых задач. Если у потребителя есть оптика и связь на КА, "Смартсат" позволяет пользователю запускать и останавливать эти возможности в зависимости от того, как он хочет использовать бортовое оборудование. В настоящее время компанией "Локхид-Мартин" разрабатываются программы Linus и Pony Express. Для них будут созданы КА в форм-факторе "Кубсат" (CubeSat). Программа "Линас" предусматривает создание КА типа 12U "Кубсат" и предназначена для проверки возможностей ПО "Смартсат". а также компонентов КА, созданных с помощью ЗD-печати. Программой "Пони экспресс" предусматривается создание нескольких "Кубсат" типа 6U, которые будут испытывать средства аппаратно-программного обеспечения сетевых технологий на низкой околоземной орбите. С помощью данных КА компания "Локхид-Мартин" планирует испытать перекрестную связь между аппаратами и распределенную обработку данных для того, чтобы данные, полученные одним КА, могли обрабатываться на других. В ближайшем будущем это позволит создать систему облачных вычислений в космосе. КА "Пони экспресс" №1 является основным аппаратом с программно ориентированной полезной нагрузкой, на котором будет отрабатываться возможность обеспечения облачных вычислений. Последующие аналогичные КА должны продемонстрировать уже возможность формирования роящихся радиочастотных сетей и связи между аппаратами. Таким образом. "Линас" и "Пони экспресс" должны продемонстрировать возможность формирования спутниковых сетей и проведения распределенных вычислений. ПО "Смартсат" является масштабируемым, что подразумевает возможность его использования на всех типах КА. Устанавливаться и испытываться ПО "Смартсат" будет на космических платформах собственной разработки компании "Локхид-Мартин". На первом этапе это будет наноспутниковая платформа серии LM 50, далее будет применяться уже на всей линейке платформ этой серии, ПО "Смартсат" востребовано как военными, так и коммерческими клиентами, В первую очередь оно позволит сделать работу с данными в космосе более быстрой и гибкой, поскольку потребности в новых технологиях и решаемых задачах могут изменяться быстрее, чем запуск новых КА. Во вторую очередь применение "Смартсат" позволяет перепрофилировать любой КА благодаря быстрой смене ПО и подключением необходимых датчиков на борту. Помимо этого, обеспечивается высокая степень киберзащищенности и устойчивость системы за счет использования более сложных решений, основанных на применении элементов искусственного интеллекта. При этом система защиты от кибератак имеет возможность регулярного обновления по мере появления новых угроз. Пользователи могут обнаруживать их и быстро парировать, а применение в ПО элементов искусственного интеллекта обеспечит самовосстановление в случае сбоя. С помощью "Смартсат" можно создавать космические сети, которые аналогичны наземным облачным, например, для того чтобы КА в группировке связывались друг с другом для быстрой синхронизации функций и выполнения задач. Это стало возможно, в том числе за счет обеспечения выбора вычислительных алгоритмов, что позволило переместить обработку информации, обычно выполняемую на земле на КА. Существующие космические аппараты в большинстве своем имеют низкопроизводительные бортовые компьютеры, заставляющие обрабатывать данные на местах с помощью настольных компьютеров, Достижения в области миниатюризации оборудования и высоких вычислительных мощностей позволили корпорации "Локхид-Мартин" создать КА "Линас" и "Пони экспресс". При их разработке используются современные быстродейственные бортовые компьютеры, обеспечивающие высокую производительность, не уступающую наземным системам. Вооруженные силы США уделяют значительное внимание разработкам в данной области. Так, военно-морская исследовательская лаборатория "Нрл" (NRL - US Naval Research Laboratory) в течение 15 лет проводит эксперименты с программно определяемыми спутниковыми платформами. В 2010 году ее специалисты развернули свой виртуальный операционный центр (ВОЦ) "Вмок" (VMOC - Virtual Mission Operations Center) с веб-сервисом и несколькими приложениями. Через этот центр запросы на космические услуги становятся доступными только конкретным пользователям, имеющим доступ к секретной сети МО США (SIPR-Net). С помощью ВОЦ "Вмок" осуществляется планирование выполнения поступающих по запросу пользователей задач путем составления полетного задания и загрузки его на КА. Прием запросов и составление циклограмм работы проводится с учетом количества пользователей, важности задачи и запрашиваемой оперативности оказания услуг. ВОЦ "Вмок" работает как система обмена информацией между пользователями и КА. Она позволяет управлять как одним аппаратом, так и всей орбитальной группировкой одновременно. МО США в своем распоряжении имеет значительное количество орбитальных группировок различного назначения и стремился к их наращиванию. Поэтому, лаборатория "Нрл" сосредоточила свои усилия на разработке ПО. обеспечивающего обслуживание и управление орбитальными группировками, потенциально содержащими сотни КА. По аналогии с разработками компаний "Вектор лонч" и "Локхид-Мартин", которые планируют использовать виртуализацию для разделения КА и разграничения доступа, МО США решают эту задачу на своих аппаратах. Общей проблемой при создании программно ориентируемых КА является разработка ПО, позволяющего оптимально расставлять приоритеты при доступе к КА и его ресурсам и недопущению конфликтов. При этом МО США не может определять приоритет доступа на основе финансирования, как это делают коммерческие поставщики космических услуг. В целом в космической отросли США наблюдается тенденция к увеличению автономности КА. Американская спутниковая индустрия находится на пороге крупных технологических изменений, которые могут оказаться финансово выгодными для военных и коммерческих потребителей. Поскольку рынок производства космических аппаратов составляет около 20 млрд долларов, внедрение нового подхода к разработке КА может повлиять на оснащение каждого разрабатываемого аппарата. Новый программно ориентированный подход к созданию космических систем не только улучшит интеграцию космос-Земля при связи КА с наземными станциями, но и позволит напрямую соединяться с самолетами, кораблями и наземными транспортными средствами, обеспечивая выполнение различных задач в глобальных системах. Смотрите также | |||||
|
| |||||
| Просмотров: 708 | | | |||||
| Всего комментариев: 0 | |